NRF905 无线应变测量系统的研究与设计 毕业论文.doc

目录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1建筑结构健康监测11.1.1结构图健康监测系统的组成21.1.2结构健康监测系统的发展和应用31.2无线应变传感器及无线传输技术51.2.1无线应变传感器51.2.2无线数据传输技术61.3无线传感器在建筑结构健康监测领域的发展和现状81.4本文主要工作92传感器的信号调理与采集112.1传感器技术112.2应变测量原理与传统采集系统112.2.1电阻应变计的工作原理112.2.2应变信号的传统采集与传输方法122.3前端处理电路的设计132.3.1系统整体组成132.3.2放大电路的设计132.3.3滤波电路设计152.4 A/D数据采样转换原理162.5 ADC芯片AD574162.5.1芯片介绍172.5.2引脚说明172.5.3工作模式192.5.4时序192.5.5接口电路192.6应变的采集程序202.7本章小结203射频通信模块的设计213.1射频芯片213.1.1 nRF系列射频芯片213.1.2其它射频芯片213.2射频收发器nRF905223.2.1芯片结构223.2.2工作模式233.2.3器件配置253.2.4硬件电路273.2.5 nRF905其他函数设计283.3 射频电路板设计293.4本章小结314低功耗设计324.1功耗管理324.2功耗设计方案324.3理论功耗334.4实际功耗334.5本章小结345其它模块介绍355.1软件总体程序流程图355.1.1 nRF905发射流程355.1.2 nRF905接收流程375.2硬件总体设计图385.2.1发射模块385.2.2接收模块385.3开发环境介绍395.3.1 Keil C51 µVision2介绍395.3.2 Keil C51 µVision2截图395.4PC上位机软件设计405.4.1 MSComm控件串行通信处理方式405.4.2上位机软件截图415.5本章小结426总结与展望436.1论文总结436.2论文展望43致谢44参考文献45附录1：原理图46附录2：程序源码47无线应变测量系统的研究与设计摘 要 随着人们对结构安全性重视程度的提高以及各种监测、检测相关技术的发展，建筑结构健康监测技术已经成为土木工程结构研究中的重要方向。无线传感器由于其小型化、集成化、低维修费用、少安装时间等特点而成为近年来结构健康监测系统的研究热点。 本文在充分研究传感技术、信号处理技术、无线通信技术知识上，针对传统应变采集设备体积较大、布线长、要求使用导线精度高等问题，设计了用于局部性态监测的低功耗无线应变传感器。文章主要内容如下： (1)信号的调理与采集：使用传统应变片作为结构应变测量的敏感元件，通过放大滤波电路后，使用模数转换器(ADC)进行电压数据的转换。 (2)射频通信模块的设计：选用单片射频收发芯片nRF905，设计信号传输电路并独立完成软件的编写与调试，实现数据的可靠收发。 (4)低功耗设计：从硬件和软件两个方面对系统功耗进行了分析，通过中断唤醒，实现工作模式的切换，达到低功耗设计。 (5)应变测量上位机程序开发：通过VC的MSComm控件对单片机发射的串口数据进行接收和显示。整个系统的基本目的在于监测信号并对信号进行分析，因此，得到准确的信号是系统正常工作的基础，本文详细介绍了传感器采集的前端放大滤波电路以及利用ADC574进行数据采集的方法。 本文讲述的系统具有一般性，其在结构健康监测的实际使用中效果良好，此外，本系统可经过稍微修改，应用于无线水表、无线电表、无线安防系统、无线开锁、家庭自动化和玩具等诸多领域。 最后对全文做了总结，并指出以后系统的发展前景和方向。关键词 应变传感器/无线通信/低功耗Reserch and Design of Wireless Strain Measurement SystemABSTRACT With the recognition of structural safety and the development of monitoring and inspection technique, Structural health monitoring (SHM) has already become an important research direction in civil engineering structures. And wireless sensor network is being developed as a research hotspot of SHM with such the characteristics as miniaturization, integration, low maintenance cost and a small quantity of installation time. In this paper, on the basis of sensing, information disposal and wireless communication technique, considering that the volume of traditional acquisition equipment is big wiring long and that the lead with high-precision is needed, the project and designing of low power wireless strain sensor applied for local monitoring is presented. Following is the main content of the paper: (1) Signal conditioning and sampling. The structure's strain is sampled by using the traditional strain resistance as sensitive component.The voltage signal is sampled by using the in chip Analog-to-Digital Converter (ADC) after carrying through amplifying-filtering circuit. (2) Design of the radio frequency communication part: Sending and receiving the data by using nRF905.Design signal transmission circuit and finish the software program to realization signal transmission. (3) Design of antenna. The general performance of small loop antennas is analyzed and a small loop antenna for wireless strain sensor is designed using resonance analysis method. The transformer matching method is used to design the matching network for antenna and RFIC. (4) Design of low power: Realization of low power consumption both in hardware and software,change the mode by interrupt to realization low power project. (5) Design of strain measurement program: Use VC's Macomb control to realize the data receiving and showing. The system the paper given can not only be used in SHM， but also be used in other field universally, such as wireless water meter， wireless ammeter， wireless alarm, wireless key, home automation, and toy. A conclusion of the paper is made in the end. We also points out the flaw of the System, then presents the orientation of subsequent research work.KEYWORDS strain sensor,wireless communication,low power1 绪论 随着我国现代化建设的深入与发展，建筑行业也呈现出多种趋势：建筑更加追求艺术美，形体趋向于复杂而多变；建筑的用途越来越多样化；人们对建筑的使用安全性和舒适性提出了更高的要求；具有一定历史意义的优美的古建筑及近现代建筑逐步受到人们重视并得到更加妥善的保护。以上各种趋势无一不对建筑结构的安全性评估提出了更高的要求，人们迫切需要一种能够长期在线监测结构健康程度并做出安全预警的建筑结构健康监测系统，该系统可以保证人们对建筑结构在施工和使用阶段的健康程度有一个实时的了解。 国内外大量的专家学者将研究重点转移到结构的健康监测领域，在近几年内，提出了各种监测理论和监测方法，并研发了各种用于监测的设备仪器，大大推动了结构健康监测的发展，使得结构健康监测从理论走向实践，又根据大量的实验数据反证了理论的正确性，建筑结构的健康监测的理论与实践的发展正方兴未艾。1.1建筑结构健康监测 建筑结构健康监测系统(Structural Health Monitoring System，简称SHMS)指一种当结构的性态发生明显改变或者结构本身发生损坏时能根据要求提供相关信息的系统。 建筑结构的健康监测技术就是要发展一种最小人工干预的结构健康在线实时连续监测、检查与损伤探测的系统，能够通过数据处理中心，自动地报告结构状态。它与传统的无损检测技术(Nondestructive Inspection，简称NDI)不同，通常NDI技术运用直接测量的方法确定结构的物理状态，无需历史记录数据，诊断结果很大程度取决于测量设备的分辨率和精度。而SHM技术是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果的变化来识别结构的状态，因此历史数据至关重要，识别的精度强烈依赖于传感器和解释算法。 建筑结构健康监测技术主要应用在一些造价昂贵、对可靠性要求很高的结构，如空间飞行器、桥梁、大坝、隧道、海洋平台、核电站等结构，在提高可靠性、降低维护费用、灾害预报等方面有着重要的意义1。 作为一门新兴交叉学科，土木工程建筑结构健康监测技术涉及到建筑、结构、计算机、通信、传感器、材料等众多学科，它利用各类传感器对结构的特征信息进行采集，然后用事先设计好的算法对采集数据进行处理，来预测结构的各种响应以及限定一些不利于结构正常运行的响应，从而形成一种适合结构安全运行和评定的监测系统。图1-1给出的是结构健康监测与安全评定流程。环境作用结构传感器损伤诊断安全评定输出方案数据采集智能算法图1-1结构健康监测系统图1.1.1结构图健康监测系统的组成1.1.1.1智能传感元件的开发 土木工程的健康监测就是利用性能稳定、耐久性好的传感元件，埋入结构中或粘贴于结构表面，对最能反映土木工程安全状况的参数进行监测，评价结构的安全性、耐久性，为维修、报废、报警决策提供可靠的依据。土木工程结构与设施往往处于较恶劣的环境中，要求传感器必须满足耐久性、稳定性、与结构相容性等，传统的传感器很难满足工程实际的需要。智能传感材料的出现、微电子技术以及微机电加工技术的兴起，为土木工程的长期智能监测打下了坚实的基础。 微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS)是近年来发展迅速的一门高新科学技术，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEM具有微型化、集成化、耗能低、能进入一般机械无法进入的微小空间进行工作等优点。利用MEMS芯片，对土木结构的一些特定参量进行监测，无需经过复杂的信号处理，而直接输出数字信号或者标准的模拟信号，不仅可以减少处理装置的费用，也可以使监测设备的小型化、智能化成为可能在土木工程结构监测中，智能传感器的集成已成为一个新的研究方向。根据所监测结构的不同参数(如环境要素、整体性态参数、局部性态参数)，选择合适的智能传感元件，对传感元件进行采集和特征提取，实现传感器的智能化、小型化、集成化。1.1.1.2数据的采集及处理 数据采集及其处理不仅涉及到传感单元信号的转换问题，同时也包括数据采集和特征提取软件的开发。结构的特征数据是对采集信号分析获得的，因此信号采集技术是结构损伤识别的前提。信号采集技术包括信号的转换、采集和放大、传感器的类型、数据的获取、存储等。此外，还应考虑采集数据的时间间隔(即采样频率)、数据的标准化问题、测量过程的不确定性以及数据的净化问题。对于智能算法，主要是利用传统的高阶谱分析、时频分析等方法以及近年出现数字滤波技术、自适应滤波技术、小波分析技术、模糊技术等处理方法，来提取监测对象的特征数据，便于结构损伤识别处理。 随着传感器技术的发展以及结构健康监测的需要，在一个结构监测系统中不仅同一类型的传感器数量越来越多，而且基于不同机理的传感器也用的较多，这给数据采集以及特征信号提取带来了一定的困难，而近年来发展起来的、最初在航天领域应用的多传感器信息融合技术为这一困难提供了解决办法，该技术不仅能够更好地处理在不同时空的同一类型传感器的数据，也能对多源不同传感器的信息或不确定性信息进行综合处理，从而获得一些能够准确反映结构特征的数据，为进一步推算出结构性态提供了保证2。 由于智能传感器的本身存储数据的限制，近年来对嵌入在智能传感器中微处理器的采集处理算法也成为数据处理一个主要研究内容。此外，针对高速采集大容量数据，管理数据库以及网络技术的开发和应用亦是数据采集和智能处理的一个研究方向。1.1.2结构健康监测系统的发展和应用 土木工程结构的事故以及所产生的后果，己经促使人们越来越重视建筑结构健康监测技术的研究，世界许多国家和地区都在结构上安装了健康监测系统，以监测结构施工和服役运营期间的安全性，对结构的安全性进行评定，对危及结构安全的损伤及时发出警报，并根据监测结果制定维修决策，以保证结构在建造和服役期间全寿命的安全性。如英国八十年代后期开始研制和安装大型桥梁的监测仪器和设备，并调查和比较了多种长期监测系统的方案，比较典型的是英国在总长552m的Foyle桥上一布设各种传感器监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，该系统是最早安装的较为完整的健康监测系统之一；美国八十年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，用以验证设计假定、监视施工质量和服役状态；佛罗里达州的Sunshine Skyway Bridge桥上几安装了500多个传感器，美国LosAlamos国家实验室对位于新墨西哥RioGrande河上的1-40桥和Alamos峡谷桥采用整体损伤识别方法，对上述两个桥梁的损伤进行监测与评定，并发展了许多损伤识别方法；丹麦曾对总长1726m的Faroe跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的监测，旨在检查关键的设计参数，监测施工危险阶段以及获取开发优化的监控维护系统所必需的桥梁健康记录，另外他们在主跨1624m的Great Belt East悬索桥上已开始尝试把极端记录与正常记录分开处理的技术以期减小数据存量；挪威在主跨530米的Skarnsundet斜拉桥上所安装的全自动数据采集系统己能对风、加速度、倾斜度、应变、温度、位移进行自动监测3 。 在我国，土木工程研究的专家学者也意识到结构健康监测的重要性，自20世纪90年代以来，我国也开展了该方面的研究和应用：我国香港青马大桥为监测桥梁在施工和服役期间的安全性，在桥梁上安装了800多个各种类型传感器，桥梁建成后，又安装了一套GPS系统，目前，每30天采集一次数据，并对数据进行分析处理，根据该监测系统的监测结果，可以及时在台风到来时，对桥梁的运营给出合理和安全的部署；香港也在汲水门斜拉桥上安装了270多个各种类型的传感器和数据采集与管理设备组成的监测系统，来监测桥梁的运营状况及健康状态，对该系统所采集到的数据进行分析即可评价大桥的动力特性；除此之外，我国内陆的虎门桥也布设了应变片和GPS系统，以对桥的应力和振动进行监测。 尽管结构健康监测已经有了初步应用，但目前还面临很多问题：整个世界范围内没有形成一个为大家认可的结构健康监测标准；各种土木工程在结构复杂程度上都有所不同，针对不同结构的健康监测系统有所不同；土木工程结构健康监测理论支持不够，缺乏统一的理论基础来指导结构健康监测系统的整个建立过程；土木工程结构跨度大、分布广、服役周期长，这使传统的传感元件在稳定性和耐久性受到了挑战；目前新型开发使用的光纤传感器，性能较稳定，但由于其成本较高、解调设备价格不菲，这或多或少阻碍了其应用的进程；适合结构健康监测的无线传感器的集成及组网问题；而对于采集到的结构数据的综合处理、安全评定的理论还不够完善等4。 本论文的目的是利用传感器技术、通信技术、计算机技术，针对传统有线应变采集设备体积较大，布线长，安装不方便等弊端，设计并实现一种用于局部结构健康检测的无线应变传感装置。1.2无线应变传感器及无线传输技术1.2.1无线应变传感器1.2.1.1与有线传感器的区别 传感器作为结构健康监测系统的一个组成部分，其采集数据的准确才能确保数据处理以及最终安全评定的结果正确性。通常，传感器数据的采集和传输还是以有线为主。有线传感器及其网络由于发展历史悠久，其各项技术比较成熟，具有如下特点：感应信号准确，对于所监测的结构参量，与其对应的基于有线传输的传感器准确性较好，能够很好地反映监测参量的变化情况；价格便宜，有线传感单元发展时间较长，技术较成熟，对于传感单元的加工制作成本相对较低，故其市场价格不贵；传输介质多，可以将传感信号以双绞线、同轴电缆、光纤、电力线等媒介进行传输；采集软件种类多，各类有线采集的工控软件较多，如Labview，Intouch等；产品系列化各类产品较多，并且形成了系列化的产品。 但是，随着实际结构的面积、跨度越来越大，有线传感器在完成监测任务中，就要布置大量的线缆来传输信号，这无形中在线缆材料与人工方面增加了费用；同时对于大型结构监测线缆越多，产生故障的可能性越多，检测和排除线缆故障也比较困难；而线缆越多，日常维护工作也比较繁重。甚至在一些大型的复杂结构上，布设线缆是不被允许的。大型结构施工、维护以及结构健康监测都在呼唤新型的采集传输技术。从图1-2可以看出无线传感器的优势。图1-2有线与无线传感器网络应用示意图 无线传感器及其网络技术就是在这一背景下产生的，并随着传感技术、无线通信技术以及MEMS技术的发展而不断完善。无线传感器网络技术可以克服有线传感技术的不足，具有如下特点：其传感单元采用了先进的MEMS技术进行封装，具有体积小、低功耗、可靠性高等特点，适合集成；无线传感器具有智能处理单元，可以对采集信号进行预处理，对特征信号进行初步提取，这样可以分散中央处理器处理数据的压力；无线传感单元的无线收发模块通常工作在ISM(工业、科学、医疗)通信频段上，无需单独申请频点，通信上不受电信部门限制；无线传感器体积小，可以方便地安放在被测结构上；无线传感器依据设定的通信协议，可以实现自组织网络，形成一个高效实时的结构健康监测系统；无线传感器节点具有节能的特点5。1.2.1.2无线应变传感器组成 无线应变传感器的基本组成包括能量单元、检测单元、处理器单元、存储器单元、数据发送接收的传输单元。无线应变传感器中，检测单元是重要的组成部分，主要由传感单元ADD转换电路及其附属电路构成，用来检测对象各种变化并将输出传输至微处理单元，微处理单元来实现对传感器信号采集、预处理，同时可与无线模块进行数据交换，实现数据传输；无线模块用于将传感器数据以无线通信方式传输，无线传感器能量供应理论上可以采用太阳能电池解决能源问题，但考虑到造价问题，本系统采用微型纽扣电池作为系统的供电模块。1.2.2无线数据传输技术1.2.2.1射频技术 射频(Radio Frequency，简称RF)技术是一种无线通信技术，其利用电磁波为载波来传输信息。RF技术使用几个特定频率中的一个频率传输数据，相邻的WLAN用不同频率。其产品既可工作在18-19GHz的特许频带，也可以在低功率的情况下工作于ISM(Industrial/Scientific/Medical，工业/科学/医学)频段。在中等衰减的建筑物中，RF信号一般可穿透一至三堵墙。它可用于室外、开放或封闭的室内办公环境。目前使用的射频芯片大多工作在433/8681915/2400MHz频段，2.4GHz的高频段使服务器与终端之间的通讯速率可达12Mbps，而且这个频段由于干扰小，在绝大部分国家都不受无线管制6。1.2.2.2蓝牙技术 所谓蓝牙(Buetooth)技术，实际上是一种短距离、低成本的无线连接技术，是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案。于1998年5月，由瑞典Ericsson、芬兰Nokia、日本Toshiba、美国IBM和Intel公司等五家著名厂商在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出。这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣组(Bluetooth SIC)，尽力使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。 蓝牙技术的通讯频率被定在2.45GHz ISM频带上，其作用半径在发射功率为1毫瓦的时候为l0m，通信协议和堆栈复杂，开发难度较高。 蓝牙技术解决了小型移动设备间的无线互连问题。它的硬件市场非常广阔，涵盖了局域网络中的各类数据及语音设备(如计算机、移动电话、小型个人数字助理(PDA等)。该技术并不想成为另一种无线局域网(W LAN)技术，显然后者在市场上己经出现了很多成品。虽然WLAN通过一个公用的主干可以有效地连接庞大的人群，但蓝牙技术面向的却是移动设备间的小范围连接，因而本质上说它是一种代替电缆的技术7。1.2.2.3 HomeRF技术 HomeRF(家用射频)是由HomeRF工作组开发的，适合家庭区域范围内，在PC和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。作为无线技术方案，它代替了需要铺设昂贵传输线的有线家庭网络，为网络中的设备，如笔记本电脑和Internet应用提供了漫游功能。 在美国联邦通信委员会(CFCC)正式批准HomeRF标准之前，HomeRF工作组己为在家庭范围内实现语音和数据的无线通信并制订出一个规范，这就是共享无线访问协议(SWAP). SWAP规范问世以后，除了扩展高性能、多波段无绳电话技术以外，还极大地促进了低成本无线数据网络技术的发展。但是，HomeRF占据了与802.11.b和Bluetooth相同的2.4G频率段，并且在功能上过于局限家庭应用，再考虑到802.11.b在办公领域已取得的地位，恐怕在今后难以有较大的作为。1.2.2.4红外技术 红外技术(Infrared Data Association简称IrDA)是一种短距离红外线通讯技术，适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接。红外通讯标准是目前通讯行业普遍支持的近距离无线数据的传输规范。尽管通信距离只有几米，红外光却是有许多优势的通讯媒介。它的小型化和低成本，很适合应用在手机、电子商务、数字照相机等便携式产品中。相对简单的红外连接使它能适应不同的操作系统和大范围的传输速率。红外连接比有线连接更安全可靠，它避免了因线缆和连接器磨损和断裂造成的检修。1.3无线传感器在建筑结构健康监测领域的发展和现状 1996年，美国学者Straser，Kiremidjian提出运用无线技术替代结构监测有线系统的思想，开辟了无线传感技术在结构监测领域中应用，并研制了一套实时的损伤识别结构健康监测系统：以上述学者的工作为基础，Lynch等运用标准的集成电路开发了一个无线传感器的模型：整个传感器节点包括一个八位微处理器，检测单元采用微加速度芯片构成，并且所集成的无线传感器在实验室中得到了验证。 Maser1997年设计了监测桥梁环境和性能的桥梁无线估测系统(WGBEMS) ：Wireless Global Bridge Evaluation and Monitoring System，这个系统中传感器节点由电池单元、微处理单元、小型的异频雷达收发机、感应单元组成，系统所包含的一个区域控制器放置在桥岸边，其他传感器节点放置在桥梁上，传感器节点可以进行数据采集、滤波、识别、量化等8。Brooks等在1999年提出了将一些计算处理能力移植到传感器板上，他们也称其为第四代传感器，这一代传感器具有如下特征：双向命令和数字通信、完全数字传输、局部数据处理；预编程运算法则、用户定义算法、自我查询、补偿算法、在线存储、可扩展传感器对象模型等9。 Mitchell等于1999年开发了结构智能监测无线采集系统，他开发的系统利用一个多路复用变换器来采集各路传感单元数据，并将这些数据借助单一无线通道发射出去。该通信通道工作在900MHz频段，速率达50Kbps。在此基础上，Mitchell还进行了向Internet网络方面的扩展10。 Liu等在2001年开发了带有5个基站的无线传感系统，每个基站包括一个加速度计，运用16位A/D装置和微处理器进行数据采集11。 由美国先进国防研究项目局(DARPA-Defense Advanced Research ProjectsAgency)所资助的在加利福尼亚大学实施的"Smart dust" 12计划，旨在建立一个无线传感器开发的软硬件平台，进而开发出一系列低价格、小尺寸、高可靠性的无线传感器及其网络，这进一步推动了无线传感器的应用发展。并且，该项目开发的产品(如图1-3)目前已成为世界许多大学等研究机构使用的实验室设备。 图1-3 Smart Dust计划的无线传感器节点图 国内的一些科研单位和大学，如哈尔滨工业大学、清华大学、航天部、中科院等已经初步开展了在传感器及传感器网络方面以及用于结构健康监测的无线传感器研制方面的研究工作。在这方面我国亦处于初步阶段，目前国内一些研究机构主要是购买国外一些无线产品，进行二次开发，来建立相应的无线传感系统，如哈尔滨工业大学“欧进萍教授课题组”集成了包含十个节点的海洋平台结构监测的无线传感网络系统。总体来说，结构健康监测属于土木工程的一个新的研究方向，而将无线传感器网络应用于结构健康监测更是发展的热点。 但由于无线传感技术属于新兴学科，需要更多学科的配合才能得到尽快发展，这也或多或少减缓了无线传感网络在结构健康监测领域的发展步伐。一方面：国内外的很多研究机构均处于对无线传感器“软研究阶段”，即对无线通信协议算法等进行仿真研究，进而在虚拟无线传感器网络中得到一个预期目标，在某种程度上不能够结合实际应用考虑解决实际问题；另一方面，一些进行无线传感器网络软硬件开发的机构还缺乏结构健康领域行业专家的指导，其开发的产品通用性不强，仅适合某一工程应用。 而结构监测领域的发展迫切要求开发具有自主知识产权的无线传感监测系统，由于传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展无线传感器及其网络方面的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。1.4本文主要工作 结构健康监测都是以传感器准确采集传输数据为前提和基础，各种结构健康监测的数据采集主要采用的是传统“有线”传感器来实现，尽管这种采集方式具有采集信号准确、抗干扰性好、产品系列化的特点，但是利用“有线”传感器组成的监测网络布线量大、安装和维护费用高、可靠性差，甚至在一些结构中无法实现布线。因此，为了克服传统有线监测的不足，本文提出一种新型的无线应变传感器，在实际中具有重要意义。论文主要工作体现在以下几方面： (1)传感器的调理电路。电桥电路及温度补偿，巴特沃斯二阶滤波器以及放大电路的设计。 (2)设计了无线通信电路，包括射频芯片的选型、电路的设计、无线收发程序的编写和调试以及PCB的布局。 (3)从硬件和软件考虑应变传感器的功耗，提出了一种中断唤醒式的能耗管理方案，实现低功耗设计。 (4)设计了用于监测应变数据的PC机程序，通过VC的MSComm串口控件编写并调试应用程序，实现应变数据的终端显示。2传感器的信号调理与采集2.1传感器技术 传感器(Transducer或Sensor)是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物等)按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置，一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源，用方块图表示如图2-l。非电量敏感元件电量测量电路转换元件转换元件图2-1传感器的组成方块图 随着科学技术的迅速发展和自动化程度的提高，作为获取外界信息重要工具的传感器越来越受到人们的重视，对其性能的要求也越来越高。从信息技术的角度看，传感器技术、通讯技术和计算机技术分别相当于人的“感官”、“神经”和大脑。因此传感器技术是信息技术的重要基础。传感器技术包括传感器材料，传感器、传感器附属电路、传感器与计算机的接口电路、传感器应用等五个部分。传感器技术是一门知识密集型的边缘科学，它涉及电子学和电子学以外的生物、医学、物理、化学、金属学、机械等几乎所有科学技术，所以，它是电子学的延伸，是新一代的电子学，亦称传感器电子学13。2.2应变测量原理与传统采集系统 电阻应变片是结构局部应变测量最常用、效果好的传感元件。粘贴在结构表面或者埋入结构中，性能较稳定，可以组成各种形状和面积的阵列，防电磁干扰，耐久性较好，并且电阻应变片面积很小，不影响埋置材料的性能，具有制作容易、价格低廉、耐高温、抗冲击和弯曲强度高等优点，适合在土木结构监测中应用。2.2.1电阻应变计的工作原理 电阻应变计是由敏感栅、基底、粘结剂、盖层、引线组成。其工作原理是将电阻应变计安装(如粘贴)在被测构件表面上，构件受力而变形时，电阻应变计的敏感栅随之产生相同应变，其电阻值发生变化，用仪器测量此电阻变化即可测量出构件表面沿敏感栅轴线方向的应变。因此电阻应变计的主要性能与敏感栅有关，取敏感栅材料金属细丝，研究其把应变转换成电阻变化的关系。 金属细丝的电阻R与丝的长度L成正比，而与其截面积A成反比，按物理学有下列公式14： (2-1)式中，是金属的电阻率，当细丝因受拉力而伸长时，其电阻发生变化，可由对上式的微分求得： (2-2)细丝伸长由泊松效应(为泊松比)引起截面变化：A代入(2)故有 (2-3) 据高压下金属丝性能研究发现有：式中，V为金属细丝的初始体积，V=AL， m为比例系数，在一定应变范围内，对特定材料和加工方法，m是常熟，由细丝轴向应变，得： (2-4) (2-5)在一定应变范围内m是常数，因此也是常数，即电阻相对变化与应变成比例，称为金属丝的灵敏系数。所以一旦测出电阻的变化规律也就可以知道应变对应关系。2.2.2应变信号的传统采集与传输方法 对于应变信号的采集传输，通常采用图2-2的系统：电阻应变片在应变作用下的电阻变化，通过导线传输到应变采集仪中，应变采集仪利用其内部的桥式电路将上述电阻变化转换成弱电压信号，该电压信号经过放大、滤波处理后，再由采集仪有线传输到计算机中作进一步分析处理。该系统中，应变采集仪体积较大不适合放到所监测的部位上，通常应变片与应变采集仪之间距离达到十几米甚至上百米，而应变片在应变后电阻阻值变化微小，这就要求图2-2中的导线本身电阻在系统运行中近似不变，也就是说，该系统对导线的性能提出了较高要求从而增加了成本，同时过长的导线对微弱的电阻变化传输使信号可靠性大大降低，这些都给该系统可靠采集应变信号带来了一定的困难；另一方面，即使该系统中应变采集仪能够放到监测部位附近，但这又导致应变采集仪与监测中心的计算机距离过长，给传输带来了不便15。 图2-2传统应变采集传输系统2.3前端处理电路的设计 前端处理电路预留了与应变片相连的端子，主要实现对应变片电阻信号的电压转换、信号放大滤波处理等功能。2.3.1系统整体组成 系统的整体组成如图2-3所示。单片机A/D转换器电桥电源电阻应变片测量桥智能算法应变放大器智能算法高频发射nrf905图2-3无线传感器系统整体组成2.3.2放大电路的设计前端处理电路中的放大电路，实现对电阻应变片的电桥输出进行放大处理。如图2-4所示。图2-4前端处理电路原理图 由于放大电路是对微小信号的放大调节，因此采用仪表放大器。仪表放大器具有高输入阻抗、低失调电压和温度漂移系数、稳定的放大倍数以及低输出阻抗等特性。本研究中所选用的高性能仪表放大器AD623除具备上述特点外，还有如下特征： (1)具有优良的直流特性； (2)具有优良的共模抑制比CMRR，且它随增益增加而增加，使误差最小； (3)其输入共模范围很宽，允许比地电位低150mV的共模电压，单电源供电(+ 3.012V)能达到最佳性能，但双电源供电(2.56.0V)也能提供优良的