专利名称：电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及振动测试和无线数据传输技术领域，确切地说涉及一种采用电池供电，并基于USB2. 0与主机通讯的，可远程实时无线遥测振动信号的同步采集系统。
背景技术：
振动是广泛存在于自然界和人类社会生活的一种动态物理现象，是我们观察到的
某一平衡位置上的往复运动。许多情况下，机械振动会造成危害，它影响精密仪表设备的功
能、降低加工零件的精度和表面质量，也加剧了构件的疲劳破坏和磨损，导致构件损坏造成
事故。在工程上，振动测量可以确定振动的加速度、速度和位移等数据，为工程设计、故障检
测与预防提供依据。在实际的结构件振动测量中需要测量很多点数据，因此要满足多通道
数据采集。振动测量使用的传感器也有很多种类，就测量种类之分有加速度传感器，速度传
感器和位移传感器；就传感器输出信号类型有电压型和电荷型，相应的采集系统要具备不
同的前端信号处理装置来匹配不同类型的传感器。如电荷输出型传感器，在使用时需要配
备电荷放大器使用，目前市面上的多通道电荷放大器大多体积较大，价格昂贵；多通道的数
据采集系统大多是单一的电压输入型，很少具备电荷型传感器输入接口。 传统的数据测量采用有线传输方式，数据采集现场布线复杂，每次采集都要提前
进行安装调试，工作量大，并且有些需要检测的建筑与设备经常处于相当偏僻的地方，甚至
在气候和地理环境相当恶劣的位置或者被测点位置比较分散，专业人员进行各类定期检测
相当困难，而在对一些建筑、桥梁进行振动测量时经常会遇到这些问题，这就要求数据采集
系统能够远程和实时无线遥测，并能保证长期稳定工作。目前无线数据传输技术发展比较
成熟，有很多种方式实现，其中有CDMA、 GSM、 GPRS、 GPS、无线LAN网、蓝牙技术等，但这些技
术用于小范围数据传输都具有局限性，如距离限制、受应用场合屏蔽或需要运营商的网络
支持等，因而很多场合不能使用上述通讯技术。 总之，目前的振动数据采集系统大多采用有线传输方式，接线繁琐，整个系统体积庞大，人为故障率高，系统稳定性和精确性难以保证，并且功耗大；或采用的无线采集系统有很大局限，配接传感器类型单一，致使前端信号处理功能单一，成本较高，不易扩展，致使灵活性、通用性大大降低。

实用新型内容为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种应用于振动测试和无线数据传输技
术领域，由电池供电，功耗低并能无线传输多通道振动数据的同步采集系统，采用本系统能
实现对振动数据的无线遥测，尤其适用于气候和地理环境相当恶劣或者被测点比较分散的
位置中，人为故障率低，系统稳定性和精确性有保证；并且能满足不同传感器类型需要，前
端信号处理功能多样，灵活性、通用性都比较强。 本实用新型是通过采用下述技术方案实现的 —种电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统，其特征在于包括对采集的信号进行预处理并发射的数据采集发射模块和接收各采集点数据信号的数据接收处理模块，所述数据采集发射模块包括对传感器信号进行放大、调零和滤波处理的传感器信号调理单元，与所述传感器信号调理单元连接并对调理过的模拟信号进行模数转换和数据存储的数据采集处理单元，与所述数据采集处理单元连接并发送所存储数据的无线数据发射单元，和提供电源的电池电源管理单元；所述数据接收处理模块包括无线接收所述无线数据发射单元所发送数据信号的无线数据接收单元和控制所述无线数据接收单元工作并将接收到的数据传送到计算机中的高速USB通讯单元。 系统采用一主多从分布式系统结构，即所述数据采集发射模块为多个，数据接收处理模块为1个。 所述传感器信号调理单元包括电荷放大器部分，仪表放大器部分，信号切换开关部分，程控放大器部分，调零部分和程控低通滤波器部分，传感器信号根据自身是电荷输出型或电压输出型的类别分别输入至电荷放大器部分或仪表放大器部分，程控放大器部分控制所述信号切换开关部分切换选择其中一种类别的信号进入所述程控放大器部分，调零部分在零输入状态下对传感器零点进行修正，信号经放大调零后输入至程控滤波器部分处理。 所述数据采集处理单元包括一个16位的ADC和单片机壹，经程控放大和滤波预处理后的信号转化为所述ADC输入量允许的信号进入数据采集处理单元，单片机壹读取所述ADC转换数据并将转换后的数据储存在单片机的存储器中，经单片机上的SPI接口输送到所述无线数据发射单元。 所述电池电源管理单元包括外接电池和将所述外接电池的电压转换为适合正常工作的电压变换器。 所述高速USB通讯单元所述数据通讯模块，至少由集成USB2. 0的控制器的单片机贰组成，单片机贰控制所述无线数据接收单元的工作并将接收得到的数据通过USB通信线传送到计算机。以便对得到的数据进行进一步分析和处理，与以往采用RS232总线通信的采集系统相比，使用USB总线传输可以获得更快的速度。 所述无线数据发射单元和无线数据接收单元为嵌入式无线射频模块，工作在430，868或915Mhz ISM频段。同时具有收发两种功能，可以实现数据的双向传输，内置完整的通信协议和CRC纠错，自动完成数据打包(加前导码和CRC校验)，只需通过SPI接口即可完成对数据的无线收发传输，满足系统要求的点对多点通信，无线数据接收单元采用"点名"的方式对各通道数据进行接收。无线数据发射单元和无线数据接收单元的工作分别受数据采集处理单元中单片机壹和高速USB通讯单元中的单片机贰控制，发送和接收所需的工作参数和数据均通过SPI接口由单片机提供。 所述程控放大器部分的放大倍数为0. 5、 1 、2、4、8、 10、20、40共8种。[0015] 所述程控低通滤波器部分是由实现截止频率为1HZ-3KHZ的低通滤波的程控低通开关电容滤波器组成。32通道全部使用时，采样率最快可以达到0.2K，若只使用一个通道最快可达到6. 4K。 信号切换开关部分是单刀双掷的继电器。[0017] 与现有技术相比本实用新型的优点表现在 1、由于本实用新型采用"包括对采集的信号进行预处理并发射的数据采集发射模块和接收各采集点数据信号的数据接收处理模块"这样的技术方案，数据采集发射模块和
数据接收处理模块之间经无线方式通讯，由于采用无线传输方式，解决了有线传输方式布
线繁琐，安装维护不方便等缺点，实现了对振动数据的无线遥测，同时不必受被测位置地理
环境，气候条件等影响，满足野外振动试验的要求，人为故障率低，系统稳定性和精确性有
保证；并且采用电池电源管理单元为整个系统提供电源，功耗低，可以长时间稳定工作，适
合于不通电的偏僻及野外无人值守环境下工作；同时传感器信号调理单元、数据采集处理
单元、无线数据发射单元，和电池电源管理单元均集成在数据采集发射模块中，而无线数据
接收单元和高速USB通讯单元集成在数据接收处理模块中，因此整体体积轻巧，便于携带
和安装，符合便携小型化仪器仪表的要求。除此之外，本方案还具有程控功能，信号切换开
关部分能满足不同传感器类型需要，即可采用电荷输出型传感器，也可采用电压输出型传
感器，灵活性、通用性都比较强。单片机贰控制所述无线数据接收单元的工作并将接收得到
的数据通过USB通信线传送到计算机，以便对得到的数据进行进一步分析和处理，与以往
采用RS232总线通信的采集系统相比，使用USB总线传输可以获得更快的速度。 2、系统集成度高，将电荷放大器部分，仪表放大器部分，程控放大器部分，程控低
通滤波器部分以及模数转换部分和无线发射部分集成在一起，做成一个体积轻巧的模块，
完成数据采集和无线发射功能，便于携带和安装，符合便携小型化仪器仪表的要求。 智能化程度高，将嵌入式技术和计算机软件技术应用到本系统，可以在计算机上
通过配套的软件系统设置各通道的信号放大倍数，滤波截止频率，同时可以实时显示，存储
并分析各个采集通道的数据，得出振动测试需要的参数。 精确度高，在计算机的控制下，按照设定参数运行，不需要人工干预，提高了测量的准确性；系统采用的高精度的ADC，程控低通滤波器，程控放大器从硬件上提高了系统的整体测量精度。 测量动态范围广，由于调零部分可以对传感器的零点进行补偿，程控放大器可以对测量信号的动态部分做进一步的放大，相对固定增益的放大器，可以扩大测试的动态范围，实现更为精确的测量。 高可靠性，本系统使用的器件大多采用高集成度可编程器件，简化了硬件电路的设计调试工作，同时使用无线传输方式，减去了测试布线的繁琐工作，不受地理环境气候条件影响，提高了可靠性。 易扩展性，根据试验测量信号的需求，可以任意扩展采集通道数，即增加一个远端数据采集发射模块。 低功耗性，系统中选用的器件都有低功耗器件，可编程器件在不工作时将进入休眠状态，在需要工作时唤醒，因此有效节省了系统功耗，整个系统功耗低，可以长时间稳定工作，适合野外无人值守环境下工作。 另外系统配套软件还具有较高的通用性，兼容性，容错性和可维护性，用户只要对软件稍加改动就可以就可增加本系统的功能，为以后的扩展留有较大的平台。系统不仅可以应用在振动测试领域，还可以通过匹配其它类型的传感器应用于其它测试领域，如压力测量，位移测量，温度测量，湿度测量，具备一机多用的功能。
下面将结合说明书附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步的详细说明，其中 图1本实用新型整体结构示意图[0029] 图2传感器信号调理单元结构框图
具体实施方式
[0030] 实施例1 参照说明书附图1和2，本实用新型公开了一种电池供电的无线多通道振动数据
同步采集系统，其特征在于包括对采集的信号进行预处理并发射的数据采集发射模块7
和接收各采集点数据信号的数据接收处理模块8，所述数据采集发射模块7包括对传感器
信号进行放大、调零和滤波处理的传感器信号调理单元l，与所述传感器信号调理单元1连
接并对调理过的模拟信号进行模数转换和数据存储的数据采集处理单元2，与所述数据采
集处理单元2连接并发送所存储数据的无线数据发射单元3，和提供电源的电池电源管理
单元4 ;所述数据接收处理模块8包括无线接收所述无线数据发射单元3所发送数据信号
的无线数据接收单元5和控制所述无线数据接收单元5工作并将接收到的数据传送到计算
机9中的高速USB通讯单元6。所述数据采集发射模块7为多个，数据接收处理模块8为1个。 实施例2 本实用新型一较佳实施方式，在实施例1的基础上所述传感器信号调理单元1包括电荷放大器部分，仪表放大器部分，信号切换开关部分，程控放大器部分，调零部分和程控低通滤波器部分，传感器信号根据自身是电荷输出型或电压输出型的类别分别输入至电荷放大器部分或仪表放大器部分，程控放大器部分控制所述信号切换开关部分切换选择其中一种类别的信号进入所述程控放大器部分，调零部分在零输入状态下对传感器零点进行修正，信号经放大调零后输入至程控滤波器部分处理。所述数据采集处理单元2包括一个16位的ADC和单片机壹，经程控放大和滤波预处理后的信号转化为所述ADC输入量允许的信号进入数据采集处理单元2，单片机壹读取所述ADC转换数据并将转换后的数据储存在单片机的存储器中，经单片机上的SPI接口输送到所述无线数据发射单元3。所述电池电源管理单元4包括外接电池和将所述外接电池的电压转换为适合正常工作的电压变换器。所述高速USB通讯单元6所述数据通讯模块，至少由集成USB2. 0的控制器的单片机贰组成，单片机贰控制所述无线数据接收单元5的工作并将接收得到的数据通过USB通信线传送到计算机9。以便对得到的数据进行进一步分析和处理，与以往采用RS232总线通信的采集系统相比，使用USB总线传输可以获得更快的速度。所述无线数据发射单元3和无线数据接收单元5为嵌入式无线射频模块，工作在430， 868或915MhzISM频段。同时具有收发两种功能，可以实现数据的双向传输，内置完整的通信协议和CRC纠错，自动完成数据打包(加前导码和CRC校验)，只需通过SPI接口即可完成对数据的无线收发传输，满足系统要求的点对多点通信，无线数据接收单元5采用"点名"的方式对各通道数据进行接收。无线数据发射单元3和无线数据接收单元5的工作分别受数据采集处理单元2中单片机壹和高速USB通讯单元6中的单片机贰控制，发送和接收所需的工作参数和数据均通过SPI接口由单片机提供。所述程控放大器部分的放大倍数为0.5、1、2、4、8、10、20、40共8种。所述程控低通滤波器部分是由实现截止频率为1HZ-3KHZ的低通滤波的程控低通开关电容滤波器组成。32通道全部使用时，采样率最快可以达到0. 2K，若只使用一个通道采样率最快可达到6.4K。信号切换开关部分是单刀双掷的继电器。[0034] 实施例3 本实用新型的最佳实施方式如下 参见图l所示，本实用新型包括数据采集发射模块7和数据接收处理模块8。数据采集发射模块7安装在各被测点，从传感器输出的电荷型信号或电压信号进入传感器信号调理单元1，经程控放大和滤波预处理后将信号转化为ADC输入量程允许的信号，进入数据采集处理单元2， A/D转换器将输入的模拟信号转化为数字信号，单片机壹读取ADC的转换数据，并通过SPI接口送到无线数据发射单元3，在当前模块被选中时，无线数据发射单元3将数据通过无线射频网络将数据发送出去。无线数据发射单元3工作结束时处于休眠状态，实现低功耗。数据接收处理模块8中无线数据接收单元5负责接收来自数据采集发射模块7的数据包，由于实际应用中不止一个发射模块，因此接收单元在接收时采用"点名"机制来选择对应不同通道的不同频段的信号，接收到的数据存入高速USB通讯单元6中单片机贰的FIFO中，然后通过单片机贰的USB接口与计算机9连接，将数据传输至计算机9中进行分析和处理。在计算机9上通过配套软件可以对系统的工作参数进行设定，配置的工作参数通过无线网络发送到各测点的采集发射模块，控制其工作。 参见图2所示，为传感器信号调理单元1的结构框图，电荷放大器对应的是电荷
输出型的传感器，仪表放大器对应的电压输出型传感器，而后经过一个单刀双掷的继电器
选择两部分信号之一进入后面的程控放大滤波和调零部分处理后进入ADC(16Bit)进行转
换。这几部分的控制由单片机壹控制。 32通道实时同步采集模式的配置流程 1.在计算机9的软件上设置32个通道相应的配置参数，并通过USB通讯单元和无线数据接收单元5发送至数据采集发射模块7。每个通道对应唯一的地址编码，采用8位二进制编码来区分地址，如00000001对应通道1， 00000010对应通道2,00000011对应通道3，以此类推00100000对应通道32，其中00000000表示各个通道ADC启动命令，即当每个通道都接收到此地址时都开始启动ADC。无线数据接收单元5单次发送数据的顺序为地址编码+配置参数译码，发送完毕后等待相应通道发回的确认信号，如超过50ms还未收到确认信号即重发，如此超过5次即向计算机9发回错误指示，需要人为检查通道的工作状况。每个通道均采用此方式依次传输直至32通道配置完成。 2.所述配置参数包括采集通道号，放大倍数，滤波截止频率，采样率。采集通道号表示需要进行采集的通道在系统中的物理标号；信号类型表示前端配接传感器的类型，分为电荷型和电压型两种；信号放大倍数有0.5、1、2、4、8、10、20、40共8种；滤波截止频率可以从1HZ 3KHZ实现无级调节；32通道全部使用时，采样率最快可以达到0. 2K，若只使用一个通道最快可达到6. 4K。 3.数据采集发射模块7由无线数据接收单元5接收到配置数据，数据采集处理单元2中的单片机壹对配置参数译码。放大倍数由三根控制线，单片机壹根据具体的放大倍数译码输出电平即可实现对程控仪表放大器的控制，三根控制线的二进制编码对应的放大倍数关系为(000-0. 5 ;OOH ;010-2 ;011-4 ;100-8 ;101-10 ;110-20 ;111-40);滤波器的截
止频率是由单片机壹控制io输出的脉冲频率决定，根据具体的频率通过定时器中断的方式在io上输出既定频率的方波即可实现控制。调零就是是否需要通过调零部分对信号进行补偿，系统自动完成，其原理是，单片机壹通过软件启动AD转换，根据采样值和设定的零点计算出误差值，再根据放大倍数计算出DAC的控制数据，输出既定的补偿电压，接着再启动AD转换，根据采样值和零点值进行比较，若大于零点值调小DAC输出的补偿电压一个分辨位，相反则增加一个分辨位的补偿电压，如此反复循环，直到采样值与零点值的差在允许的范围之内。 32通道实时同步采集模式的采集流程 1.在完成对32通道的配置后，在计算机9软件上点击开始采集按钮，计算机9将启动命令通过USB电缆传输至高速USB通讯单元6，单片机威通过定时器按照设定采样频率定时通过无线接收单元发送ADC启动命令。无线数据接收单元5将启动命令(地址为00000000)发射出去，此时各个通道都会同时接收到此地址位，进而同时启动ADC，实现同步触发。 2.在同步触发完毕之后，单片机贰开始控制无线接收单元读取通道的1的转换数据，无线接收单元先发送通道1的地址和读取命令指示，通道1的数据发射单元在接收到命令后将本次ADC转换数据发射出去，单片机贰检测到无线接收单元接收到新数据后把数据读取放置在内部FIFO中，通过这种点名的方式依次读取所有32个通道的数据。这就是一个采样点的采集过程。如此类推采集N个点。 3.计算机9上的软件定时读取单片机贰上接收的数据，单片机贰会将这些数据打包通过USB2. 0接口发送至计算机9，实现数据的实时传输，这就是一次完整的采集过程。依照上面的过程循环进行采集就可以完成数据的无线实时采集。 本实用新型不限于上述实施例，根据上述实施例的描述，本领域的普通技术人员还可对上述实施例进行任意组合和显而易见的改变，但这并不脱离本实用新型权利要求的保护范围。
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权利要求一种电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统，其特征在于包括对采集的信号进行预处理并发射的数据采集发射模块(7)和接收各采集点数据信号的数据接收处理模块(8)，所述数据采集发射模块(7)包括对传感器信号进行放大、调零和滤波处理的传感器信号调理单元(1)，与所述传感器信号调理单元(1)连接并对调理过的模拟信号进行模数转换和数据存储的数据采集处理单元(2)，与所述数据采集处理单元(2)连接并发送所存储数据的无线数据发射单元(3)，和提供电源的电池电源管理单元(4)；所述数据接收处理模块(8)包括无线接收所述无线数据发射单元(3)所发送数据信号的无线数据接收单元(5)和控制所述无线数据接收单元(5)工作并将接收到的数据传送到计算机(9)中的高速USB通讯单元(6)。
2. 根据权利要求1所述的电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统，其特征在 于所述数据采集发射模块(7)为多个，数据接收处理模块(8)为1个。
3. 根据权利要求1或2所述的电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统，其特 征在于所述传感器信号调理单元(1)包括电荷放大器部分，仪表放大器部分，信号切换开 关部分，程控放大器部分，调零部分和程控低通滤波器部分，传感器信号根据自身是电荷输 出型或电压输出型的类别分别输入至电荷放大器部分或仪表放大器部分，程控放大器部分 控制所述信号切换开关部分切换选择其中一种类别的信号进入所述程控放大器部分，调零 部分在零输入状态下对传感器零点进行修正，信号经放大调零后输入至程控滤波器部分处 理。
4. 根据权利要求1或2所述的电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统，其特征 在于所述数据采集处理单元(2)包括一个16位的ADC和单片机壹，经程控放大和滤波预 处理后的信号转化为所述ADC输入量允许的信号进入数据采集处理单元(2)，单片机壹读 取所述ADC转换数据并将转换后的数据储存在单片机的存储器中，经单片机上的SPI接口 输送到所述无线数据发射单元(3)。
5. 根据权利要求1或2所述的电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统，其特征 在于所述电池电源管理单元(4)包括外接电池和将所述外接电池的电压转换为适合正常 工作的电压变换器。
6. 根据权利要求1或2所述的电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统，其特征 在于所述高速USB通讯单元(6)所述数据通讯模块，至少由集成USB2.0的控制器的单片 机贰组成，单片机贰控制所述无线数据接收单元(5)的工作并将接收得到的数据通过USB 通信线传送到计算机(9)。
7. 根据权利要求1或2所述的电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统，其特征 在于所述无线数据发射单元(3)和无线数据接收单元(5)为嵌入式无线射频模块，工作在 430 ， 868或915Mhz ISM频段。
8. 根据权利要求3所述的电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统，其特征在 于所述程控放大器部分的放大倍数为0. 5 、 1 、 2 、 4、 8 、 10 、 20 、 40共8种。
9. 根据权利要求3所述的电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统，其特征在 于所述程控低通滤波器部分是由实现截止频率为1HZ-3KHZ的低通滤波的程控低通开关 电容滤波器组成。
10. 根据权利要求3所述的电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统，其特征在于信号切换开关部分是单刀双掷的继电器。
专利摘要本实用新型公开了一种电池供电的无线多通道振动数据同步采集系统，涉及振动测试和无线数据传输技术领域，系统采用一主多从分布式系统结构，包括数据采集发射模块和数据接收处理模块。数据采集发射模块和数据接收处理模块之间经无线方式通讯，由于采用无线传输方式，解决了有线传输方式布线繁琐，安装维护不方便等缺点，同时不必受被测位置地理环境，气候条件等影响，满足野外振动试验的要求；系统采用低功耗的设计，由电池供电，满足功耗要求，可以长时间稳定工作。各个采集发射模块相互独立，通过改变不同的配置参数可以配种多种传感器，结构简单，组合方便，通用性强。
文档编号G01D21/02GK201465279SQ20092008149
公开日2010年5月12日 申请日期2009年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者李晋川, 樊瑜波, 王汝恒, 邹远文, 陈国平, 黄学进 申请人:西南科技大学;四川大学