基于PSoC的无线静载仪采集系统

1、    基于PSoC的无线静载仪采集系统        于 謇， 刘明贵， 梁 昊 时间:2010年12月24日 来源:电子技术应用2010年第10期    字 体: 大 中 小        关键词:        摘  要：关键词：1 系统组成与设计原理 

2、   系统分为数据采集部分与数据上传部分。数据采集部分由5个子节点和1个汇聚节点通过CyFi无线传输技术组成。其中，子节点又分为4个位移子节点和1个压力子节点。子节点的核心控制单元是PSoC可编程片上系统，负责接收传感器数据并控制CyFi无线模块发送1。另外，位移传感器采用数字容栅式MS50传感器，输出量为数字信号。压力传感器采用压阻式压力传感器MPM480，输出量为模拟信号，需进行A/D转换。    数据上传部分由汇聚节点与上位机通过USBUART传输技术组成，汇聚节点由基于PSoC可编程片上系统的数据盒控制。数据盒通过CyFi无线模块，收集

3、到全部子节点的传感器数据并进行存储，当得到上位机读取数据命令后，通过USB接口模拟的串口将数据上传给上位机。系统整体设计方案如图1所示。2 系统硬件设计2.1 CY8C24894可编程片上系统2.2 无线模块     射频芯片采用CYRF7936芯片，为40引脚的QFN封装芯片。工作的ISM频段为2.4 GHz2.483 GHz，工作电压为1.8 V3.6 V,支持速度为4 MHz的SPI微控制器接口，需外接12 MHz的晶振。    CyFi无线射频技术是Cypress公司2008年底提出的面向嵌入式控制领域的一款低成本、

4、低功耗、高可靠性的无线射频解决方案，工作于无许可限制的2.4 GHz ISM频段。CyFi无线射频解决方案由PSoC控制核心、无线射频收发器和CyFi星型网络协议栈组成。PSoC可编程片上系统包含了CyFi星型网络协议栈预配置固件用户模块，并以源代码的形式提供了全部应用程序的接口，总共只需8个API指令便能完成设计。CyFi收发器输出功率高达+4 dBm，接收灵敏度高达-97 dBm，能实现跳频传输和DSSS调制抗干扰,并能根据链接管理需求，自动调节传输数据速率，以1 Mb/s、250 kb/s或125 kb/s的速率进行通信。2.3 传感器模块    本设计中位移子节点采

5、用岩土工程监测中常用的数字容栅式位移传感器MS50，其分辨率为0.01 mm，精度为±0.03 mm， 电子容栅式位移传感器MS50的输出信号如图2所示，分为CLK和DATA两路信号进行传输。由示波器检测输出信号可知：信号的头尾为标志位，且为4位高电平值。位移传感器MS50每250 ms传输一帧48位的数据包，这个数据包由各分为24位的两组数据组成。其中，后一组数据为前一组数据减去基准零值后的差值，即为前一组数据的倒相输入。2.4 总体硬件电路    总体电路由4个位移子节点电路、1个压力子节点电路和1个汇聚节点电路组成。CY8C24894与CYRF79

6、36的连接如图4所示。    子节点包括位移传感器子节点和压力传感器子节点两种。CY8C24894读取位移数据后，将位移量保存在数据存储器中，并保持位移量实时更新。当需要传输位移数据量时，CY8C24894控制SPI总线以主设备模式向从设备模式的无线射频模块CYRF7936传输信号3，并以无线方式发送出去，SPI模块工作时钟VC1为系统的四分频，即6 MHz。压力传感器子节点输出的是模拟量,因此需要进行A/D转换后才能由控制核心CY8C24894存储和控制射频模块发送。而A/D转换功能使用CY8C24894可编程片上系统自身所带的12位模数转换器，模数转换器在CY

7、8C24894中需要占用2个可编程数字用户模块和1个可编程模拟模块4。子节点电路设计如图5所示。    汇聚节点的硬件设计和子节点的硬件设计类似，但是不再需要前端采集模块。汇聚节点在解析命令后通过SPI总线控制CYRF7936无线射频模块发送命令。在得到回复后将信息再由CYRF7936无线射频模块通过SPI总线传输给控制核心，并最终通过USBUART仿真串口反馈给上位机。汇聚节点电路如图6所示。3 系统软件设计3.1 子节点软件设计    子节点采集功能分为位移量采集和压力量采集。位移传感器的输出信号在CLK时钟信号出现下跳沿时，开始

8、数据传输，而如果此时出现中断，则会导致位移量采集无法进行，在检测到CLK的标志信号后，应关闭中断，让位移数据采集正常进行，读取完成后对数据进行处理并保存更新，同时再次打开外部中断，等待下一次位移数据的采集，位移量采集流程如图7所示。    压力采样过程为：首先读取压力传感器的输入信号，并通过CY8C24894内部可编程增益放大器PGA对模拟信号进行放大，对放大后的压力数据进行模数转换，其中模数转换器ADCINC12时钟为VC2，即VC1的三分频2 MHz。转换完成后，对数据进行处理、保存、更新，压力量采集流程如图8所示。3.2 汇聚节点软件设计 

9、0;  在接到上位机命令后，汇聚节点进行命令解析。当开始读取并更新数据工作时，首先读取汇聚节点在侦测阶段确认的子节点个数和网络标号，按照网络标号开始逐个读取位移量。没有得到回复时，反复三次延时70 ms再次发送读取命令，若还没有回复则工作指示灯熄灭，转向下一个子节点；如果得到回复，则更新原先存储在汇聚节点的该子节点信息并保存，计数器加一，完成后向下一个节点发送读取信息，直到之前侦测得到所有节点全部询问到。当进入传输数据工作时，初始化USBUART功能模块，并打开全局中断。检测需要发送的数据个数，发送数据个数非空时，从读取区读取待发送的数据，并检测发送区是否空闲，当发送准备完毕后，开始

10、数据传输。汇聚节点工作流程如图9所示。    本系统充分利用CY8C24894可编程片上系统的高效性和低功耗性，并配合CyFi低功耗无线技术为静载试验的采集工作服务。不仅满足了静载检测的需求，也使得虚拟检测仪器的研究在无线化、小型化、高效化、低功耗、功能全面的方向有了新的设计思路。    经实际测试，汇聚节点与子节点的无线传输距离可达到20 m，传感器数据采集正常，并且能在预设的监控软件中实时显示。测试表明系统具有稳定性好、集成度高、功耗水平低等特点，具有广泛的市场应用前景。参考文献1  王波，杨永明,江金刚，等.基于PSoC的无线传感器网络节点设计J传感技术学报，2009,22(3):413-416.2  CypressCY