无线振动传感器网络节点设计.pdf

2011年
假表故木与传惑器
第10期
Instrument Technique and Sensor
No.10
无线振动传感器网络节点设计
李剑,姚金杰
(中北大学电子測试技术国家重点实验室,山西太原030051
摘要:介绍了一种适用于振动测试的传感器网络节点,通过该节点搭建的传感器网络可以检测材料是否存在缺陷。
该节点的硬件电路以 cyclone III系列FPGA为核心,包括3维振动信号调理采集单元、1个外部SD卡存储器、1个2.4G
频段的无线收发单元、1个传感器单元和USB-SPI电路以实现无线、有线两种传输方式。实验结果表明设计系统是可行
且有效的,将会为 MEMS技术应用于振动检测领域奠定基础。
关键词:冲击回波法;振动测试;无线传感器网络节点
中图分类号:TP212
文献标识码:A文章编号:1002-1841(2011)10-007-02
Design of Wireless Nondestructive Testing Network Nodes
LI Jian YAO Jin-jie
( State Key Laboratory for Electronic Testing Technology North University of China, Taiyuan 030051, China)
Abstract: This paper introduced a kind of sensor network node suitable for vibration testing. The sensor network which set up
by the nodes can detect material defects. The nodes in the hardware circuit took Cyclone Ill series FPGA as the core, including 3D
vibration signal disposal acquisition modue, SD card memory, 2.4 GHZ wireless transceiver module, a sensor unit and USB-SPT
circuit to realize the wireless and cable two kinds of transmission. Experimental results show that this system is feasible and effec
tive and can be used for vibration detection
Key words: impact-echo; vibration testing; wireless sensor network node
0引言
电源模块
元线收发
冲击回波法是用直径为φ3~20m的小钢球冲击测试物
体表面,产生的瞬时脉冲波传人物体内部(设物体为均匀介
信号调理
控
无线收发
质),并在内部缺陷(孔洞、蜂窝、分层)或弹性模量有差异的界
面处反射到结构表面,引起质点的振动,继而通过提取质点的
信号调理HAD
ALON线
振动信息,判断物体的内部缺陷。冲击回波法在机件内部缺
信号调理
SP-FSB存器FrGA
陷检测、沥青及水泥路面等板状体厚度测定、表面开口裂缝深
控制核
度测定等方面具有极高应用价值。
目前利用冲击回波法进行无损检测,多数采用单点有线方
SPI-USB FLASH
式进行檢洒,由于回波振动幅度小、方向性强、传播时径向千扰
图1系统整体框图
较强,造成检测过程中存在较大的误差。
线传输。
针对上述问题,提出利用MFMS三轴加速度计拾取回波信
1.1控制单元
号并采用多节点无线方式搭建无线无损检测系统。利用
控制单元采用 Cyclone I系列FPCA.此系列是前所未有
MEMS三轴加速度计拾取回波振动信号,不仅能够采集回波的地同时实现低功耗、低成本和高性能的FPGA.文中采用
维加速度信息,更好的提取有用信号,而且基于多节点的三EP3CIOE144CN作为系统的硬件开发平台,它具有10320个逻
维交又定位法可以快速计算缺陷的位置。
辑单元,414 Kbits RAM,18*18的硬件乘法器23个,2个锁相
1传感器网络节点的系统构成
环,10个全局时钟网络。利用 AVALON总线完成对各个模块
系统构成如图1所示,包括:传感器模块信号调理模块、的控制
AD模块、无线收发模块、SD存储模块、SPI-USB模块、PCA1.2传感器模块
控制模块、电源模块。
系统的核心部件为三轴加速计,采用LIS344ALH.重力加
为了提高系统的智能化,采用无线、有线两种方式搭建无速度检测量程可以在ま2g之间或士6g之间选择,具有低功耗
线传感器网络。其中利用无线收发模块NFF2401进行无线传模式,通过在三轴输出端口配置电容以设置带宽。图2为传感
输;利用SPI-USB模块,通过USB延长线与上位机相连进行有器的电路连接图。回波信号属于低频微弱信号,设置带宽为
基金项目:国家电子测试重点实验室基金资助项目(914001204051010)
1100Hz,量程为±2g3。利用串联型精密基准电压源
收稿日期:2011-02-14收修改稿日期:2011-07-10
MAX6029EUK33-T为传感器提供稳定的3.3V电压。