应变管式测压传感器设计书

应变管式测压传感器设计书

1.应变管式测压传感器设计书 篇一

传统的电阻应变式传感器[1]采用有线数据采集方式,不适用于高速旋转的系统或人员无法接近的特殊环境中。近年来无线应变传感器发展很快,并在许多工业领域得到了广泛应用[2,3,4,5]。大多数无线应变传感器使用电池直接供电,但电池容量非常有限,因此低功耗成为无线应变传感器设计的目标之一。然而现有的无线应变传感器在设计时对于功耗方面的考虑还较少,大多数主要是为了解决有线传输方式中出现的问题[6,7,8,9]。参考文献[10,11,12,13]对无线传感器节点的节能问题进行了相关研究。本文在此基础上,从芯片选择、电路设计和软件设计三个方面考虑,设计了一种以MSP430F149为主控芯片、nRF24L01为无线传输芯片、AD627为前置放大器的低功耗无线应变传感器,并对其进行了节能分析和实验测试。

1传感器总体结构设计

低功耗无线应变传感器主要由数据采集发射子系统和数据接收存储子系统两部分组成,如图1所示。数据采集发射子系统采用纽扣电池供电,通过电源管理模块为传感器、控制器和发送模块提供恒定电压。由应变电桥输出的电压信号经信号处理放大器放大和滤波,进入单片机自带的ADC进行数据转换,然后通过SPI接口装载到无线射频模块,并以无线方式发送出去。数据接收存储子系统通过无线接收模块接收数据,然后经单片机将数据传送给上位机进行存储和进一步处理。

在该应变传感器中,数据采集发射子系统是关键部分。本文将主要介绍该部分的软硬件设计及节能技术。

2传感器硬件电路设计

2.1 主控芯片选择

综合考虑主要功能、运算速度、功耗与节电等因素,无线应变传感器选用MSP430F149单片机作为主控芯片。其主要特点[14]:电源电压范围为1.8～3.6 V;超低功耗,280 μA@1 MHz 2.2 V;2.5 μA@4 kHz,2.2 V;具有LPM0～LPM4五种节电模式,其中LPM4耗电仅为0.1 μA;从等待方式唤醒时间小于6 μs;基本时钟模块包括高速晶体(最高8 MHz),低速晶体(32 kHz),数字控制振荡器DCO,具有3个捕获/比较存储器的16位定时器。

2.2 无线收发模块

无线收发模块负责数据传输,采用nRF24L01芯片设计。nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz通用频段的单片无线收发器,具有接收灵敏度高、外围电路少、传输速率高达2 Mbit/s、支持多点间通信、电流消耗低等优点。

无线收发模块电路如图2所示。

2.3 信号处理放大模块

前端信号处理放大模块采用低功耗仪表放大器AD627,电路如图3所示。AD627可采用单电源供电,在85 μA电流下即可正常工作,具有极佳的交流和直流特性[15]。该芯片可以用一个外部电阻RG来设定增益G(G=5+200 kΩ/RG),G最大可达1 000。

2.4 电源电路

在低功耗无线应变传感器中,MSP430F149工作电压为1.8～3.6 V,nRF24L01工作电压为1.9～3.6 V,AD627工作电压为+2.2～±18 V。考虑到采用电池供电,选用TPS62223作为电源稳压芯片。TPS62223的输出电压为2.3 V,典型静态电流为15 μA,在2.5～6 V输入电压范围内同步降压,效率高达95%,适用于电池供电的便捷式系统。电源电路如图4所示。

整个数据采集发射子系统全部采用贴片元件,经电路布线制作,包括纽扣电池和板载天线在内的总体尺寸为25 mm×65 mm,使得该应变传感器体积小。另外,3款主要芯片(MSP430F149、nRF24L01和AD627)市场价都较低,使得应变传感器成本低。

3传感器软件设计

3.1 主控程序

主控程序流程如图5所示。系统初始化包括I/O口、A/D模块、定时器以及nRF24L01的初始化。系统初始化完成后,通过nRF24L01和数据接收存储子系统与上位机通信,接收上位机的命令,对传感器进行设置。当设置完成并接收到上位机发出的开始采集命令后,MSP430F149按照给定的数据采集率设置和启动定时器,通过定时采集和发送实现传感信号的变换和传送功能。定时器启动后,传感器系统进入节能等待状态,此时nRF24L01转换到掉电节能状态,传感器和信号放大处理系统的电源断开,MSP430F149进入LPM3状态,传感器系统进入由数据采集和发射过程组成的主循环。

3.2 定时器中断程序

数据采集发送工作是在定时器中断程序中完成的。MSP430F149在LPM3状态下支持定时/计数器唤醒功能,根据数据采集率可以设置采样定时器的唤醒周期,当定时器溢出时产生并执行定时器中断。首先将MSP430F149从节能状态唤醒,为采样周期定时器赋新值,然后为信号放大处理器和传感器通电。经过一段时间(约300 μs)后即可开启AD转换器进行数据采集。为了保证数据的准确性,取10次转换的平均值作为AD转换结果并存入数据寄存器,最后关断应变电桥和信号处理放大模块电源。

由于nRF24L01一次最多发送32 B,所以需要判断数据寄存器中的数据个数。如果数据寄存器已经存满32 B数据,则唤醒nRF24L01装载并发送数据;如果数据寄存器中未满32 B或者数据发送完毕,则整个系统重新进入节能等待状态。

4节能分析与实验测试

4.1 主要器件节能分析

无线应变传感器中能耗最大的器件是nRF24L01。它在接收状态能耗最大,为12.3 mA;在发射功率为0 dB·m时,能耗为11.3 mA;在掉电模式下的最大能耗为900 nA。系统上电后,nRF24L01自动进入掉电状态,在需要接收或发射时通过置位PWR_UP可很快进入相应状态,在不需要接收和发射时可以很快进入掉电状态,这为nRF24L01的节能应用提供了方便。

传感放大部分的能耗也较大。应变电桥的激励电压由传感器提供,其电阻一般为300～2 000 Ω,在390 Ω情况下,电流约为5.9 mA。放大芯片AD627的电流消耗为85 μA。将二者相加可得传感放大部分的总电流约为6 mA。由于传感放大部分的器件没有节电控制功能,因此本文设计了专门的电源管理电路,在空闲状态下通过MOS管关断电源来实现该部分电路的节电。

MSP430F149是当前能耗最低的单片机,它在正常工作状态下的电流消耗为280 μA,睡眠模式下的电流消耗为1.6 μA。MSP430F149通过控制位SCG0、SCG1、OscOff及CPUOff来实现不同的工作模式,从睡眠状态到唤醒的时间小于0.6 μs。

4.2 系统能耗分析

当传感器处于采集状态时,需要接通传感器电源和启动AD转换,电流消耗主要是应变电桥电流,在390 Ω情况下,理论上采集电流Ia=6 262 μA。实验测得传感器的启动时间为300 μs,10次数据采集的持续时间约为100 μs,因此传感器的一次数据采集时间Ta约为400 μs。数据采集完毕后传感器电源可立即关闭,结束采集状态。

当传感器处于发送状态时,需要通过程序激活nRF24L01进入发送状态,并且数据发送完以后,nRF24L01会自动激发接收状态来接收应答。在发送功率最大的条件下,发送和应答的平均电流IT约为11 300 μA,发送32 B数据的时间TT约为650 μs。

当传感器处于空闲状态时,MSP430F149处于睡眠状态,nRF24L01处于掉电状态,传感放大电路处于关断状态,这时消耗的空闲电流Is约为2.5 μA。

由于nRF24L01一次最多可发送32 B数据,而AD转换器是12位的,在每个数据占2 B的条件下,一次数据发送需要16个采集周期,这即为传感器的工作周期T。假设传感器的数据采集率为1/T0(T0大于400 μs),则T0就是一次数据采集的时间,称为数据采集周期。一个数据采集周期中的空闲时间为T0-Ta,而T=16T0,这样在一个工作周期中,整个传感器的平均电流消耗i为

$i=\frac{{\rm T}{}_{\text{Τ}}}{16{\rm T}{}_0}{\rm I}{}_{\text{Τ}}+\frac{{\rm T}{}_{\text{a}}}{{\rm T}{}_0}{\rm I}{}_{\text{a}}+\frac{{\rm T}{}_0-{\rm T}{}_a}{{\rm T}{}_0}{\rm I}{}_{\text{s}}(2)$

根据式(2)可计算出在最大数据采集率为2 500/s的情况下,i=7.54 mA;在数据采集率为1 000/s的情况下,平均电流消耗为i=2.99 mA;在数据采集率为10/s的情况下,平均电流消耗为i=32 μA。

表1为本文设计的无线应变传感器与其它无线传感器的功耗比较。可见该无线应变传感器具有较好的低功耗性能。

4.3 实际能耗测试

按照本文的设计方案制作了15台无线应变传感器样品。接入电桥电阻为390 Ω的BK-3型拉力传感器,在数据采集率为100/s的情况下进行实际测试。测试中在电源回路中串接一个20 Ω电阻,通过测试该电阻的电压信号来获取电流信号。测试得该无线应变传感器采集状态的持续时间为400 μs,电阻上的压降约为120 mV,计算其平均电流约为 6 mA,与理论分析基本一致;在数据采集完成后启动nRF24L01需1.5 ms,启动期间的平均电流约为1.2 mA,发送持续时间约为500 μs,实际平均电流约为9.5 mA,比理论值略小。

另外,测试表明在1 000/s数据采集率下,该无线应变传感器使用容量为210 mA·h的3 V锂电池时,电池寿命可达70 h以上。

5结语

基于MSP430F149和nRF24L01设计的无线应变传感器采用纽扣电池供电,具有体积小、成本低、连续工作时间长、工作电压低等特点。对该传感器主要器件和整个数据采集发射系统的能耗进行分析后得出,该传感器比现有无线应变传感器的能耗低。实际测试验证了理论分析的正确性。

摘要：提出了一种以MSP430F149为主控芯片、nRF24L01为无线传输芯片、AD627为前置放大器的低功耗无线应变传感器的设计方案,给出了该传感器的总体结构,详细介绍了该传感器数据采集发射子系统的软硬件设计方法,并对该传感器进行了能耗分析和测试,得出了该传感器的能耗公式。经理论计算,该无线应变传感器的平均电流消耗为32μA,比现有无线应变传感器的能耗低;测试结果与理论分析结果基本一致,且电池使用寿命可达70h以上。