（控制理论与控制工程专业论文）基于声发射的地震、山体滑坡监测诊断系统的应用研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 近年来，无线数据传输技术得到突飞猛进的发展，它突破了有线数据传输的局限性， 给随时随地的信息交流提供了极大的便利。而作为远程监控系统中重要环节的数据采集和 传感网络也发生了巨大的变化，以往的繁琐复杂的连线可以被高效、自动化的无线传感网 络所代替1 1 1 。 本项目的研究来源于湖北省科技厅重点研究项目“基于声发射的地震、山体滑坡监测 诊断系统的应用研究”，利用声发射技术准确提取山体滑坡、地震先兆的信号，在井上采 用现场总线c a n b u s 来进行数据的传输，在井下采用无线数据传输方式，设计价格低廉、适 用于矿区山体滑坡、地震和矿井井下地震先兆的预报系统；并对该方案中所涉及的关键技 术、系统构架、各部分功能实现，进行了深入研究。论文主要研究工作如下： 1 具体进行无线数据传输控制模块的硬件设计。需要满足通讯质量、通讯距离、通讯 速度，组网方便、抗干扰、便携、易于布控和低功耗等要求。 2 无线数据传输控制模块的软件设计。 3 具体进行c a n b u s 现场总线的硬件设计。需要满足通信质量，通信距离，通信速度， 抗干扰等的设计。 4 现场总线c a n b u s 的软件设计。 5 上位机界面的软件设计。 基于该研究项目，作者将实验中的一些心得和体会整理成两篇论文均已发表，并且项 目中的无线通信部分己申请专利，专利申请号为：2 0 0 6 2 0 0 9 7 4 2 3 0 ，专利申请名称为：一 种基于n r f 9 0 5 的无线数据传输系统。 最后论文在总结全文工作的基础上，对进一步研究提出了建议和展望。 关键词；声发射；n r f 9 0 5 ；现场总线c a n b u s 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i r e l e s sd a t at r a n s m i tt e c h n o l o g yi sh i g h l yd e v e l o p e d 。w h i c hb r e a c h e st h e l o c a l i z a t i o no f w i r ed a t at r a n s m i t a n db r i n g sm u c hc o n v e n i e n c ef o ri n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o n m o m e n t a r i l ya n de v e r y w h e r e t h eo n t i m ed a t ac o l l e c t i o na n ds e n s o rn e t w o r k s a st h em o s t i m p o r t a n tt h i n g si nr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，h a v ec h a n g e ds h a r p l y ，a n dt h ec o m p l i c a t e dl i n e o v e r p a s s e dc a nb er e p l a c e db ve m c i e n ta n dr o b o t i c i z e dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t i l i sr e s e a r c h i n g o r i g i n a t e sf r o mt h ep r o j e c t “1 1 wa p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h o ft h e e a r t h q u a k e 、m o u n t a i nl a n d s l i d em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s t i cs y s t e mb a s e do na c o u s t i c e m i s s i o n w h i c hi sav i t a lr e s e a r c hp r o j e c to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e p a r t m e n to fh u b e i p r o v i n c e ；b yp l e n t yo fs t u d y i n gt h ek e yt e c h n o l o g y ，s y s t e mf r a m e w o r ka n df u n c t i o ni m p l e m e n t o fe a c hp a r t sr e i a t i n gt od a t ar e m o t et r a n s m i t t i n ga n dc a n b u s t h em a i ns t u d yw o r ko ft h i s p a p e ri sa sf o l l o w ： 1 d e s i g nt h ei d e a so fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nb yu s i n gc o n f i g u r a t i o nh a r d w a r e w h i c hm u s t s a r i s f yt h en e e do fc o m m u n i c a t e dq u a l i t y ，c o m m u n i c a t e dd i s t a n c e ，c o n v e n i e n t l yo r g a n i z e d ， w i t h s t a n d i n gi n t e r f e r e ，e a s i l ym a n a g e d ，e a s i l yc o n t r o l l e da n d l o wc o n s u m e d 2 d e s i g nt h ei d e a so f w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nu s i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ， 3 d e s i g nt h ei d e a so ff i e l db u s ( c a n b u s ) b yu s i n gc o n f i g u r a t i o nh a r d w a r e ，w h i c hm u s ts a t i s f y t h en e e do fc o m m u n i c a t e d q u a l i t y ，c o m m u n i c a t e dd i s t a n c e ，c o n v e n i e n t l yo r g a n i z e d ， w i t h s t a n d i n gi n t e r f e r e e a s i l ym a n a g e d 。e a s i l yc o n t r o l l e da n d l o wc o n s u m e d 4 d e s i g nt h ei d e a so f f i e l db u s ( c a n b u s ) u s i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ， 5 d e s i g nt h ei d e a so f t h es h o wi n t e r f a c e b a s e do nt h e s er e s e a r c h i n g ，t h ea u t h o rh a v ep u b l i s h e dt w op a p e r sa b o u ts o m ef e e l i n g s ，a l s o a p p l yf o rap a t e n tw i t h i nt h ep a r to fw i r e l e s sd a t at r a n s m i t ，t h e nn u m b e ro ft h ep a t e n ti s 2 0 0 6 2 0 0 9 7 4 2 3 0a n dt h en a m eo ft h ep a t e n ti sas y s t e mo fw i r e l e s sd a t at r a n s m i tb a s e do n n r f 9 0 5 a t1 a s t b a s e do na l lo ft h es u m m a r ya n dc o n c l u s i o n so fm yr e s e a r c hw o r k s o m e s u g g e s t i o n sa n dp r o s p e c tf o rf u r t h e rr e s e a r c h i n gi sp u tf o r w a r di nt h ee n d k e yw o r d s ：a c o u s t i ce m i s s i o n ；n r f 9 0 5 ；f i e l db u s ( c a n b u s ) 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 1 1 系统总体概述 第一章绪论 利用声发射技术准确提取山体滑坡，地震先兆的信号，在矿井上采用现场总线c a n b u s 来进行数据的传输，在矿井下采用无线数据传输方式，设计价格低廉、适用于矿区山体滑 坡、地震和矿井井下地震先兆的预报系统。如能在广大矿区安装山体滑坡、地震和矿井井 下地震先兆的预报系统，在矿区周围发生山体滑坡、地震前几天或前几个小时发出预警警 报，对保证矿山的安全生产和矿工的生命安全具有特别重要的意义，由此产生的经济效益 和社会效益是非常巨大的。 现场总线g a n b u s 以其独有的技术优势和特点，在现代工业控制技术领域中得到了愈 来愈广泛的应用。但在目前已经投入使用的工业控制系统中，各仪器设备或装置之间进行 通信所使用的大部分仍是传统的r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ( r 5 4 2 2 ) 。工业企业在不断投入新型现场总 线系统的同时，要在短期内淘汰那些旧系统是不现实的，况且在许多应用系统中，新老系 统的功能是相似或兼容的。所以在一定时期内，新老总线系统同时并存是客观现实的需要。 自二十世纪八十年代德国b o s c h 公司成功开发出控制器局域网( c a n ) 总线以来，它已 被证明可以很好地适应技术与市场变化的需求。 虽然早先设计c a n 是用在轿车上，但是第一批应用就有不同的市场。在芬兰，电梯制 造商k o n e 就使用了c a n 总线。瑞典的工程负责人k v a s e r 建议把c a n 使用到纺织机械制造 和他们的供给厂商，作为机器内部的通信协议。在荷兰，p h i l i p s 医药系统利用c a n 来作 为x 射线机器内部的网络；德国的w e i n g a r t e n 应用科技大学教授在由他负责的s t e i n b e i s 过程自动化转换中心( s t z p ) ，设计中也应用了现场总线c a n b u s 网络协议。 自从2 0 世纪9 0 年代中期，m e r c e d e s - - b e n z 在他们的高级客车中使用c a n 。第一步， 用作发动机管理的各电子控制单元是通过c a n 连接起来的。第二步，是车体需要的电子控 制器件。两个在物理上分离的c a n 总线系统在运行，它们之间通过网关连接。其它汽车制 造厂商也在他们的客车中运行两套c a n 网络。继v o l v o ，s a a b ，v o l k s w a g e n 和b m w 之后， 现在r e n a u l t 和f i a t 公司也在他们的车辆产品中使用c a n 。 目前，除了在汽车应用中持续占据主导地位之外，它还被成功应用于包括工业机动控 制、铁路引擎控制单元、船用电子设备、医用设备、复杂传感器以及煤矿系统等在内的诸 多领域。 近年来，国内许多公司都在开发基于c a n b u s 现场总线方面的应用产品研发。北京华 大恒泰科技有限责任公司利用c a n 总线通信模块构建高可靠工业系统，通过采用c a n 总线 通信模块对传统的通信接口进行数据的透明转换，使整个系统成为c a n 总线系统，则能在 较短的时问，花费较少的投资获得高可靠的工控系统。上海聚星仪器有限公司开发了基于 n i 公司提供的p x i + t e s t s t a n d 测试平台的c a n 总线汽车测试的解决方案，它能帮助中国测 试工程师提高汽车测试的效率，降低测试系统的成本，并能应对不断升级的汽车测试需求。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 由以上可知，论文主要论述了利用声发射技术准确提取山体滑坡、地震先兆的信号， 设计价格低廉、适用于矿区山体滑坡、地震和矿井井下地震先兆的预报系统。该系统在井 下采用无线数据传输的技术，便有效解决了井下布线不便的问题；在井上采用现场总线 c a n b u s 来进行数据的传输，便有效解决了矿井上面的数据传输距离远，并且现场环境恶劣， 信号干扰大的问题，相对于现阶段工业现场中主要通过r s 4 8 5 来进行通信的方式具有了很 多的优点。 1 2 无线数据传输技术 短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传 输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内，就可以称为短距离无线 通信。 1 2 1 短距离无线通信技术的特征 首先，低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的产销量都很大，要 提供终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。 其次，低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短这个先天 特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功率普遍都很低，通常在 1 毫瓦量级。 最后，对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线通信 技术。终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，因此空中接口设计和高层协议都相对 比较简单，无线资源的管理通常采用竞争的方式( 如载波侦听) 。 1 2 2 主流的短距离无线通信技术2 i 随着通信和信息技术的不断发展，包括u w b 、z i g b e e 、r f i d 和蓝牙等在内的短距离无 线通信技术正日益走向成熟，应用步伐不断加快。面向未来，各种短距离无线通信技术将 在自动化控制和家庭信息化领域扮演越来越重要的角色，发挥越来越重要的作用。 目前几种主流的短距离无线通信技术包括：高速w p a n 技术；u w b 高速无线通信技术， 包括m b o f d m 、d s u w b ；w i r e l e s s u s b 技术；此外，还有低速w p a n 技术和z i g b e e 技术， r f i d 技术。 w i r e l e s s u s b 是一个全新无线传输标准，可提供简单、可靠的低成本无线解决方案， 帮助用户实现无线功能。 z i g b e e 是一种低速短距离无线通信技术。它的出发点是希望发展一种拓展性强、易建 的低成本无线网络，强调低耗电、双向传输和感应功能等特色。 r f i d 是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合( 电感或 电磁耦合) 传输特性实现对被识别物体的自动识别。r f i d 技术的发展得益于多项技术的综 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 合发展，包括芯片技术、天线技术、电磁传播技术、数据交换与编码技术等。典型的r f i d 系统是由电子标签、读写器和信息处理系统组成。电子标签与读写器配合完成对被识别对 象的信息采集功能；信息处理系统则根据需求承担相应的信息控制和处理工作。 1 2 3 短距离无线通信的应用发展情况1 3 1 高速w p a n ，目前主要应用于连接下一代便携式消费电器和通信设备。它支持各种高速 率的多媒体应用、高质量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。 低速w p a n ，主要用于家庭、工厂与仓库的自动化控制，安全监视、保健监视、环境监 视，军事行动、消防队员操作指挥，货单自动更新、库存实时跟踪以及游戏和互动式玩具 等方面的低速应用。 根据工作频率的不同，r f i d 系统大体分为中低频段和高频段两类，不同频率r f i d 系 统的工作距离不同，应用的领域也有差异。低频段的r f i d 技术主要应用于动物识别、工 厂数据自动采集系统等领域；1 3 5 6 姗z 的r f i d 技术已相对成熟，并且大部分以i c 卡的形 式广泛应用于智能交通、门禁、防伪等多个领域，工作距离小于1 m 。较高频段的4 3 3 删z r f i d 技术则被美国国防部用于物流托盘追踪管理；而在r f i d 技术中，当前研究和推广的重点 是高频段的8 6 0 岫z 9 6 0 删z 的远距离电子标签，有效工作距离达到3 6 m ，适用于对物流、 供应链的环节进行管理；2 4 5 g h z 和5 8 g h z r f i d 技术以有源电子标签的形式应用在集装箱 管理、公路收费等领域。 在实际应用中，我们还要处理好短距离无线通信系统与其他系统的关系，包括与现有 固定无线接入系统、现有蜂窝移动通信系统以及数字家庭网络的关系。 1 3 主要工作与论文结构 论文主要论述了利用声发射技术准确提取山体滑坡、地震先兆的信号，设计价格低廉、 适用于矿区山体滑坡、地震和矿井井下地震先兆的预报系统。该系统在井下采用无线数据 传输的技术，便有效解决了井下布线不便的问题；在井上采用现场总线c a n b u s 来进行数 据的传输，便有效解决了矿井上面的数据传输距离远，并且现场环境恶劣，信号干扰大的 问题，相对于现阶段工业现场中主要通过r s 4 8 5 来进行通信的方式具有了很多的优点。 论文的第一章首先介绍了整个系统的意义并且叙述了当前的主流的短距离无线通信 技术；第二章介绍了矿井下的无线通信电路结构，并且对系统设计所采用的m c u 做了简单 介绍；第三章主要叙述了系统设计的数据采集部分的电路，尤其对声发射传感器的特性和 原理方面做了详细论述；第四章从无线通信信道入手，叙述了射频通信的基本原理，对系 统所采用的射频芯片n r f 9 0 5 做了详细介绍，最后给出无线通信部分电路的p c b 设计方法； 第五章主要讲述了系统设计中的其它辅助模块，包括u a r t 模块，外部存储器模块和s p i 通信模块：第六章介绍了矿井上的数据通信方式，主要通过c a n b u s 总线来进行数据传输， 对c a n b u s 做了详细的论述；第七章对系统上位机设计做了介绍：第八章对整个论文做了 总结，并且提出了系统将来的设计构想。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 2 ic y g n a l 单片机简介嗍 第二章c 8 0 5 1 和n r f 9 0 5 连接 在8 0 5 1 核单片机庞大的家族中，c 8 0 5 1 f 系列作为其中的后起之秀，是目前功能最全、 速度最快的8 0 5 1 衍生单片机之一，正得到越来越广泛的应用。它集成了嵌入式系统的许多 先进技术，有丰富的模拟和数字资源是一个完全意义上的s o c 产品。 c 8 0 5 1 f x x x 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8 0 5 1 兼容的微控 制器内核，与m s 一5 1 指令集完全兼容。除了具有标准8 0 5 2 的数字外设部件之外，片内还 集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。 m c u 中的外设或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、a d c 、d a c 、电压 比较器、电压基准、温度传感器、s m b u s 1 2 c 、u a r t 、s p i 、可编程计数器定时器阵列( p c a ) 、 定时器、数字i o 端口、电源监视器、看门狗定时器( 1 ；| f d t ) 和时钟振荡器等。所有器件 都有内置的f l a s h 程序存储器和2 5 6 字节的内部r a m ，有些器件内部还有位于外部数据存 储器空间的r a m ，即x r a m 。 c 8 0 5 1 f x x x 单片机采用流水线结构，机器周期由标准的1 2 个系统时钟周期降为1 个 系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达2 5 m i p s 。 c 8 0 5 1 f x x x 单片机是真正能独立工作的片上系统( s o c ) 。每个m c u 都能有效地管理 模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。f l a s h 存储器还具有在系统重新 编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8 0 5 1 固件。应用程序可以使用m o v c 和m o v x 指令对f l a s h 进行读或改写，每次读或写一个字节。这一特性允许将程序存储器 用于非易失性数据存储以及在软件控制下更新程序代码。 片内j t a g 调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵入式 ( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器， 支持断点、单步、运行和停机命令。在使用j t a g 调试时，所有的模拟和数字外设都可全 功能运行。每个们u 都可在工业温度范围( - 4 5 n + 8 5 ) 内用2 7 v 一3 6 v ( f o l 8 0 1 9 为 2 8 v 一3 6 v ) 的电压工作。端口i o 、r s t 和j t a g 引脚都容许5 v 的输入信号电压。 2 2c 8 0 5 1 f 0 2 0 的特性 c 8 0 5 1 f 0 2 0 系列器件与m c s 一5 1 指令集完全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和 编译器进行软件开发。c i p - 5 1 内核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括5 个1 6 位的计数 器定时器、2 个全双工u a r t 、2 5 6 字节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄存器( s f r ) 地址空间 及8 4 个字节宽的i 0 口。 c i p 一5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比，指令执行速度有很大的提高。7 0 指令的执行时自j 为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统时钟周 期。c i p 一5 1 工作在最大系统时钟频率2 5 m h z 时，峰值速度达到2 5 m i f s 。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 该系列的m c u 具有标准8 0 5 1 端口( 0 、l 、2 和3 ) 和4 个附加的端口( 4 、5 、6 和7 ) ， 因此共6 4 个i 0 口。每个i o 引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8 0 5 1 中 固定的“弱上拉”可以被总体禁止。这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。最独特的 改进是引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字资源映射到p o 、 p 1 、p 2 和p 3 的端1 2i o 引脚。与具有标准复用数字i o 的微控制器不同，这种结构可以 支持所有的功能组合。 可以通过设置交叉开关控制寄存器，将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、 a d c 转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号，配置为出现在端口的 i 0 引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用i 0 和所需数字资源的组合。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 1 2 3 器件是完全集成的混合信号系统级m c u 芯片，具有6 4 个数字i 0 引脚( c 8 0 5 1 f 0 2 0 2 ) 或3 2 个数字i 0 引脚( c 8 0 5 1 f 0 2 1 3 ) 。 1 ) 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p - 5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) 2 )全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) 3 ) 真正1 2 位( c 8 0 5 1 f 0 2 0 1 ) 或1 0 位( c 8 0 5 1 f 0 2 2 3 ) 、1 0 0k s p s 的8 通道a d c ， 带p g a 和模拟多路开关 4 )真正8 位5 0 0k s p s 的a d c ，带p g a 和8 通道模拟多路开关 5 )两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式 6 )6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器 7 ) 4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节的片内r a m 8 )可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口 9 ) 硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 和两个u a r t 串行接口 1 0 )5 个通用的1 6 位定时器 1 1 )具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列 1 2 )片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器 具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 0 2 0 1 2 3 是真正能独立 工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能禁止和配置。f l a s h 存储器 还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8 0 5 1 固件。 片内j t a g 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵入式( 不占 用片内资源) 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断 点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用j t a g 调试时，所有的模拟和数字外设都可 全功能运行。 每个m c u 都可在工业温度范围( 一4 5 至1 j + 8 5 ) 内用2 7 v 一3 6 v 的电压工作。端h i o 、 r s t 和j t a g 引脚都容许5 v 的输入信号电压。 2 3 编程环境 k e i lu v i s i o n 2i d e 是一个基于w i n d o w 的丌发平台，包含一个高效的编辑器，一个项 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 目管理器和一个m a k e 工具。 圈2 1k e i lu v i s i o n 2 编程环境 u v i s i o n 2 支持所有的k e i l8 0 5 1 ： ：具，包括c 编译器，宏汇编器，连接定位器，目标 代码至 j h e x 的转换器。u v i s i o n 2 通过以下特性加速你的嵌入式系统的开发过程： 全功能的源代码编辑器； 器件库用来配置开发工具设置； 项目管理器用来创建和维护你的项目； 集成的姒k e 工具可以汇编编译和连接你的嵌入式应用； 所有开发工具的设置都是对话框形式的； 真正的源代码级的对c p u 和外围器件的调试器； 高级g d i a g d i 接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和m o n i t o r - 5 1 进行通信； 与开发工具手册和器件数据手册和用户指南有直接的链接； 当你使用k e i ls o f t w a r e ： ：具时你的项目开发流程和其它软件开发项目的流程极其相 似。 1 创建一个项目从器件库中选择目标器件配置工具设置； 2 用c 语言或汇编语言创建源程序； 3 用项目管理器生成你的应用； 4 修改源程序中的错误； 5 测试连接应用； 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 u v i s i o n 2i d e 集成开发环境集成了一个项目管理器，一个功能丰富有错误提示的编辑 器以及设置选项生成工具在线帮助。利用u v i s i o n 2 创建你的源代码并把它们组织到一个能 确定你的目标应用的项目中去。u v i s i o n 2 自动编译汇编连接你的嵌入式应用并为你的开发 提供一个单一的焦点。 2 4 电路框图 整个系统设计中的每个节点都是一个独立的子系统，由微控制器和无线收发模块来构 成。在数据需要量很大的情况下，可以扩展一个外部存储器，用于临时存储大量的用于发 送或者接收来的数据。 微控制器和无线收发模块的 连接主要由控制信号，反馈信号 和串行外设接口( s p i ) 三部分组 成。控制信号配置模块的工作模 式，无线收发模块提供了待机， 掉电，发送和接收四种工作模式； 反馈信号由载波检测( c d ) ，地址 匹配( a m ) 和数据准备就绪( d r ) 三个反馈信号来组成，为通信的 是否建立提供了一种可以查询的 控制信号 。 工作模式 c 8 0 5 l c d a m 反馈信号 d r n r f 9 0 5 几八 s p is p i 厂叫 图2 2 硬件电路连接 依据，利用中断的方式可以使软件编程更加方便。微控制器和无线收发模块的接口电路如 图2 2 所示。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 3 1 声发射技术简介 3 1 1 传感器技术 第三章传感器数据采集 传感器是实验测量获取信息的重要环节，通常传感器是指一个完整的测量系统或装 置，它能感受规定的被测量并按一定规律转换成输出信号，传感器给出的信号是电信号， 而它感受的信号不必是电信号，因此这种转换在非电量的电测法中应用极为广泛。 传感器技术是现代科技的前沿技术，是制造业自动化和信息化的基础。随着国内工业 自动化、信息化和国防现代化的发展，传感器的年需求量持续增长。由于国内传感器技术 的创新和新产品开发能力落后于国外先进水平，制约了工业自动化和信息化技术的发展。 目前传感器技术发展极为迅速，已经逐渐形成为- f l 新的学科，其应用领域十分广泛，如 现代飞行技术、计算机技术、工业自动化技术以及基础研究等，传感技术已成为现代信息 技术的三大基础之一。 传感器构成： 敏感元件：是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分； 转换元件：是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的量转换成电信号。 传感器种类： 物理型：利用某些材料本身所具有的内在特性或以传感器结构为基础； 化学型：利用化学物质的成份、浓度等信息转换为电信号； 生物型：利用生物活性物质选择性识别，是近年来发展很快的传感器。 3 1 2 声发射传感器简介 声发射传感器在声发射技术和应用中占有十分重要的地位。声发射检测需要通过传感 器把声发射信号转换成电信号。各种测量表明，声发射信号的频率分布与材料或构件的具 体特性有关，其范围可从次声波到超声波，考虑到低频机械噪声的干扰及高频的传播的衰 减，通常声发射传感器的使用频率在2 0 k h z 2 m h z 之间，而压力容器声发射检测通常使用频 率在l o o k h z 3 0 0 k h z 之间。 声发射传感器种类很多，按频率响应来分，主要有谐振式传感器( 窄带传感器) 和宽 带传感器。谐振式传感器具有高灵敏度，但频率响应范围相对较窄；宽带传感器响应灵敏 度低，但响应灵敏度均匀平坦，频带较宽。主要用于声发射波形的时域和频域分析。声发 射前置放大器完成从传感器探测到的声发射信号，通过它来放大处理，提高信噪比，同时 把不需要的信号滤波掉，且保证放大后的信号既提高了增益，又降低了噪声，且不失真。 把这样的信号放大后通过电缆送到后级放大和处理电路。由于前置放大器输出的信号较 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 小，而且电缆传输会造成一定的衰减，因此需要主放大器来进行进一步的放大处理，同时 主放大器给前置放大器提供了工作电源，并把信号通过电缆送到数据采集电路。 从主放大器传输过来的信号还是模拟信号，要送入计算机处理必须通过a d 转换。 3 1 3 声发射检测的特点 材料或结构受应力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发 射。声发射技术始于二十世纪六十年代，逐步发展成熟的一种新的无损检测方法，被广泛 应用于材料试验、压力容器检验、飞机、桥梁、起重机等工程结构的完整性检验。声发射 检测已经作为一种可靠的无损检测方法早就应用在压力容器定期检验中。1 9 9 0 版在用压 力容器检验规程和2 0 0 3 版的压力容器定期检验规则都把声发射检验技术作为一种 压力容器的定期检验技术。全国特种设备无损检测考委会已经于2 0 0 2 年开始培训和考核 声发射i i 级人员。由于声发射检测在役检验速度快、周期短、发现的结果为活动性危险 缺陷，在线检测可以在不停产的情况下进行，因此采用声发射技术既确保了被检设备的安 全运行，又为用户带来了更大的经济效益。 声发射技术是根据结构内部发出的应力波判断结构内部损伤程度的一种新的无损检 测方法，它与传统的超声波、射线等常规无损检测方法主要区别在于声发射技术是一种动 态无损检测方法，它能连续监测结构内部损伤的全过程。由于声发射检测是一种动态无损 检测方法，而且，声发射信号来自缺陷本身，因此，用声发射法可以判断缺陷的严重性。 一个同样大小、同样性质的缺陷，当它所处的位置和所受的应力状态不同时，对结构的损 伤程度也不同，所以它的声发射特征也有差别，明确了来自缺陷的声发射信号，就可以长 期连续的监视缺陷的安全性，这是其他无损检测方法难于实现的。 采用多通道传感器接收声发射信号并用现代数字信号处理技术和计算机技术处理信 息，从而达到在压力容器加载时实时显示动态缺陷、确定缺陷位置和评定缺陷的严重性。 在压力容器检测时，与传统的无损检测方法相比，它有下述明显的特点： ( 1 ) 传统的无损检测方法主要是按缺陷尺寸的大小来衡量其危害程度，声发射检测 则只显示和记录扩展变化的缺陷，与缺陷的尺寸无关，而扩展的缺陷是最危险的。采用声 发射方法评价缺陷，不但可以避免对尺寸虽大、但不属于扩展性的缺陷进行不必要的返修 处理，而且能够提高结构运行的可靠性。 ( 2 ) 采用声发射检测可以一次性地对结构进行整体检测而不仅是焊缝，检测时无须 使传感器在被测结构表面扫描，变传统无损检测方法的“动态”检出而为“静态”检出。 ( 3 ) 缺陷所处的位置和方向不会影响其检出率。 3 2a d 采样原理 模数转换是将模拟输入信号转换为n 位二进制数字输出信号的技术。采用数字信号处 理能够方便实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功能，因此，越来越多 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 的模拟信号处理正在被数字技术所取代。与之相应的是，作为模拟系统和数字系统之间桥 梁的模数转换的应用日趋广泛。 模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。 采样就是将一个连续变化的信号x ( t ) 转换成时间上离散的采样信号x ( n ) 。根据奈奎 斯特采样定理，对于采样信号x ( t ) ，如果采样频率f s 大于或等于2 f m a x ( f m a x 为x ( t ) 最 高频率成分) ，则可以无失真地重建恢复原始信号x ( t ) 。 实际上，由于模数转换器器件的非线性失真，量化噪声及接收机噪声等因素的影响， 采样速率一般取f s = 2 5 f m a x 。通常采样脉冲的宽度t w 是很短的，故采样输出是断续的窄 脉冲。要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间， 这就是保持过程。 量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问 题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间 隔和模数转换器的输入阻抗值有关。 编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如， 采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程同时实现的，且所用时 间又是保持时间的一部分。 实现这些过程的技术有很多，从早在上世纪7 0 年代就出现的积分型到最新的流水线 模数转换技术，种类繁多。由于原理的不同，决定了它们性能特点的差别1 4 】。 3 2 1 积分型模数转换器 复位 图3 1 双斜率模数转换器结构图 出 积分型模数转换器称双斜率或多斜率数据转换器，是应用最为广泛的转换器类型。典 型的是双斜率转换器，我们就以其为例说明积分型模数转换器的工作原理。双斜率转换器 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 包括两个主要部分：一部分电路采样并量化输入电压，产生一个时域间隔或脉冲序列，再 由一个计数器将其转换为数字量输出。 双斜率转换器由1 个带有输入切换开关的模拟积分器、1 个比较器和1 个计数单元构 成。积分器对输入电压在固定的时间间隔内积分，该时间间隔通常对应于内部计数单元的 最大地数。时间到达后将计数器复位并将积分器输入连接到反板性( 负) 参考电压。在这 个反极性信号作用下，积分器被“反向积分”直到输出回到零，并使计数器终止，积分器 复位。积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，但它们的精度可以做得很高，并且 抑制高频噪声和固定的低频干扰( 如5 0 h z 或6 0 h z ) 的能力，使其对于嘈杂的工业环境以 及不要求高转换速率的应用有用( 如热电偶输出的量化) 。 3 2 2 逐次逼近型模数转换器 输入信号 参考电压 图3 2 逐次逼近型模数转换器结构图 逐次逼近型转换器包括1 个比较器、1 个数模转换器、1 个逐次逼近寄存器( s a r ) 和 1 个逻辑控制单元。转换中的逐次逼近是按对分原理，由控制逻辑电路完成的。其大致过 程如下：启动转换后，控制逻辑电路首先把逐次逼近寄存器的最高位置l ，其它位置0 ， 逐次逼近寄存器的这个内容经数模转换后得到约为满量程输出一半的电压值。这个电压值 在比较器中与输入信号进行比较。比较器的输出反馈到数模转换器，并在下一次比较前对 其进行修正。在逻辑控制电路的时钟驱动下，逐次逼近寄存器不断进行比较和移位操作， 直到完成最低有效位( l s b ) 的转换。这时逐次逼近寄存器的各位值均已确定，逐次逼近 转换完成。 由于逐次逼近型模数转换器在1 个时钟周期内只能完成1 位转换。n 位转换需要n 个 时钟周期，故这种模数转换器采样速率不高，输入带宽也较低。它的优点是原理简单，便 于实现，不存在延迟问题，适用于中速率而分辨率要求较高的场合。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 3 闪烁型模数转换器 参 考 电 压 参 输入逻辑 采样时钟 图3 3 闪烁型模数转换器结构图 n 位 输 出 与一般模数转换器相比，闪烁型模数转换器速度是最快的。由于不用逐次比较，它对 n 位数据不是转换n 次，而是只转换一次，所以速度大为提高。图3 3 所示为n 位闪烁型 模数转换器的原理。转换器内有一定参考电压，模拟输入信号被同时加到2 n - 1 个锁存比 较器。每个比较器的参考电压由电阻网络构成的分压器引出，其参考电压比下一个比较器 的参考电压高一个最低有效位。当模拟信号输入时，风参考电压比模拟信号低的那些比较 器均输出高电平( 逻辑1 ) ，反之输出低电平( 逻辑o ) 。这样得到的数码称之为温度计码。 该码被加到译码逻辑电路，然后送到二进制数据输出驱动器上的输出寄存器。 尽管闪烁型转换器具有极快的速度( 最高i g h z 的采样速率) ，但其分辨率受限于管芯 尺寸、过大的输入电容以及数量巨大的比较器所产生的功率消耗。结构重复的并行比较器 之间还要求精密地匹配，因此任何失配都会造成静态误差，如使输入失调电压( 或电流) 增大。 闪烁型模数转换器还易产生离散的、不确定的输出，即所谓的“闪烁码”。闪烁码主 要有两个来源：2 n 1 个比较器的亚稳态及温度计编码气泡；不匹配的比较器延迟会使逻辑 1 变为逻辑0 ( 或反之) ，如同温度计中出现了一个气泡。由于模数转换器中的编码单元无 法识别这种错误，经过编码后的输出同样会出现“闪烁”。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 闪烁型模数转换器的另外一个考虑因素是管芯尺寸。一个8 位闪烁型转换器比同等位 数的流水线模数转换器要大将近7 倍。如果与流水线结构作迸一步的比较，闪烁型转换器 的输入电容和功率消耗分别要高出6 倍和2 倍。 3 2 4 一a 型模数转换器 输 入 信 号 图3 4e - a 型模数转换器 n 位输出 一转换器又称为过采样转换器。这种转换器由一调制器及连接及其后的数字 滤波器构成，如图3 4 所示。调制器的结构近似于双斜率模数转换器，包括1 个积分器和 1 个比较器，以及含有1 个1 位数模转换器的反馈环。这个内置的数模转换器仅仅是个 开关，它将积分器输入切换到一个正或负参考电压。一a 模数转换器还包括一个时钟单 元，为调制和数字滤波器提供适当的定时。窄带信号送入一模数转换器后被以非常低 的分辨率( 1 位) 进行量化，但采样频率却非常高。经过数字滤波处理后，这种过采样被 降低到一个比较低的采样率；同时模数转换器的分辨率( 即动态范围) 被提高到1 6 位或 更高。 尽管一模数转换器采样速率较低，且限于比较窄的输入带宽，但在模数转换器市 场上仍占据了很重要的位置。它具有三个主要优势：低价格、高性能( 高分辨率) ；集成 化的数字滤波；与d s p 技术兼容，便于实现系统集成。 3 3c 8 0 5 1 内部a d 介绍f 4 1 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的a d c o 子系统包括一个9 通道的可编程模拟多路选择器( a m u x o ) ，一个 可编程增益放大器( p g a o ) 和一个l o o k s p s 、1 2 位分辨率的逐次逼近寄存器型a d c ，a d c 中 集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。a m u x o 、p g a o 、数据转换方式及窗口检测器都 可用软件通过特殊功能寄存器来控制。只有当a d c o 控制寄存器中的a d o e n 位被置1 时 a d c o 子系统( a d c o 、跟踪保持器和p g a o ) 才被允许工作。当a d o e n 位为0 时，a d o c 子 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 系统处于低功耗关断方式。 a d c o 的最高转换速度为l o o k s p s ，其转换时钟来源于系统时钟分频，分频值保存在寄 存器a d c o c f 的a d c s c 位。 3 3 1 启动转换 有4 种转换启动方式，由a d c o c n 中的a d c o