摘 要: 闡述了一種采用無線傳輸方式的振動數據采集和檢測方法。通過飛思卡爾公司的MC13192芯片來現振動數據的無線傳輸，在檢測端使用加速度傳感器芯片MMA61612Q來獲得振動信號并完成模數轉換，其精度可達0.01 m/s2，在接收端運用遠程可視化界面來接收采集到的數據。測試結果表明，系統能及時準確地采集振動信號，數據傳輸距離遠，遠程端監視效果好。
關鍵詞： 振動檢測；無線數據通信；加速度傳感器；MC13192
傳統的振動測量系統是將傳感器鋪設在測量點，然后利用電纜線連接傳感器和信號采集部分。這樣，振動信號完全在電纜中傳輸。但是在一些如橋梁、輸油氣管線、隧道等復雜的條件下，使用傳統的有線的方法，不僅布設工作十分繁瑣，而且還會占用大量的人力、物力。因此，本文選取了一對Freescale公司的MC13192無線數據傳輸模塊來取代傳統的電纜線，實現了遠程振動數據的傳輸，并在接收端開發其上位機軟件，實現無線振動數據的采集與檢測[1]。
1 系統原理
系統原理框圖如圖1所示。系統主要由系統控制模塊、振動檢測模塊、報警模塊、無線數據發射接收模塊[2]等幾部分組成。
其中，系統控制模塊主要用于計算和分析信號的強度、模式和對報警及顯示模塊的控制等。在本系統中，采用Freescale公司的MC9S08GT60[3]作為振動檢測的控制器。它具有4 KB的閃存，60 KB的大容量在線Flash編程，含有16通道10位數模轉換，56個I/O接口，32個中斷源。振動檢測模塊[4]采用加速度傳感器芯片MMA6261Q，該芯片集成表面微機械結構，其G-Cell電容會受地震塊的力作用而發生改變。報警模塊采用單片機控制。通過RS232將數據直接保存在計算機上，通過串口通信的方式將數據導出到電腦中。無線數據發射接收模塊采用Freescale公司提供的符合IEEE802.15.4標準的帶數據調制解調器的射頻收發芯片。其工作頻率為2.405 GHz～2.480 GHz，該頻帶劃分為16個信道，每個信道占用5 MHz的帶寬。采用直接序列擴頻的通信技術，數據傳輸速率為250 kb/s。
在測量的過程中，系統在電腦上進行采樣顯示，直觀反映振動的各種數據量。然后將數據進行匯總，通過程序將其繪制成曲線來反映出數據量的變化。
2 振動檢測電路的設計
振動檢測主要采用MMA1260D，由PTB0、PTB1和PTB7接收來自X、Y、Z三個方向的加速度的值，將PTC5和PTG1作為輸出的控制信號，可以分別實現對振動信號的采集。它主要有以下幾個特性：能對信號進行積分補償；標準的線性輸出；含有2階貝塞爾濾波器；自校準及自動檢測功能；自動校驗數據，保證數據的準確性；傳感器具有很高的可靠性和穩定性，能承受高強度的振動。
3 軟件設計
系統檢測和處理部分主要由數據檢測、數據發送以及數據接收和處理等幾個子程序組成。系統采用Freescale公司提供的軟件Codewarrior進行程序的編寫。
3.1 主程序設計
主程序流程圖如圖2所示。
由表1可見，本系統對于振動測量的精度很高，基本上達到了0.001 g=0.098 m/s2，誤差不超過3.3% 。
本系統采用Freescale公司的無線傳輸芯片MC13192和振動檢測芯片MMA61612Q來實現無線振動數據的檢測和傳輸。振動數據的遠距離傳輸和良好的可視化界面使得系統使用起來更為直觀方便。經過實際測試表明，本系統能及時準確地采集振動信號，遠程端監視效果良好，采集的數據精度高、線形度好，其低功耗設計使得本系統具有廣泛的應用領域。
參考文獻
[1] 孫志遠,楊學山,馬樹林.三通道無線振動數據采集系統[J].地震工程與工程振動,2004,24(05):171-176.
[2] 李朝青.無線發送/接收IC芯片及其數據通信技術選編[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.
[3] Freescale.MC9S08GT60 Data Sheet V2.1.
[4] 楊學山.工程振動測量儀器和測試技術[M].北京:中國計量出版社,2001.
[5] Freescale.MC13192.PDF Document Number:MC13192,Rev.2.8,04/2005.
主程序首先對硬件電路進行初始化和檢測。先對MCU進行初始化，設置無線發射接收模塊的頻率，方便其通信，然后再對MC13192[5]進行初始化，設定天線發射、接收環境的初值和數據包格式等。初始化完畢后，進入狀態檢測、振動檢測以及數據的處理、發送、接收和傳送等子程序。通過電腦上的上位機軟件可將所接收的數據實時顯示并保存下來，至此完成了整個系統的運行過程。
3.2 數據發射、接收及報警子程序的設計
數據發射子程序將A/D轉換的值和上一次的計數值進行比較，如果數值在上次數據基礎上左右偏移小于5這個范圍之內，則程序將其寫入DATABUFFER中，進行發送。否則將其忽略，并轉向下一個坐標值。然后進行循環，讀取和發送下一個坐標的數據。
數據接收子程序首先檢測接收狀態，如圖3所示，只有RECEIVE_ALWAYS_ON狀態時，才進行數據的接收，否則就進入低功耗狀態。如果為其他狀態，則默認為RECEIVE_ALWAYS_ON狀態，然后進入檢測狀態。MC13192接收到數據后，將其存入RAM區，再通過SPI將數據傳送到MCU，然后由MCU將數據發送到PC機的緩沖區中。
報警子程序將每次A/D轉換的值與設置的閾值進行比較，當其超過閾值時，便會點亮LED，以示報警。設定振動閾值和范圍可以減輕系統的功耗。
4 系統測試
完成了主要的電路設計、PCB布線和電路焊接后，便可以進行測試。經過測試可以得到在X、Y、Z方向上所產生的加速度的值，這些值經過描點法繪圖后，得到物體振動的曲線如圖4所示。其中曲線2代表X軸方向上所產生的振動加速度，曲線3代表Y軸方向上振動加速度的變化，曲線1代表Z軸方向上振動加速度的變化。當沒有振動產生的時候，X、Y、Z軸呈直線狀態。某一方向上的振動比較激烈的時候，其振動加速度的振幅變大，頻率也變大。從圖中就可以定性地反映出物體在3個方向上的振動情況。
無線數據接收發射測試數值如表1所示。其中，數據傳送最大距離為100 m。
