基于msp430的超低功耗無(wú)線應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)

基于msp430的超低功耗無(wú)線應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)

0傳感器模塊的應(yīng)力傳統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程中有很多情況，當(dāng)檢測(cè)組件的尺寸過(guò)大或安全時(shí)，應(yīng)變儀應(yīng)與測(cè)量對(duì)象組件保持較大距離。測(cè)量時(shí),應(yīng)變儀與測(cè)量?jī)x器之間通常需要較長(zhǎng)的布線,這樣,不僅提高了安裝費(fèi)用而且較長(zhǎng)的布線使得信號(hào)在傳輸過(guò)程中嚴(yán)重?fù)p耗。雖然在現(xiàn)有的基礎(chǔ)提出了一些無(wú)線解決方案,但因?yàn)槠涔膯?wèn)題一直使得傳感器模塊不能較長(zhǎng)的工作。因此設(shè)計(jì)了一種以超低功耗MSP430單片機(jī)為核心,以nRF905無(wú)線射頻芯片為傳輸單元的無(wú)線應(yīng)變傳感器,從超低功耗和無(wú)線兩個(gè)方面解決實(shí)際工程中的問(wèn)題。1金屬絲和電阻應(yīng)變計(jì)的主要性能電阻應(yīng)變計(jì)是由敏感柵、基底、粘結(jié)劑、蓋層、引線組成。其工作原理是將電阻應(yīng)變計(jì)安裝(如粘貼)在被測(cè)構(gòu)件表面上,構(gòu)件受力而變形時(shí),電阻應(yīng)變計(jì)的敏感柵隨之產(chǎn)生相同應(yīng)變,其電阻值發(fā)生變化,用儀器測(cè)量此電阻變化即可測(cè)量出構(gòu)件表面沿敏感柵軸線方向的應(yīng)變。因此電阻應(yīng)變計(jì)的主要性能與敏感柵有關(guān),取敏感柵材料金屬細(xì)絲,研究其把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化的關(guān)系。金屬細(xì)絲的電阻R與絲的長(zhǎng)度L成正比,而與其截面積A成反比,公式如下:式中r為金屬的電阻率。當(dāng)細(xì)絲因受拉力而伸長(zhǎng)時(shí),其電阻發(fā)生變化,此變化可由對(duì)上式的微分求得:細(xì)絲伸長(zhǎng)由泊松效應(yīng)(μ為泊松比)引起截面變化:,代入式(2)有高壓下金屬絲性能研究發(fā)現(xiàn):式中:V為金屬細(xì)絲的初始體積,V=AL;m為比例系數(shù),在一定應(yīng)變范圍內(nèi),對(duì)特定材料和加工方法,m是常數(shù)。由細(xì)絲軸向應(yīng)變,得:在一定應(yīng)變范圍內(nèi)m是常數(shù),因此K0也是常數(shù),即電阻相對(duì)變化與應(yīng)變成比例,K0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)。所以一旦測(cè)出電阻的變化規(guī)律也就可以知道應(yīng)變對(duì)應(yīng)關(guān)系。2應(yīng)變片和應(yīng)變儀距離比較遠(yuǎn)傳統(tǒng)的應(yīng)變儀通過(guò)將電阻應(yīng)變片的電阻變化通過(guò)導(dǎo)線傳輸?shù)絻x器內(nèi)部,再通過(guò)相應(yīng)的處理電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。在實(shí)際工程中應(yīng)變片和應(yīng)變儀之間的距離比較遠(yuǎn),需要較長(zhǎng)的導(dǎo)線將輸入信號(hào)傳到應(yīng)變儀,由于電阻應(yīng)變片的輸出信號(hào)本來(lái)就比較微小,再加上長(zhǎng)距離的導(dǎo)線使得信號(hào)在傳輸過(guò)程的可靠性大大降低,影響了實(shí)際工程中的質(zhì)量。無(wú)線應(yīng)變傳感器正好在這些方面解決了實(shí)際工程中的問(wèn)題。2.1系統(tǒng)的整體組成系統(tǒng)整體組成如圖1所示。2.2系統(tǒng)能耗的影響低功耗設(shè)計(jì)是嵌入式系統(tǒng)的普遍要求,通過(guò)無(wú)線方案解決了應(yīng)變的無(wú)線采集,但是整個(gè)系統(tǒng)的功耗直接影響著傳感器的工作壽命。無(wú)線應(yīng)變傳感器是一個(gè)手持設(shè)備,只能使用電池作為電源,因此對(duì)所采用微控制器和外圍部件的低功耗特性要求比較高。2.2.1監(jiān)控器的選擇CPU和通信模塊在不同時(shí)鐘下運(yùn)行,由于處理器的功耗與工作頻率成正比,工作在低頻方式下將大大降低處理器的功耗。CPU功耗可以通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來(lái)控制:正常工作時(shí)電流為160μA,備用時(shí)為0.1μA,為傳感器的超低功耗要求提供有力的條件。CPU在初始化完成后,處于LPM3工作模式,僅當(dāng)有外部中斷發(fā)生時(shí)喚醒進(jìn)入終端服務(wù)程序,完成后重新進(jìn)入低功耗模式,照此循環(huán)往復(fù),可以最大的實(shí)現(xiàn)低功耗。2.2.2發(fā)射模式和復(fù)合式模式nRF905具有接收、發(fā)射、掉電、等待4種工作模式,只有當(dāng)監(jiān)測(cè)和接收頻率相同的載波的時(shí)候并且地址匹配的情況下才進(jìn)入接收模式,當(dāng)傳感器采集到數(shù)據(jù)需要發(fā)送的時(shí)候才喚醒nRF905進(jìn)入發(fā)射模式,其他情況nRF905進(jìn)入掉電模式,nRF905被禁止,電流消耗將最小,典型值為2.5μA,模式之間的切換將大大提高系統(tǒng)的工作時(shí)間。2.3硬件電路設(shè)計(jì)2.3.1放大電路與濾波電路前端處理電路主要由電壓跟隨器、放大電路和濾波電路組成,其硬件鏈接圖如圖2所示。由于應(yīng)變片輸出的微弱信號(hào),其供橋電壓需要相對(duì)穩(wěn)定,利用LM385和一個(gè)2.5kΨ的電阻使其電壓穩(wěn)定在2.5V,通過(guò)OP07組成電壓跟隨器,輸入阻抗高,輸出阻抗低使得信號(hào)更加穩(wěn)定,起到承上啟下的作用。放大電路采用儀表用放大器AD623,儀表放大器最顯著的特點(diǎn)具有高輸入阻抗、低失調(diào)電壓和溫度漂移系數(shù)、穩(wěn)定的放大倍數(shù)以及低輸出阻抗。AD623除具備上述特點(diǎn)外,還有如下特征:在單電源供電的情況下可以獲得很高的性能;輸出電壓可以達(dá)到整個(gè)電源幅值范圍;可以利用電阻調(diào)整放大增益,其范圍為1~1000;外圍器件少;低功耗、小封裝。這里增益電阻選擇200Ψ,放大倍數(shù)500倍。濾波電路采用OPA333組成2階巴特沃斯低通濾波器,OPA333具有超低失調(diào)(2μV),超低靜態(tài)電流(17μA),低至1.8V的工作電壓以及SC70或SOT23封裝,尤其適用于電池供電的產(chǎn)品。采用單電源供電形式,由于實(shí)際測(cè)量中應(yīng)變信號(hào)一般為低頻因此設(shè)計(jì)的截止頻率為25Hz,根據(jù)公式式中:R1=100kΩ;R2=91kΩ;C1=0.1mF;C2=0.047mF.經(jīng)過(guò)濾波電路后的信號(hào)可以被MSP430的AD正常轉(zhuǎn)換。2.3.2基于msp的ad采樣微處理單元采用MSP430F149單片機(jī),該單片機(jī)的主要特點(diǎn)如下:MSP430F149單片采用1.8~3.6V低電壓供電,RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1μA,活動(dòng)模式耗電250μA/MIPS,傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)約為10~20mA/MIPS,其輸入端口的漏電流最大為50nA,遠(yuǎn)低于其他系列單片機(jī)(1~10μA),加上它本身具有5種低功耗模式(LPM0~LPM4),其應(yīng)用系統(tǒng)可以做到用1枚電池使用10年。系統(tǒng)利用MSP430F149自帶的8通道12位AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣,其采樣速度為200kS/s.由于在測(cè)試階段,系統(tǒng)只對(duì)一個(gè)通道進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換,由于MSP單片機(jī)獨(dú)有低功耗模式,在系統(tǒng)不工作的時(shí)候使CPU處于LPM3狀態(tài),在有信號(hào)進(jìn)入ADC的時(shí)候進(jìn)入中斷函數(shù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化,這樣其平均電流是相當(dāng)?shù)?有效延長(zhǎng)了系統(tǒng)的工作時(shí)間。硬件連接圖如圖3所示。2.2.3dss+pll頻率射頻電路采用的是nRF905芯片,工作頻道覆蓋433/868/915MHz3個(gè)國(guó)際通用的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段,具有多個(gè)頻道(最多170個(gè)以上),可滿足需要多信道工作的特殊場(chǎng)合;它是GMSK調(diào)制,抗干擾能力強(qiáng),特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合。采用DSS+PLL頻率合成技術(shù),頻率穩(wěn)定性極好;靈敏度高,達(dá)到-100dB·m;最大發(fā)射功率達(dá)+10dB·m;開(kāi)闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000m.工作電壓低,功耗小,待機(jī)狀態(tài)僅為1μA,以-10dB.m的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA,工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA,并且內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式,易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。工作速率最高可達(dá)100kbit/s,外圍元件少(僅10個(gè)),基本無(wú)需調(diào)試。裝置采用433MHz發(fā)射頻率,發(fā)射功率為+10dB·m,利用ShockBusrt工作模式自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC。3ad的程序?qū)崿F(xiàn)前端放大濾波后的信號(hào)被處理器的AD進(jìn)行采樣分析,其軟件程序主要是處理器和射頻芯片的初始化和處理函數(shù)。首先對(duì)MSP430各個(gè)IO口進(jìn)行初始化,其次配置nRF905芯片的各寄存器,定義工作方式,再次是對(duì)MSP430的AD進(jìn)行初始化設(shè)置,定義單通道多次轉(zhuǎn)換,內(nèi)部AD最多支持8通道同時(shí)采樣,各模塊初始化完畢后CPU進(jìn)入低功耗模式3,當(dāng)需要采樣的時(shí)候通過(guò)中斷將CPU從睡眠狀態(tài)喚醒,進(jìn)入中斷服務(wù)程序開(kāi)始AD采樣,通過(guò)采用中位值平均濾波法濾出因偶然因素引起的脈沖性干擾,消除脈沖干擾引起的采樣值偏差,加大的系統(tǒng)的抗干擾能力。將數(shù)字濾波后的采樣值通過(guò)MSP430的SPI總線將數(shù)據(jù)傳到射頻芯片進(jìn)行發(fā)送。程序流程如圖5所示。由于MSP430f149內(nèi)部AD寄存器是16位,在通過(guò)spi函數(shù)傳送給nRF905的時(shí)候,發(fā)送數(shù)據(jù)緩存只有8位,因此在傳送的時(shí)候需要將采集的數(shù)據(jù)拆分成高8位和低8位然后放入數(shù)組進(jìn)行發(fā)送,在接收機(jī)將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新的整合,完成采樣數(shù)據(jù)的接收。4結(jié)果將某公司的等效應(yīng)變?cè)醋鳛樾盘?hào)輸入源進(jìn)行應(yīng)變的無(wú)線測(cè)量,其實(shí)際測(cè)量