一種無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組的製作方法

2023-09-16 23:06:55

專利名稱：一種無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及測量值、或類似信號傳輸的構件，特別是涉及電信號傳輸裝置，尤其涉及一種無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組。
背景技術：
克爾斯博Crossbow的Imote2無線傳感網絡節點平臺在當前已經成為了性能最強大、應用最廣泛的無線傳感平臺；其特點主要包括強大的處理能力(最高 400MHz)、大容量存儲(256K SRAM, 32MB SDRAM, 32MB Flash)、可靠的無線通信能力(16通道，最高支持到250Kbps);但是該Imote2無線傳感網絡節點平臺卻只有一塊非常簡單的傳感器板ITS400，提供4通道、12位ADC(模數轉換)。由於該ITS400是12位ADC而且缺乏放大和濾波機制，局限ITS400實際中的廣泛應用，特別是在建築結構健康監測(Structural Health Monitoring, SHM)中，傳感信號微弱(毫伏)而且是高背景噪聲的環境。例如，在我們正在進行的廣州電視塔的結構健康監測系統中，高精度加速度計AS-2000C)的輸出是 0. 05gal (Ig=IOOOgal),也就是說，AS-2000C的輸出僅有0. 0625毫伏，此時，由於傳感器板 ITS400精度不足，不能傳送傳感器信號的微弱變化因而無法被使用。所以Imote2雖然有著超強的處理/通信能力，但受其傳感器板的性能局限，存在傳感精度不高的問題。為解決這一問題，伊利諾伊大學香檳分校針對Imote2設計傳感器板SHM-A (參考文獻Li B. , Wang D. , and Ni Y. Q. , "Demo An Imote2 compatible high fidelity sensing module for SHM sensor networks, 」 Proceedings of the 37th IEEE Communication Conference (IEEE INFC0M2010))。該 SHM-A 傳感器板上面集成了固定的傳感器，包括加速度、光和溫度傳感器；但是值得一提的是SHM-A的開放通道只有一條，而且放大功能在1-8倍，在上述的結構健康監測實際應用中，也還是存在當信號過於微弱時無線傳感平臺不可感知的問題。實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在於避免上述現有技術的不足之處而設計生產一種無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，解決了現有技術中對微弱信號不可感知的問題。本實用新型為解決上述技術問題而提出的技術方案是，一種無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，應用於傳感器與其無線傳感器網絡節點平臺的連接，包括兩塊可分離的放大板和模數轉換板；所述放大板輸入端接收所述傳感器傳送來的模擬傳感信號，經幅值調節後，通過連接器輸送到模數轉換板，經濾波處理並轉換成數位訊號，輸出到所述無線傳感器網絡節點平臺中。所述放大板包括放大供電電路和放大電路；所述供電電路的穩壓器UlO將從連接器Jl接收的5V直流電轉換為3. 3V直流電，或是將所述模數轉換板經連接器送至的3. 3V 直流電直接向所述放大電路供電，同時，該3. 3V直流電還被輸送至各參考電壓晶片TO U9 的輸入端，轉換為2. 5V參考電壓，再分別接入所述放大電路的放大器晶片Ul U4的參考電壓管腳；所述各傳感器感知的模擬信號經所述放大電路的四個輸入端連接器J2 J5及其後的RC濾波電路濾波後，分別送到單電源儀表放大器Ul U4的正、負輸入管腳；經放大後的模擬信號由各該放大器Ul U4的輸出管腳OUT輸出，並送至放大電路的輸出端連接器[0007]所述模數轉換板包括模數供電電路和模數轉換電路；所述模數供電電路的穩壓器 Ull將從連接器J8接收的5V直流電轉換為3. 3V直流電、或是將由所述無線傳感器網絡節點平臺經連接器JlO送至的3. 3V直流電直接向所述模數轉換電路供電，同時，所述3. 3V的直流電還接入模數供電電路的參考電壓電路晶片U12輸入端，轉換成1.8V直流電供給所述模數轉換電路的濾波和模數轉換晶片U13 ；所述模數轉換板輸入端連接器J12，將由放大電路送至的信號分別送至模數轉換電路的濾波和模數轉換晶片U13的各正、負輸入管腳，經該濾波和模數轉換晶片U13濾波並轉換成數位訊號，送至輸出端連接器J9。所述參考電壓電路晶片U5 U8是低壓差正穩壓器，型號為LM4132A-2. 5。所述放大器晶片Ul U4提供了在1-1000倍放大範圍內的可調增益，包括低功耗軌對軌的儀表放大器AD623。所述穩壓器UlO和Ull是採用低壓差正穩壓器，包括型號REGl 117-3. 3。所述模數轉換板與所述無線傳感器網絡節點採用SPI全雙工同步串行總線聯接。所述濾波和模數轉換晶片U13是4通道、帶有有限長單位衝激響應FIR濾波器的可編程的模擬/數位訊號轉換器，包括QF4A512。所述無線傳感器網絡節點平臺包括克爾斯博Crossbow的Imote2無線傳感器網絡節點平臺。本實用新型的有益效果是採用本模組的16位模數轉換精度在根本上保證該板傳感模組可以獲得比ITS400更高的傳感精度；在實際應用中，結合本模組放大板提供的 1-1000倍可配置放大增益，本傳感模組可以可靠地檢測並接收到毫伏級的微弱信號並將該微弱信號調理到最適合模數轉換器接收的幅度，從而最好的保證本設計16位模數轉換器的轉換量程，發揮出最大的轉換精度。本設計的濾波機制完全滿足了真實結構信號的濾波需要，而且其靈活的可編程配置，也極大的降低了監測現場的調試和配置複雜度。


圖1是本實用新型一種無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組之優選實施例應用在無線傳感網絡節點Imote2平臺時的邏輯接口示意圖；圖2是所述優選實施例的放大板1的電路原理示意圖；圖3是所述優選實施例的模數轉換板2的電路原理示意圖。
具體實施方式
下面，結合附圖所示之優選實施例進一步闡述本實用新型。參見圖1，本實用新型之優選實施例是，設計、製造一種無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，應用於傳感器3與其無線傳感器網絡節點平臺4的連接，包括兩塊可分離的放大板1和模數轉換板2 ；所述放大板1輸入端接收所述傳感器3傳送來的模擬傳感信號，經幅值調節後，通過連接器輸送到模數轉換板2，經濾波處理並轉換成數位訊號，輸出到所述無線傳感器網絡節點平臺4中。參考圖2，所述放大板1包括放大供電電路11和放大電路12 ；所述供電電路11 的穩壓器UlO將連接器Jl接收的5V直流電轉換為3. 3V直流電，或是將所述模數轉換板2 經連接器送至的3. 3V直流電直接向所述放大電路12供電，同時，該3. 3V直流電還被輸送至各參考電壓晶片U5 U9的輸入端，轉換為2. 5V參考電壓，再分別接入所述放大電路12 的放大器晶片Ul U4的參考電壓管腳；所述各傳感器3感知的模擬信號經所述放大電路 12的四個輸入端的連接器J2 J5及其後的RC濾波電路濾波後，分別送到單電源儀表放大器Ul U4的正、負輸入管腳；經放大後的模擬信號由各該放大器Ul U4的輸出管腳OUT輸出，並送至放大電路12的輸出端連接器J7。放大板是專為放大微弱的小信號而設計所述放大器晶片Ul U4提供了在 1-1000倍放大範圍內的可調增益，包括低功耗軌對軌的儀表放大器AD623。所述穩壓器UlO 是採用低壓差正穩壓器，包括型號REGl 117-3. 3。與現有技術不同，上述專門設計的放大模組有著較為優異的可輸入範圍和輸入精度，如表1所示。表1中的比較，包含了我們設計的放大板1，商業發行的ITS400傳感器板， 以及另外一種伊利諾伊大學香檳分校針對Imote2設計的傳感器板SHM-A。SHM-A傳感器板上面集成了固定的傳感器，包括加速度，光和溫度傳感器；但是值得一提的是SHM-A的開放通道只有一個，而且放大功能在1-8倍，在上述的結構健康監測實際應用中，將面對微弱信號過於微弱以至於不可感知的困難。ITS400, SHM-A與本設計放大模組的功能對比如表1所
7J\ ο表1. ITS400，SHMA與本設計放大板性能比較
權利要求1.一種無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，應用於傳感器(3)與其無線傳感器網絡節點平臺(4)的連接，其特徵在於包括兩塊可分離的放大板(1)和模數轉換板(2)；所述放大板(1)輸入端接收所述傳感器(3)傳送來的模擬傳感信號，經幅值調節後，通過連接器輸送到模數轉換板(2)，經濾波處理並轉換成數位訊號，輸出到所述無線傳感器網絡節點平臺(4)中。
2.按照權利要求1所述的無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，其特徵在於所述放大板(1)包括放大供電電路(11)和放大電路(12 )；所述供電電路(11)的穩壓器UlO將從連接器Jl接收的5V直流電轉換為3. 3V直流電， 或是將所述模數轉換板(2)經連接器送至的3. 3V直流電直接向所述放大電路(12)供電，同時，該3. 3V直流電還被輸送至各參考電壓晶片U5 U9的輸入端，轉換為2. 5V參考電壓， 再分別接入所述放大電路(12)的放大器晶片Ul U4的參考電壓管腳；所述各傳感器(3 )感知的模擬信號經所述放大電路(12)的四個輸入端連接器J2 J5 及其後的RC濾波電路濾波後，分別送到單電源儀表放大器Ul U4的正、負輸入管腳；經放大後的模擬信號由各該放大器Ul U4的輸出管腳OUT輸出，並送至放大電路(12)的輸出端連接器J7。
3.按照權利要求1所述的無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，其特徵在於所述模數轉換板(2 )包括模數供電電路(21)和模數轉換電路(22 )；所述模數供電電路(21)的穩壓器Ull將從連接器J8接收的5V直流電轉換為3. 3V直流電、或是將由所述無線傳感器網絡節點平臺(4)經連接器JlO送至的3. 3V直流電直接向所述模數轉換電路(22)供電，同時，所述3. 3V的直流電還接入模數供電電路(21)的參考電壓電路晶片U12輸入端，轉換成1. 8V直流電供給所述模數轉換電路(22)的濾波和模數轉換晶片U13 ；所述模數轉換板(2)輸入端連接器J12，將由放大電路(1)送至的信號分別送至模數轉換電路(22)的濾波和模數轉換晶片U13的各正、負輸入管腳，經該濾波和模數轉換晶片U13 濾波並轉換成數位訊號，送至輸出端連接器J9。
4.按照權利要求2所述的無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，其特徵在於所述參考電壓電路晶片U5 U8是低壓差正穩壓器，型號為LM4132A-2. 5。
5.按照權利要求2所述的無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，其特徵在於所述放大器晶片Ul U4提供了在1-1000倍放大範圍內的可調增益，包括低功耗軌對軌的儀表放大器AD623。
6.按照權利要求2所述的無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，其特徵在於所述穩壓器UlO是低壓差正穩壓器，包括型號REGl 117-3. 3。
7.按照權利要求1或3所述的無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組， 其特徵在於所述模數轉換板(2)與所述無線傳感器網絡節點(4)採用SPI全雙工同步串行總線聯接。
8.按照權利要求3所述的無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，其特徵在於所述濾波和模數轉換晶片U13是採用4通道、帶有有限長單位衝激響應FIR濾波器的可編程的模擬/數位訊號轉換器，包括QF4A512。
9.按照權利要求3所述的無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，其特徵在於所述穩壓器Ull是採用低壓差正穩壓器，包括型號REG1117-3. 3。
10.按照權利要求1所述的無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，其特徵在於所述無線傳感器網絡節點平臺(4)包括克爾斯博Crossbow的Imote2無線傳感器網絡節點平臺。
專利摘要一種無線網絡兼容的低能耗高精度結構健康監測傳感模組，應用於傳感器(3)與其無線傳感器網絡節點平臺(4)的連接，包括兩塊可分離的放大板(1)和模數轉換板(2)；所述放大板(1)輸入端接收所述傳感器(3)傳送來的模擬傳感信號，經幅值調節後，通過連接器輸送到模數轉換板(2)，經濾波處理並轉換成數位訊號，輸出到所述無線傳感器網絡節點平臺(4)中。本實用新型的有益效果是本模組放大板提供的1-1000倍可配置放大增益，可以可靠地檢測並接收到毫伏級的微弱信號並將該微弱信號調理到最適合模數轉換器接收的幅度，從而最好的保證本設計16位模數轉換器的轉換量程，發揮出最大的轉換精度。本設計的濾波機制完全滿足了真實結構信號的濾波需要，而且其靈活的可編程配置，也極大的降低了監測現場的調試和配置複雜度。
文檔編號G08C17/02GK202035015SQ201120029500
公開日2011年11月9日 申請日期2011年1月28日 優先權日2011年1月28日
發明者倪一清, 周華飛, 李波, 黃何濤 申請人:香港理工大學深圳研究院