基于MSP430的超低功耗的无线应变传感器的设计

2015-6-13 20:07

针对解决现有应变传感器存在的一些问题 , 设计了一种基于 MSP430 的超低功耗无线应变传感器。首先 , 介绍了以 MSP430F149 为控制器的无线应变传感器的工作原理、超低功耗设计、软硬件电路设计。其次实验以传统电阻应变片为信号源 , 通过放大滤波电路后由 MSP430F149 内部 12 位高速 AD 进行采样 , 通过 nRF905 将采集数据发送到接收机 ,
实现应变的无线传输和采集。

2015-6-13 20:08

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。

2015-6-13 20:09

K 0 =1 +2 m +m (1 - 2m )

在一定应变范围内 m 是常数 , 因此 K 0 也是常数 , 即电阻相对变化与应变成比例 , K 0 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。

2015-6-13 20:10

2 　超低功耗无线应变传感器的组成
传统的应变仪通过将电阻应变片的电阻变化通过导线传输到仪器内部 , 再通过相应的处理电路将电压信号转换成数字信号。在实际工程中应变片和应变仪之间的距离比较远 , 需要较长的导线将输入信号传到应变仪 , 由于电阻应变片的输出信号本来就比较微小 , 再加上长距离的导线使得信号在传输过程的可靠性大大降低 , 影响了实际工程中的质量。无线应变传感器正好在这些方面解决了实际工程中的问题。

2015-6-13 20:11

低功耗设计是嵌入式系统的普遍要求 , 通过无线方案解决了应变的无线采集 , 但是整个系统的功耗直接影响着传感器的工作寿命。无线应变传感器是一个手持设备 , 只能使用电池作为电源 ,因此对所采用微控制器和外围部件的低功耗特性要求比较高。

2015-6-13 20:11

CPU 和通信模块在不同时钟下运行 , 由于处理器的功耗与工作频率成正比 , 工作在低频方式下将大大降低处理器的功耗。 CPU 功耗可以通过开关状态寄存器的控制位来控制 : 正常工作时电流为 160 μ A, 备用时为 0 1 1 μ A, 为传感器的超低功耗要求提供有力的条件。 CPU 在初始化完成后 , 处于 LPM3 工作模式 , 仅当有外部中断发生时唤醒进入终端服务程序 , 完成后重新进入低功耗模式 , 照此循环往复 , 可以最大的实现低功耗。

2015-6-13 20:12

nRF905 与低功耗的设计
nRF905 具有接收、发射、掉电、等待 4 种工作模式 , 只有当监测和接收频率相同的载波的时候并且地址匹配的情况下才进入接收模式 , 当传感器采集到数据需要发送的时候才唤醒nRF905 进入发射模式 , 其他情况 nRF905 进入掉电模式 ,nRF905 被禁止 , 电流消耗将最小 , 典型值为 2 1 5 μ A, 模式之间的切换将大大提高系统的工作时间。

2015-6-13 20:15

3 硬件电路设计
前端处理电路主要由电压跟随器、放大电路和滤波电路组成。由于应变片输出的微弱信号 , 其供桥电压需要相对稳定 ,利用 LM385 和一个 2 1 5 k Ω的电阻使其电压稳定在 2. 1 5 V, 通过OP07 组成电压跟随器 , 输入阻抗高 , 输出阻抗低使得信号更加稳定 , 起到承上启下的作用。放大电路采用仪表用放大器AD623, 仪表放大器最显著的特点具有高输入阻抗、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。 AD623 除具备上述特点外 , 还有如下特征 : 在单电源供电的情况下可以获得很高的性能 ; 输出电压可以达到整个电源幅值范围 ; 可以利用电阻调整放大增益 , 其范围为 1 ～ 1 000; 外围器件少 ; 低功耗、小封装。这里增益电阻选择 200 Ω , 放大倍数 500 倍。

2015-6-13 20:17

滤波电路采用 OPA333 组成 2 阶巴特沃斯低通滤波器 ,OPA333 具有超低失调(2μ V) , 超低静态电流(17μ A) , 低至 1. 1 8 V 的工作电压以及 SC70 或 SOT23 封装 , 尤其适用于电池供电的产品。采用单电源供电形式 , 由于实际测量中应变信号一般为低频因此设计的截止频率为 25 Hz'.

2015-6-13 20:18

微处理单元采用 MSP430F149 单片机 , 该单片机的主要特点如下 :
MSP430F149 单片采用 1 1 8 ～ 3 1 6 V 低电压供电 , RAM 数据保持方式下耗电仅 0 1 1 μ A, 活动模式耗电 250 μ A /M IPS, 传统的 MCS51 单片机约为 10 ～ 20 mA /M IPS, 其输入端口的漏电流最大为 50 nA, 远低于其他系列单片机(1～ 10 μ A) , 加上它本身具有 5 种低功耗模式 (LPM0 ～ LPM4) , 其应用系统可以做到用 1 枚电池使用 10 年。

2015-6-13 20:18

系统利用MSP430F149 自带的 8 通道 12 位 AD 转换器进行采样 , 其采样速度为 200 kS/s. 由于在测试阶段 , 系统只对一个通道进行多次转换 , 由于 MSP 单片机独有低功耗模式 , 在系统不工作的时候使 CPU 处于 LPM3 状态 , 在有信号进入 ADC 的时候进入中断函数进行 AD 转化 , 这
样其平均电流是相当低 , 有效延长了系统的工作时间。

2015-6-13 20:21

工作速率最高可达 100 k bit/s, 外围元件少 ( 仅 10 个) ,基本无需调试。装置采用 433 MHz 发射频率 , 发射功率为 + 10dB · m, 利用 ShockBusrt 工作模式自动产生前导码和 CRC。

2015-6-13 20:22

4 软件电路设计
前端放大滤波后的信号被处理器的 AD 进行采样分析 , 其软件程序主要是处理器和射频芯片的初始化和处理函数。首先对 MSP430 各个 IO 口进行初始化 , 其次配置 nRF905 芯片的各寄存器 , 定义工作方式 , 再次是对 MSP430 的 AD 进行初始化设置 , 定义单通道多次转换 , 内部 AD 最多支持 8 通道同时采样 , 各模块初始化完毕后 CPU 进入低功耗模式 3, 当需要采样的时候通过中断将 CPU 从睡眠状态唤醒 , 进入中断服务程序开始 AD 采样 , 通过采用中位值平均滤波法滤出因偶然因素引起的脉冲性干扰 , 消除脉冲干扰引起的采样值偏差 , 加大的系统的抗干扰能力。将数字滤波后的采样值通过 MSP430 的 SPI 总线将数据传到射频芯片进行发送。

2015-6-13 20:22

由于 MSP430f149 内部 AD 寄存器是 16 位 , 在通过 spi 函数传送给 nRF905 的时候 , 发送数据缓存只有 8 位 , 因此在传送的时候需要将采集的数据拆分成高 8 位和低 8 位然后放入数组进行发送 , 在接收机将接收的数据进行重新的整合 , 完成采样数据的接收。

2015-6-13 20:23

5 　结束语
无线应变传感器以低廉的价格、高的可靠性以及无需布线等特点使得在实际工程中具有很好的发展前景。超低功耗设计解决了能耗问题在实际工程中的瓶颈 , 超低功耗无线应变传感器克服了传统有线测量方式的不足 , 以及无线传输带来的功耗过高的不利 , 具有重要的实际意义和应用前景。

2015-6-16 20:46

comeon201208 发表于 2015-6-13 20:08
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 ...

这个是无线的电阻式应变计的设计的，，用处比较广泛。

2015-6-16 20:48

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。

2015-6-17 21:35

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。

2015-6-19 16:48

滤波电路采用 OPA333 组成 2 阶巴特沃斯低通滤波器

楼主可不可以分享一下这部分的资料

2015-6-19 21:45

无线应变仪的设计开发的，很不错的，应用非常广泛的，主要就是测量微小的形变的。

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