基于STM8L微處理器的便攜式無線測振系統設計

黃明鋒，應 捷，楊海馬，2，楊 暉

(1．上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083)

0 引言

精密與智能儀器對環境的振動要求比較苛刻，振動因素極有可能影響實驗結果或者儀器內部器件使用壽命。然而近年來隨著城市軌道交通網的興建，地鐵或城鐵不可避免地會穿過各類精密儀器實驗室區域，從而加劇了對實驗室環境的污染，使高精密儀器出現信噪比低、數據不準、重復性變差、準確度下降、甚至不能正常工作等問題。所以對振動因素的測量與分析顯得格外必要。

在確定以及測量儀器使用的環境時需要測量多個位置的振動信息，傳統測振儀器通過布線的方式采集信息，帶來了諸多不便，同時成本也難以控制。該設計中用輕便的nRF2401代替布線[1]，組成分布式檢測網絡。同時選用超低功耗的STM8L系列單片機作為采集模塊MCU。在成本低廉的情況下能在一個房間中布置多個設備，組成分布式測試網絡。該設備傳輸穩定可靠，有效工作時間長，性價比高。

1 系統工作原理

系統主要由采集發送模塊、接收存儲模塊及數據處理模塊構成。系統框圖如圖1所示。數據采集模塊中，三軸加速度傳感器工作電流為20～30 mA；STM8L處理器在做數據處理時，工作電流僅約為0．6 mA；nRF2401無線收發模塊以-6 dBm的功率發射時[2-3]，其工作電流只有9 mA.模塊整體工作電流在50 mA以下。模塊由高能量密度的磷酸鐵鋰電池供電，電池容量3 000 mA，連續有效工作時間超過48 h.

超低功耗的STM8L處理器讀取壓電傳感器采集的振動加速度，同時通過nRF24E1無線SOC單片機實現了振動信號的無線傳輸至接收存儲模塊。接收存儲模塊構建于STM32處理器[4]，型號為STM32F103VET6，采用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72 MHz，內置高達512 K字節的閃存和64 K字節的SRAM，具有靈活的靜態存儲器控制器FSMC，并有多達13個通信接口，包括I2C，SPI，CAN，USB等接口。作為強大的調理處理器，接收存儲模塊處理來自多個振動檢測模塊傳遞的數據并向上位機通信，同時具有保存數據的功能，并且驅動的TFT液晶屏實時顯示每個采集模塊的振動波形及實時工作狀態。

2 采集存儲模塊

2．1 壓電式傳感器

該設計中加速度傳感器采用MMA7455 數字輸出(IIC / SPI) 微電容調節式加速度感應芯片。MMA7455 是一款數字輸出、低功耗、緊湊型電容式微機械加速度傳感器，具有信號調理、低通濾波、溫度補償及自檢測試功能，并可實現中斷引腳(INT1 或 INT2)配置 、自由落體動力(0 g) 檢測以及脈沖檢測(用于快速運動檢測)等功能[5～6]。

圖1 系統原理圖

MMA7455 感知移動的基本原理是內部電路中包含有公共端的兩個電容，在整個電路中通過公共端的變化引起并聯電容總電容值變化，如圖 2 所示，當 MMA7455 向一個方向移動(此時向右) 時，由于慣性的原因，中間的公共端仍有維持原來位置狀態的趨勢，這樣，兩個電容的容值發生變化，再通過內部模數轉換電路轉換成相應的數字形式，通過 I2C總線和信號處理模塊進行通信，滿足所要求的功能。

圖2 傳感器工作原理

2．2 采集模塊硬件設計

采集部分硬件接口如圖3所示。MMA7455工作在I2C數據讀取模式下，芯片13、14號腳分別為I2C串行數據輸出和時鐘信號輸出，分別連接STM8L的PB5和PB6。無線收發模塊與STM8L通過SPI接口通信。

圖3 采集發送模塊硬件電路圖

2．3 系統軟件設計

系統軟件包括測量模塊采集信號及發送程序、調理模塊接收信號及處理存儲程序和串口數據發送程序，主要針對信號采集及發送程序和接收信號及處理存儲程序進行了設計。主要程序流程圖如圖4和圖5所示。

圖4 采集發送程序框圖

圖5 調理模塊程序

采集發送模塊主要實現傳感器的校準及發送采集數據。在多傳感器分布式網絡中，為了保證各節點發送接收時序正確，接受主機采用輪詢方式從各采集節點依次接收數據。nRF2401數據包處理方式為增強型的 ShockBurst 模式，在這個模式下，只要有數據需要發送，nRF2401就會啟動ShockBurst 模式自動發送數據，并且自動轉到接收模式等待接收應答信號。如果沒有應答信號，則會自動重發，直到達到最大重發次數，并產生中斷，從而保證數據發送的穩定與正確，當發送端未接收到發送成功信號時，點亮警示信號燈。在接收端，當有條件連接上位機時，接收到的數據連同發送節點信號一齊通過串口發送至上位機實時處理，否則將數據保存于SD卡中，上位機可通過USB口直接訪問調理模塊的SD卡。

3 上位機處理實驗數據

上位機主要實現數據分析功能。分辨采集模塊數據，將接收的加速度信號兩次積分，得到振動位移信號。同時對加速度信號進行FFT變換，得到振動頻譜圖[7]。

振動傳感器采集的信號為振動幅度相對時間的一維函數，可以采用一維離散傅里葉變換將數據轉換為頻域信號：

(1)

式中：n=0，1，2…，N-1；x為振動信號的一組抽樣值；N為x中元素的數量。

軟件實現N為1 024及進行1 024點的離散傅里葉變換。裝置實測結果如圖6～圖9所示。

圖6 傳感器1原始信號

圖7 傳感器2原始信號

圖8 傳感器1頻域波形

圖9 傳感器2頻域波形

傳感器1布置于實驗室內，傳感器2安放于靠窗位置。在窗外大型車輛經過時，實時顯示波形發生肉眼能觀察的變化。通過頻域分析，檢測頻譜形態可得結論，環境干擾振動主要頻率為60～100 Hz，符合物理學知識，此定量分析的結果可作為智能儀器安放地點選擇與減振裝置的設計的參考依據。

4 結束語

STM8L處理器和nRF2401無線模塊具有功耗小、成本低、配置靈活等優點，廣泛應用在無線數據通訊、工業傳感器、安防系統等領域。文中設計的無線測振系統基于以上兩者，布局靈活，能長時間穩定工作，且成本較低。適用于各種對儀器使用有振動要求的場合。

參考文獻：

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