一種無線智能振動傳感器的設計與實現

李心鵬 邱偉 王芳

（北京強度環境研究所 北京市 100076）

本文設計一種基于MEMS 技術的無線智能振動傳感器，體積小，內置鋰電池實現自供電。數據采集狀態下，無線數據傳輸的同時，傳感器內部大容量Flash 進行存儲備份，保證了測量數據的可靠性，為飛行狀態下的測試測量提供一種有效解決方案。

1 系統整體方案

無線智能振動傳感器系統組成如圖1 所示。

系統主要由無線智能振動傳感器節點、無線基站和上位機軟件組成。無線智能振動傳感器采集到振動信號后，通過2.4G 無線方式將數據傳輸至無線基站，無線基站收到數據后通過以太網接口將數據傳輸至上位機軟件?？罩袘脮r，無線基站也可通過RS422 方式接入遙測系統。

2 無線智能振動傳感器節點

無線智能振動傳感器主要包含數據采集模塊、核心處理器模塊，無線傳輸模塊，存儲模塊和電源模塊，其組成結構框圖如圖2 所示。

2.1 硬件電路設計

2.1.1 數據采集模塊

數據采集模塊主要實現模擬振動信號的采集和調理。

“對，打鬼子，奪武器。但昨天，我們差點被鬼子包了餃子。好在天不滅我，蘭江救了我們一命。還遇上這四個國軍兄弟。

MEMS 傳感器選用意法半導體公司（ST）生產的LIS344ALH芯片，其具有高精度、高性能、低功耗、耐沖擊的特點。傳感器量程可通過處理器IO 管腳程控，在±2g 和±6g 之間靈活切換測量范圍。傳感器輸出三路相互獨立的模擬電壓信號。

傳感器信號經過二階巴特沃茲低通抗混濾后輸入AD 采集電路。為保證數據的同步性，采用3 路相互獨立的AD 并行數據采集，并采用菊花鏈方式級聯，對外僅有一個SPI 接口。

2.1.2 核心處理器

無線智能傳感器的核心處理器采用意法半導體公司的基于ARM CortexTM-M4 內核32 位的超低功耗微控制器處理器STM32L476RGT7，該芯片工作頻率可達80MHz，具有豐富的外設接口，STM32L476 微控制器運用全新的低功耗技術，優化電源管理模式，最低功耗僅30nA。

2.1.3 無線通信模塊

圖1：無線智能振動傳感器系統組成

圖2：無線智能振動傳感器組成結構框圖

圖3：無線智能振動測試數據

無線傳輸模塊選用NRF24L01 芯片，該芯片工作在2.4GHz 國際通用ISM 頻段，通訊速率最高可達2Mbit/s，技術成熟，且性能穩定、性價比高。

表1：無線傳感器節點狀態

表2：無線傳感器Z 軸測試數據

2.2 軟件設計

2.2.1 數據采集模塊

無線智能振動傳感器節點內部運行嵌入式軟件，軟件采用狀態機設計思想，根據不同的無線基站指令進入不同的狀態。無線傳感器節點共有7 個狀態，各個狀態說明如表1 所示。

具體工作流程如下：

（1）初始狀態傳感器節點處于Sleep 狀態，當收到無線基站發送的喚醒指令時，節點進入WakeUp 狀態；

（2）在WakeUp 狀態下，傳感器節點向無線基站反饋各自的ID 標識以及相關參數信息，隨后進入Standby 狀態；

（3）節點收到采集數據的參數指令后（相關參數主要包含采樣率、濾波頻率、量程等），進入Ready 狀態；在Ready 狀態下，等待數據采集。

（4）收到開始采集指令，進入MES_state，開始實時數據采集；當收到結束采集指令時，進入Standby 狀態；

（5）在Standby 狀態下，收到存儲查詢指令后，進入TX_Save_Info 狀態，上傳節點的存儲信息，然后進入Standby 狀態；收到存儲數據上傳指令，進入TX_Save_data 狀態，上傳存儲的某次數據。

傳感器軟件設置多個狀態機，各個狀態相互獨立，互不干擾，可靈活切換。

3 無線基站設計

無線基站是整個系統的交互中心，通過以太網接口與上位機實現數據和指令交互，通過無線方式控制所有傳感器節點，起到“承上啟下”的作用。

無線基站采用ARM CortexTM-M7 內核32 位的高性能微控制器處理器STM32F7 系列，工作頻率高達216MHz，能夠滿足100 個無線智能傳感器同時工作需求。

4 上位機軟件設計

上位機軟件通過以太網口與無線基站連接，上位機軟件主要用于無線智能振動傳感器的控制以及數據監控，具有友好的交互界面。

數據采集時上位機實時顯示數據曲線，實時統計當前最值、均值、RMS 等特征值，而且上位機支持txt、CSV 等主流文件格式，便于各類數據分析軟件的讀取。

5 試驗測試

5.1 智能振動傳感器標定

為獲取智能傳感器輸出電壓值與加速度值的對應關系，將傳感器安裝在標準振動臺中，0-2g 等間隔選取10 個測點，測出輸出電壓值與加速度值的關系，然后計算出電壓值與加速度值的線性關系。如表2 所示。

將系數寫入傳感器內部Flash 中，傳感器直接輸出加速度值。為進一步驗證傳感器的精度，將傳感器送至北京航天計量測試技術研究所進行傳感器校準，校準數據顯示頻率響應在1.2kHz 左右，傳感器幅值線性度相對偏差小于0.7%（@80Hz），最大橫向振動比為2.60%（@160Hz），滿足測量儀器設備的相關國家相關標準。

5.2 某飛行器搭載試驗

將無線傳感器通過兩個M3 螺釘固定方式安裝在某飛行器待測位置，進行搭載測試，在飛行器飛行過程中傳感器實時采集、記錄飛行器的振動狀態，成功獲取整個狀態下的時域數據，事后分析得出在此狀態下飛行器的頻響特性，為其安全飛行判斷和后續飛行器的改進提供有力保障，搭載測試數據如圖3 所示。

6 結論

本文針對飛行器飛行狀態振動測量困難的問題，設計了無線智能振動傳感器，該傳感器不僅能夠實現三軸振動的實時采集、存儲和顯示，而且具有體積小、精度高、操作便捷的優點。