一种基于跳频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置的制作方法

本发明涉及一种应用电阻式应变片实现应变信息检测装置，尤其是一种利用无线跳频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置及其跳频扩频通信方法。

背景技术：

随着德国“工业4.0”和“中国制造2025”战略的相继提出，对制造业中的诸多机械设备的安全可靠性提出了更高要求。像输电线路铁塔、液压支架、大型龙门吊、大型铁索桥等基础设施关乎生产、民生大计，对其状态进行长期有效可靠地监测与处理对安全隐患的排查显得至关重要。现有对于机械设备的监测主要是将应变片贴附于待检测的部件表面，然后通过引线连接至应变仪，应变片与其内部电路构成应变电桥，根据应变片的电阻应变效应来测取检测点的应力变化。

在实际情况中，对各种设施设备进行应变监测存在如下问题，由于待检测部件的应力检测点数量庞大，通过引线的方式接入应变仪，需要进行复杂的接线工作；不同的应变测试场合，要求的应变灵敏度有所不同，应变仪需针对不用的应变测试场合设置复杂的电路来进行匹配，操作繁琐复杂；受制于应变仪的采样通道数量，应变检测点会大大减少。因此需要开发一种方便灵活的装置并寻求一种可靠的传输方法对检测点进行应变检测。

现有技术，“一种多通道微应变数据采集系统用无线交互单元”发明专利，公开了检测领域的一种多通道微应变数据采集系统用无线交互单元，其位于多通道微应变数据采集系统的各监测点上，包括模拟开关集成电路、ZigBee通信模块、RS232通信模块、用于GPRS远程通信的DTU模块和微处理器。该无线交互单元的无线通信方式有两种，这两种方式通过模拟开关集成电路进行切换。一种通过ZigBee通信模块进行近距离无线组网实现数据交互，另一种通过RS232和DTU模块以GPRS的方式与远程监测站进行远程数据交互。但是该多通道微应变数据采集系统，并不涉及应变采集电路，仅仅通过引入无线通信方式来实现应变数据的无线传输，并没有在无线传输的可靠性上进行详细叙述。

现有技术“微应变检测器无线传输模块” 发明专利，公开了一种微应变检测器无线传输模块，包括微应变检测器与接收模块，微应变检测器与接收模块是以蓝牙作为无线信号传输媒介，接收模块自动匹配不同感测单元的数据传输次序。但该发明所述的无线传输模块并没有详细说明其应变的采集电路以及在蓝牙无线传输受阻状态下的数据传输恢复能力。

现有技术“金属结构智能动态应变遥测装置” 发明专利，公开了一种金属结构智能动态应变遥测装置，其包括设置在起重机上的多个应变计和无线应变采集节点、无线参数采集节点和远程主机。该发明采用TDC技术实现应变信号的采集，无线应变采集节点和无线参数采集节点与远程主机是通过内置于无线节点中的GPRS/DTU模块来实现数据无线传输，利用了GPRS公网硬件。但是该发明所述的金属结构智能动态应变遥测装置采用TDC技术检测应变，检测灵敏度固定，应变检测实用范围较为局限，而且数据无线传输受制于GPRS公网硬件设施。

现有技术“一种应变采集电路系统及应变采集方法”发明专利，公开了一种应变采集电路系统及应变采集方法。该系统包括恒流源电路、桥路配置电路、硬件调平电路、放大调理电路和AD采集电路。该专利的主要创新点在于其硬件调平有效的零偏校正方法和桥路匹配电路的灵活性。该发明虽然具有桥路匹配的灵活特点，但是创新性还是局限于应变采集电路的设计上，并没有提出一种应变数据对外传输的有效方法。

上述现有技术中，无线应变传感装置在使用灵活性和无线传输可靠性上仍存在一定的不足之处。因此，需要开发一种应变检测电路灵活可调、无线通信稳定可靠的无线应变传感装置，使之不仅能够匹配不同类型的应变片，适用于不同灵敏度的应变检测场合，而且能够以一种可靠的无线传输方式实现应变数据的无线远距离传输。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种基于跳频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置，以解决针对不同的应变灵敏度检测场合所需的无线应变检测电路匹配问题。同时，采用无线跳频扩频的通信方式，一方面，增加了通信带宽，提高了其抗干扰能力和抗衰落、多径干扰能力，可使其应用于各种复杂环境；另一方面，根据无线通信载波监听的特点，建立通信握手机制，设置特殊的无线数据帧，提高无线通信的可靠性和稳定性，降低了无线发射模块的功耗。

本发明的目的是通过如下措施来达到。

一种基于跳频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置，包括锂电池输出电压转换及稳压电路、多种桥路选通电路、信号调理电路、CPU芯片及外围电路、无线发射模块电路；其特征在于：将所述锂电池输出电压转换及稳压电路、多种桥路选通电路、信号调理电路、CPU芯片及外围电路和无线发射模块电路集成于一体，构成跳频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置，用于检测受力物应变数据；

所述锂电池输出电压转换及稳压电路是用于所述无线应变传感装置中各模块电路的供电；

所述多种桥路选通电路是用于不同应变测量场合所需电桥桥路的选择和桥路零飘校调；

所述信号调理电路是用于检测到的微弱应变信号放大、滤波和跟随处理；

所述CPU芯片及外围电路是用于信号调理电路输出模拟信号的AD转换、数据高级处理以及和无线发射模块之间的通信连接；

所述无线发射模块电路是用于应变数据的无线调制和发射，与无线接收模块实现无线跳频扩频通信。

进一步的，上述装置的附加技术特征如下。

所述锂电池输出电压是12V，该电压经电压转换芯片BA033T和BA05T构成的电压转换电路，分别转换为3.3V和5V，并稳压输出，向各功能模块供电。

所述多种桥路选通电路，通过选拨两个拨码开关来实现包括半桥单臂电桥、半桥双臂电桥和全桥的选通，用于不同灵敏度要求的应变测量场合。

所述CPU芯片是片上系统级芯片C8051F020，无线发射模块的处理核心为挪威DORNIC公司的无线数传芯片nRF905；二者通过SPI通信方式进行数据传输和控制命令的读写，完成应变数据的转换和发送。

上述一种基于跳频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置，跳频扩频通信方法是应用于无线应变收发模块之间通信方法，所述通信方法如下：

所述无线应变收发模块是以C8051F020和nRf905无线收发芯片构成硬件支持，无线应变收发模块之间基于载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA协议，采用DATA/ACK两次握手机制进行无线通信，无线通信数据帧包括应变数据帧DATA和数据确认帧ACK；

所述应变数据帧和数据确认帧格式的特征在于：

DATA：目的地址+源地址+66H+data+time_d+ index_ch；

ACK：目的地址+源地址+77H+time_f+ index_ch；

其中，time_d表示无线接收模块接收DATA帧的处理时间，time_f表示预估等待时间，即发送模块在接收ACK后进入下次发送模式的睡眠时间，index_ch表示通信信道索引号；

所述无线收发芯片nRF905工作于433MHz频段，采用4个信道进行通信，分别为初始信道427MHz（0）和备用信道431MHz（1）、435MHz（2）、439MHz（3），其中0，1，2，3分别为信道索引号，无线收发模块上电后均工作于初始信道0，在通信失败或者受到干扰时则进行信道跳转。

进一步的，上述方法的附加技术特征如下。

所述无线通信的过程是无线发射模块在初始信道0侦听到信道空闲时，先向无线接收模块发送应变数据帧DATA，无线发射模块开始预设时间计时，同时进入接收状态；无线接收模块在初始信道0检测到同频信号后，将接收数据进行CRC校验，校验正确后提取并存储DATA帧中的应变数据data，然后开始转跳计时，同时发送数据确认帧ACK给无线发射模块；如果无线发射模块在预设时间time_p内接收到ACK帧，预设时间计时停止且清零，此时根据ACK中的预估等待时间time_f进入睡眠状态，等待时间到后自我唤醒进入发送状态；如果无线发射模块在预设时间time_p内没有接收到ACK帧，则再发送一次DATA帧，如果在time_p内仍未收到ACK帧，则按照信道0-3-1-2-0的规律转跳于备用信道；而无线接收模块在等待转跳时间time_j后仍未收到DATA帧，也按照信道0-3-1-2-0的规律转跳于备用信道，之后重复上述通信过程。

所述time_p> 2×time_d ，time_j=2×time_p+ time_d ，time_p< time_f < time_j。

实现上述本发明所提供的一种基于跳频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置，与现有技术相比，本发明实现了半桥单臂电桥、半桥双臂电桥、全桥的应变检测桥路的灵活切换，可以适应不同灵敏度的应变检测要求，简化了应变检测电路，缩小了硬件电路的体积，降低了功耗；本发明应用跳频扩频的无线通信方式，自适应完成数据在干扰或者多次通信失败后的跳频通信，增强了数据无线通信的抗扰性和可靠性，同时，带有时间约束的特有数据帧，大大降低了无线应变传感装置不必要的空闲信道侦听功耗。本发明为应变的无线检测提供了一种灵活可靠的方法，不仅缩小了传感装置体积，而且提高了无线应变检测的抗扰性和可靠性。

附图说明

图1是本发明无线应变传感装置的结构示意图。

图2是本发明锂电池电压转换及稳压电路。

图3是本发明多种桥路选通电路。

图4是本发明信号调理电路。

图5是本发明通信正常状态下的无线通信模式。

图6是本发明通信阻碍状态下的无线跳频通信模式。

具体实施方式

为了便于理解本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施方案仅用于解释本发明，并不用于对本发明进行限定。

实施上述本发明所提供的一种基于跳频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置，包括锂电池输出电压转换及稳压电路、多种桥路选通电路、信号调理电路、CPU芯片及外围电路及无线发射模块电路，其构成在于：将所述锂电池输出电压转换及稳压电路、多种桥路选通电路、信号调理电路、CPU芯片及外围电路和无线发射模块电路集成于一体，构成跳频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置，用于检测受力物应变数据。

其中的锂电池输出电压转换及稳压电路是用于所述无线应变传感装置中各模块电路的供电。

其中的多种桥路选通电路是用于不同应变测量场合所需电桥桥路的选择和桥路零飘校调。

其中的信号调理电路是用于检测到的微弱应变信号放大、滤波和跟随处理；

其中的CPU芯片及外围电路是用于信号调理电路输出模拟信号的AD转换、数据高级处理以及和无线发射模块之间的通信连接。

其中的无线发射模块电路是用于应变数据的无线调制和发射，与无线接收模块实现无线跳频扩频通信。

在上述实施方案中，锂电池的输出电压是12V，该电压经电压转换芯片BA033T和BA05T构成的电压转换电路，分别转换为3.3V和5V，并稳压输出，向各功能模块供电。

在上述实施方案中，多种桥路选通电路是通过选拨两个拨码开关来实现包括半桥单臂电桥、半桥双臂电桥和全桥的选通，用于不同灵敏度要求的应变测量场合。

在上述实施方案中，CPU芯片是片上系统级芯片C8051F020，无线发射模块的处理核心为挪威DORNIC公司的无线数传芯片nRF905；二者通过SPI通信方式进行数据传输和控制命令的读写，完成应变数据的转换和发送。

在上述实施方案中，一种基于跳频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置的跳频扩频通信方法，是应用于无线应变收发模块之间通信方法，所述通信方法如下：

该无线应变收发模块是以C8051F020和nRf905无线收发芯片构成硬件支持，无线应变收发模块之间基于载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA协议，采用DATA/ACK两次握手机制进行无线通信，无线通信数据帧包括应变数据帧DATA和数据确认帧ACK；

该应变数据帧和数据确认帧格式的特征在于：

DATA：目的地址+源地址+66H+data+time_d+ index_ch；

ACK：目的地址+源地址+77H+time_f+ index_ch；

其中，time_d表示无线接收模块接收DATA帧的处理时间，time_f表示预估等待时间，即发送模块在接收ACK后进入下次发送模式的睡眠时间，index_ch表示通信信道索引号；

该无线收发芯片nRF905工作于433MHz频段，采用4个信道进行通信，分别为初始信道427MHz（0）和备用信道431MHz（1）、435MHz（2）、439MHz（3），其中0，1，2，3分别为信道索引号，无线收发模块上电后均工作于初始信道0，在通信失败或者受到干扰时则进行信道跳转。

该跳频扩频通信的过程是无线发射模块在初始信道0侦听到信道空闲时，先向无线接收模块发送应变数据帧DATA，无线发射模块开始预设时间计时，同时进入接收状态；无线接收模块在初始信道0检测到同频信号后，将接收数据进行CRC校验，校验正确后提取并存储DATA帧中的应变数据data，然后开始转跳计时，同时发送数据确认帧ACK给无线发射模块；如果无线发射模块在预设时间time_p内接收到ACK帧，预设时间计时停止且清零，此时根据ACK中的预估等待时间time_f进入睡眠状态，等待时间到后自我唤醒进入发送状态；如果无线发射模块在预设时间time_p内没有接收到ACK帧，则再发送一次DATA帧，如果在time_p内仍未收到ACK帧，则按照信道0-3-1-2-0的规律转跳于备用信道；而无线接收模块在等待转跳时间time_j后仍未收到DATA帧，也按照信道0-3-1-2-0的规律转跳于备用信道，之后重复上述通信过程。

其中的time_p> 2×time_d ，time_j=2×time_p+ time_d ，time_p< time_f < time_j。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

如附图1所示，一种基于跳频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置，该装置包括锂电池输出电压转换及稳压电路、多种桥路选通电路、信号调理电路、CPU芯片及外围电路、无线发射模块电路，并集成于一体，构成无线应变传感装置。

如附图2所示，实施本发明所提供的一种锂电池输出电压转换及稳压电路是用于整个装置中各模块电路的供电，该电路包括12V稳压输出电路，该电压用于部分调理电路供电；12V转5V转换电路和稳压电路，稳压输出5V，该电压用于三种电桥的供电；12V转3.3V转换电路和稳压电路，稳压输出3.3V，该电压用于CPU和无线发射模块的供电。

如附图3所示，实施本发明所提供的一种多种桥路选通电路可用于不同的应变灵敏度检测场合，通过拨码开关S1和S2的开关简单切换实现半桥单臂电桥、半桥双臂电桥和全桥的切换；在桥路选好后，可通过平衡可调电阻实现应变片未受力状态下的零飘校调。

其中，多种桥路选通电路包括：6位拨码开关S1、S2，半桥单臂电桥、半桥双臂电桥和全桥，第一电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻，第一平衡可调电阻、第二平衡可调电阻、第三平衡可调电阻，工作补偿片，第一工作应变片，第二工作应变片，第三工作应变片，第四工作应变片，第五工作应变片，第六工作应变片，第七工作应变片。

拨码开关S1的1、2、3左侧引脚相连引出端子a， 4、5、6左侧引脚相连引出端子b， S1的1、4右侧相连引出端子c，2、5的右侧相连引出端子d，3、6的右侧相连引出端子e；ab端接入5V稳压输出，cd端接至半桥单臂电桥的供电端，ce端接至半桥双臂电桥的供电端，de端接至全桥的供电端。

拨码开关S2的1、2、3、4、5、6左侧各自引脚分别引出端子f、g、h、i、j、k，S2的1、3、5右侧引脚相连引出端子l，S2的2、4、6右侧引脚相连引出端子m，端子l、m接入调理电路。

S1的1、5开关拨至右侧，即可完成半桥单臂电桥的选通；S2的1、2开关拨至右侧，即可完成半桥单臂电桥与调理电路的连通，此时无线应变传感装置的应变检测灵敏度为U_s/4。

半桥单臂电桥左侧桥臂为350Ω的第一电阻和第二电阻，右侧桥臂分别为350Ω的工作应变片和补偿应变片，工作应变片贴附于被测物件表面，补偿应变片贴附于与被测物件同材料的补偿块表面。第一电阻和第二电阻公共端连接至S2的端子g，同时与第一平衡可调电阻可调端相连，第一平衡可调电阻固定端分别连接至cd端，第一电阻和第一工作应变片公共端连接至端子c，第一工作应变片与工作补偿片公共端连接至端子f，第二电阻和补偿应变片公共端连接至端子d。

S1的1、6开关拨至右侧，即可完成半桥双臂电桥的选通；S2的3、4开关拨至右侧，即可完成半桥双臂电桥与调理电路的连通，此时无线应变传感装置的应变检测灵敏度为U_s/2，灵敏度为半桥单臂电桥的2倍。

半桥双臂电桥左侧桥臂为350Ω的第三电阻和第四电阻，右侧桥臂分别为350Ω的第二工作应变片和第三工作应变片，第二、第三工作应变片贴附于被测物件表面相同位置。第三电阻和第四电阻公共端连接至S2的端子i，同时与第二平衡可调电阻可调端相连，第二平衡可调电阻固定端分别连接至ce端，第三电阻和第二工作应变片公共端连接至端子c，第二、第三工作应变片公共端连接至端子h，第四电阻和第三工作应变片公共端连接至端子e。

S1的3、5开关拨至右侧，即可完成全桥电桥的选通；S2的3、4开关拨至右侧，即可完成全桥与调理电路的连通，此时无线应变传感装置的应变检测灵敏度为U_s，灵敏度为半桥单臂电桥的4倍。

全桥各桥臂为350Ω的第四、第五、第六、第七工作应变片，均贴附于被测物件表面相同位置。第六、第七工作应变片公共端连接至S2的端子k，同时与第三平衡可调电阻可调端相连，第三平衡可调电阻固定端分别连接至de端，第四、第七工作应变片公共端连接至端子d，第四、第五工作应变片公共端连接至端子j，第五、第六工作应变片公共端连接至端子e。

如附图4所示，实施本发明所提供的一种信号调理电路用于应变片检测的微弱应变信号的放大、滤波和跟随处理。调理电路的放大增益为75倍，滤波通频带截止频率为50Hz。

其中，AD620构成的一级差分放大电路，该电路的放大增益取决于增益电阻R₆，该电路的输入端各加入了一阶RC滤波电路，滤波通带截止频率为50Hz。

OP07构成的是1.5倍增益的二阶低通滤波电路，电路增益由R4和R3决定，低通滤波截止频率由R7、R8、C2、C3决定。滤波电路的输出直接连接LM358构成的电压跟随电路，起隔离缓冲作用，并提高其带载能力。电压跟随电路的输出直接连接CPU的模拟量采集引脚。

所述CPU为片上系统级芯片C8051F020，CPU芯片及其外围电路用于信号调理电路输出模拟信号的AD转换、电压数字量到应变数字量的转换以及CPU与无线发射模块之间的通信连接。经过CPU处理后，反应应变的电压模拟量信号转换为对应的应变数字量，通过SPI通信将应变数字量发送给无线发射模块，最终经无线发射模块核心nRF905调制后通过天线以中心频率为433MHz的电磁波将信号发射出去。

上述基于跳频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置的跳频扩频通信方法如下：

设置无线发射模块和接收模块工作于初始信道0；

无线发射模块先通过侦听空闲信道后，发射应变数据帧DATA，然后进行预设时间计时，同时进入无线接收状态；

无线接收模块在初始信道0检测到同频信号后，将接收数据进行CRC校验，校验正确后提取并存储DATA帧中的应变数据data，然后进入转跳计时，同时发送数据确认帧ACK给无线发射模块；

如果无线发射模块在预设时间time_p内接收到ACK帧，预设时间清零，此时根据ACK中的预估等待时间time_f进入睡眠状态，等待时间到后自我唤醒；

如果无线发射模块在预设时间time_p内没有接收到ACK帧，则再发送一次DATA帧，如果在time_p内仍未收到ACK帧，则按照信道0-3-1-2-0的规律转跳于备用信道；

而无线接收模块在等待转跳时间time_j后仍未收到DATA帧，也按照信道0-3-1-2-0的规律转跳于备用信道，之后重复上述通信过程。

以下基于附图举一个具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

附图1所示为本发明实施例桥路可调式无线应变传感装置结构示意图，该装置包括：锂电池输出电压转换及稳压电路、多种桥路选通电路、信号调理电路、CPU芯片及外围电路、无线发射模块电路。

其中，锂电池输出电压转换及稳压电路，提供该装置电路中所需的数字电压12V、5V、3.3V，模拟电压3.3V；多种桥路选通电路中的第一、二、三、四电阻为350Ω的精密电阻，三种桥路外接的工作应变片和补偿应变片的应变电阻为350Ω；平衡可调电阻的电阻范围0-10kΩ；调理电路中增益电阻R₆设置为1kΩ，差分放大电路的放大增益为50倍；二阶低通滤波电路中R4为20 kΩ，R3为10 kΩ时，放大增益为1.5倍，当R7为7.87 kΩ、R8为14.7 kΩ、C2为0.47μF、C3为0.22μF时，低通滤波截止频率为50Hz。所以整个调理电路的放大增益为75倍，低通滤波截止频率为50Hz。

如附图3所示，当拨码开关S1的1、5开关拨至右侧，即可完成半桥单臂电桥的选通，S2的1、2开关拨至右侧，即可完成半桥单臂电桥与调理电路的连通，这样半桥单臂应变电桥就与调理电路、CPU以及无线发射模块构成应变的无线检测电路，此时无线应变传感装置的应变检测灵敏度为U_s/4。其中，半桥单臂电桥中外接的工作应变片贴附于被测物件表面，而外接的补偿工作片贴附于和被测物件相同材料的补偿块表面。

在初始上电后，先通过调节平衡可调电阻，在无线接收端进行应变的调零校准，以消除零飘造成的误差。

待校准完后重新上电，如附图5所示，无线应变传感装置先工作于初始信道0，与无线接收模块以应变数据帧DATA和数据确认帧ACK进行无线数据交互；所图6所示，当通信交互失败或者受到同频信号的干扰时，无线应变传感装置和无线接收模块根据对应的时序以信道0-3-1-2-0的转跳规律进行跳频扩频通信。

综上所述技术方案的实施，其特点在于本发明提出了一种桥路可调式无线应变传感装置和无线跳频扩频通信方法，一方面，实现了半桥单臂电桥、半桥双臂电桥、全桥的应变桥路的灵活切换，可以适应不同灵敏度的应变检测要求，简化了应变检测电路，缩小了硬件电路的体积，降低了功耗；另一方面，跳频扩频的无线通信方式，自适应完成数据在干扰或者多次通信失败后的跳频通信，增强了数据无线通信的抗扰性，同时，带有时间约束的特有数据帧，大大降低了无线应变传感装置不必要的空闲信道侦听功耗。本发明为应变的无线检测提供了一种灵活可靠的方法，不仅缩小了传感装置体积，而且提高了无线应变检测的可靠性和灵活性。