專利名稱：一種基于振弦式傳感器的數據采集系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于振弦式傳感器的數據采集系統，特別涉及一種可拓展的基于振弦式傳感器的應變數據采集系統，屬于土木結構健康監測技術領域。
背景技術：
結構體的健康監測，是為了確保從施工階段到工程竣工乃至整個使用壽命周期內的結構體的安全性和可靠性。振弦式傳感器在結構體的長期的健康監測中得以廣泛應用。很多大型結構體都安裝了振弦式傳感器，通過應變讀數儀裝置測量結構體的應變值，但目前的裝置具有以下不足I.通常一個裝置只有一個傳感器接口，只能對一個測點進行數據采集，而工業現場往往需要對多個(幾十個、甚至是上百個)點進行監測，就需要對多個裝置進行單獨操 作；多個裝置間彼此獨立；2.單向通信，現有的裝置大多僅具備采集數據的單向通信功能，無法在試驗需要時進行工作時間的調節，無法在系統工作空隙時自動休眠降低功耗。
實用新型內容本實用新型的目的是為了克服上述現有技術的缺陷，能夠更方便、節能地對結構體進行長期的健康監測，提出了一種基于振弦式傳感器的數據采集系統。本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的。本實用新型的一種基于振弦式傳感器的數據采集系統，包括上位機、USB協議與CAN協議轉換網關、一個或者一個以上的數據米集模塊、夕卜部供電電源、傳感器；每個數據采集模塊均包括處理器及處理器的外圍電路、電源轉換與穩壓電路、電池電量監測電路、CAN總線接口電路、RS485總線接口電路、激頻電路、拾頻電路(頻率信號放大與濾波整形電路)、恒流源激勵電路、溫度信號采集電路、數據存儲電路、一個或者一個以上的傳感器接口電路以及一個或者一個以上的帶熱敏電阻的振弦式傳感器；傳感器接口電路通過帶屏蔽的四根信號線與振弦式傳感器相連，分別用于向傳感器進行激頻、進行拾頻、提供激勵電流信號和獲取傳感器輸出的電壓形式的溫度信號；激頻電路將處理器產生的幅值為+5V的一路脈沖信號進行功率放大，并將功率放大后的信號通過開關驅動器產生多路激勵脈沖，再經由傳感器接口電路向傳感器提供400Hz至6000Hz的幅值為+5V的的激勵信號；拾頻電路(頻率信號放大與濾波整形電路)通過傳感器接口電路獲取傳感器輸出的共振頻率信號(鋼弦的固有頻率)，經過高通濾波、低通濾波、信號放大和整形處理，并將處理后的信號送入處理器；恒流源激勵電路通過傳感器接口電路在處理器的控制下向各傳感器提供激勵電流，通過改變恒流源激勵電路中負載電阻的阻值調節激勵電流的大小；溫度信號采集電路通過傳感器接口電路獲得各傳感器輸出的表征傳感器溫度的電壓信號，并對該電壓信號進行放大和濾波處理，將處理后的電壓信號送入處理器的模擬量采集模塊進行模數轉換從而使處理器得到各傳感器的溫度信號；數據存儲器電路為易失性存儲器，通過數據總線和地址總線與處理器相連，用于臨時存儲處理器中接收到的數據；各數據采集模塊的處理器均通過CAN總線接口電路連接到CAN總線上以實現多個數據采集模塊的交互式連接，構成一個交互式數據采集系統，從而實現多模塊的拓展功能；CAN總線再經由USB協議與CAN協議轉換網關與上位機相連，將各采集模塊中處理器采集的數據上傳給上位機進行后續處理，同時接收上位機發出設置處理器的激頻時間間隔、調節采樣頻率、休眠及其他與系統相關的控制指令；電源轉換與穩壓電路的輸入為外部供電電源(6-24VDC)，電源轉換與穩壓電路的輸出為處理器及其外圍電路、電池電量監測電路、CAN總線接口電路、RS485總線接口電路、激頻電路、拾頻電路、恒流源激勵電路、溫度信號采集電路和數據存儲電路提供電源； 電池電量監測電路用于檢測電源轉換與穩壓電路的輸出電壓值，并將檢測結果送入處理器，處理器再通過CAN總線接口電路及USB協議與CAN協議轉換網關將檢測結果送至上位機，由上位機實時顯示數據采集模塊的供電電壓； 每個模塊還預留了 RS485接口電路以備后期擴展，處理器通過RS485總線接口電路與外部的RS485總線通信；所述上位機為帶USB接口的臺式機或筆記本電腦。本實用新型的一種基于振弦式傳感器的數據采集系統，其工作過程為I)數據采集模塊的處理器通過USB協議與CAN協議轉換網關經由CAN總線接口電路接收上位機發送的控制指令；2)處理器根據上位機發送的控制指令，通過控制總線和地址總線調整激頻電路的工作時間間隔，并啟動激頻電路和拾頻電路，同時調整溫度信號采集電路的采樣頻率，并啟動處理器的A/D采集；3)每個數據采集模塊的傳感器輸出的共振頻率信號(鋼弦的固有頻率)，經由拾頻電路放大、濾波和整形后，得到固定頻率和幅值的脈沖信號，并將其送入處理器；同時，傳感器輸出的電壓形式的溫度信號，經過放大和濾波處理后送入處理器，處理器通過內部集成的ADC模塊進行A/D轉換；4)處理器通過控制總線判斷拾頻完成后，同時A/D采集電路完成采樣之后，通過數據總線讀取共振頻率值及溫度信號A/D轉換后的數據值；5)處理器將頻率值和溫度值進行FIR濾波處理，并將濾波處理后的數據值一方面存入數據存儲器電路，另一方面經由CAN總線接口電路后通過USB協議與CAN協議轉換網關傳送給上位機；6)如果接收到上位機傳來的休眠指令，處理器則控制數據采集模塊進入低功耗模式。當監測現場所需要的監測點較多時，則需要多個數據采集模塊，從而構成一個交互式數據采集系統。每個采集模塊相對獨立進行數據采集，將數據由CAN總線傳給上位機。有益效果本實用新型結構簡單、成本低、應用方便；可進行模塊拓展，同時對幾十個甚至上百個點進行監測并進行統一控制；在系統需要時，可以對各個采集模塊的兩次激頻時間間隔進行更改；在某些模塊工作空隙時，可以讓該模塊進入低功耗模式。
圖I為本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明。實施例一種基于振弦式傳感器的數據采集系統，如圖I所示，該系統可拓展為多個數據采集模塊，數據采集系統包括上位機、USB協議與CAN協議轉換網關、一個或者一個以上的數據采集模塊、外部供電電源、傳感器； 每個數據采集模塊均包括處理器及處理器的外圍電路、電源轉換與穩壓電路、電池電量監測電路、CAN總線接口電路、RS485總線接口電路、激頻電路、拾頻電路(頻率信號放大與濾波整形電路)、恒流源激勵電路、溫度信號采集電路、數據存儲電路、一個或者一個以上的傳感器接口電路以及一個或者一個以上的帶熱敏電阻的振弦式傳感器；傳感器接口電路通過帶屏蔽的四根信號線與振弦式傳感器相連，分別用于向傳感器進行激頻、進行拾頻、提供激勵電流信號和獲取傳感器輸出的電壓形式的溫度信號；激頻電路將處理器產生的幅值為+5V的一路脈沖信號進行功率放大，并將功率放大后的信號通過開關驅動器產生多路激勵脈沖，再經由傳感器接口電路向傳感器提供400Hz至6000Hz的幅值為+5V的的激勵信號；拾頻電路(頻率信號放大與濾波整形電路)通過傳感器接口電路獲取傳感器輸出的共振頻率信號(鋼弦的固有頻率)，經過高通濾波、低通濾波、信號放大和整形處理，并將處理后的信號送入處理器；恒流源激勵電路通過傳感器接口電路在處理器的控制下向各傳感器提供激勵電流，通過改變恒流源激勵電路中負載電阻的阻值調節激勵電流的大小；溫度信號采集電路通過傳感器接口電路獲得各傳感器輸出的表征傳感器溫度的電壓信號，并對該電壓信號進行放大和濾波處理，將處理后的電壓信號送入處理器的模擬量采集模塊進行模數轉換從而使處理器得到各傳感器的溫度信號；數據存儲器電路為易失性存儲器，通過數據總線和地址總線與處理器相連，用于臨時存儲處理器中接收到的數據；各數據采集模塊的處理器均通過CAN總線接口電路連接到CAN總線上以實現多個數據采集模塊的交互式連接，構成一個交互式數據采集系統，從而實現多模塊的拓展功能；CAN總線再經由USB協議與CAN協議轉換網關與上位機相連，將各采集模塊中處理器采集的數據上傳給上位機進行后續處理，同時接收上位機發出設置處理器的激頻時間間隔、調節采樣頻率、休眠及其他與系統相關的控制指令；電源轉換與穩壓電路的輸入為外部供電電源(6-24VDC)，電源轉換與穩壓電路的輸出為處理器及其外圍電路、電池電量監測電路、CAN總線接口電路、RS485總線接口電路、激頻電路、拾頻電路、恒流源激勵電路、溫度信號采集電路和數據存儲電路提供電源；[0044]電池電量監測電路用于檢測電源轉換與穩壓電路的輸出電壓值，并將檢測結果送入處理器，處理器再通過CAN總線接口電路及USB協議與CAN協議轉換網關將檢測結果送至上位機，由上位機實時顯示數據采集模塊的供電電壓；每個模塊還預留了 RS485接口電路以備后期擴展；上述上位機為帶USB接口的臺式機；上述處理器型號為P IC33FJ64GP706 ；上述CAN總線接口電路的主芯片為CTM8251 ；上述恒流源激勵電路中恒流源型號為REF191 ；上述振弦式傳感器數據采集系統的工作過程為 I)數據采集模塊的處理器通過USB協議與CAN協議轉換網關經由CAN總線接口電路接收上位機發送的控制指令；2)處理器根據上位機發送的控制指令，通過控制總線和地址總線調整激頻電路的工作時間間隔，并啟動激頻電路和拾頻電路，同時調整溫度信號采集電路的采樣頻率，并啟動處理器的A/D采集；3)每個數據采集模塊的傳感器輸出的共振頻率信號(鋼弦的固有頻率)，經由拾頻電路放大、濾波和整形后，得到固定頻率和幅值的脈沖信號，并將其送入處理器；同時，傳感器輸出的電壓形式的溫度信號，經過放大和濾波處理后送入處理器，處理器通過內部集成的ADC模塊進行A/D轉換；4)處理器通過控制總線判斷拾頻完成后，同時A/D采集電路完成采樣之后，通過數據總線讀取共振頻率值及溫度信號A/D轉換后的數據值；5)處理器將頻率值和溫度值進行FIR濾波處理，并將濾波處理后的數據值一方面存入數據存儲器電路，另一方面經由CAN總線接口電路后通過USB協議與CAN協議轉換網關傳送給上位機；6)如果接收到上位機傳來的休眠指令，處理器則控制數據采集模塊進入低功耗模式。當監測現場所需要的監測點較多，則需要多個數據采集模塊，從而構成一個交互式數據采集系統。每個采集模塊相對獨立進行數據采集，將數據由CAN總線傳給上位機。以上所述為本實用新型的較佳實施例而已，本實用新型不應該局限于該實施例和附圖所公開的內容。凡是不脫離本實用新型所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本實用新型保護的范圍。
權利要求1.一種基于振弦式傳感器的數據采集系統，其特征在于，系統包括上位機、USB協議與CAN協議轉換網關、ー個或者ー個以上的數據米集模塊、夕卜部供電電源、傳感器； 每個數據采集模塊均包括處理器及處理器的外圍電路、電源轉換與穩壓電路、電池電量監測電路、CAN總線接ロ電路、激頻電路、拾頻電路、恒流源激勵電路、溫度信號采集電路、數據存儲電路、ー個或者ー個以上的傳感器接ロ電路以及ー個或者ー個以上的帶熱敏電阻的振弦式傳感器； 傳感器接ロ電路通過帶屏蔽的四根信號線與振弦式傳感器相連，分別用于向傳感器進行激頻、進行拾頻、提供激勵電流信號和獲取傳感器輸出的電壓形式的溫度信號； 激頻電路將處理器產生的幅值為+5V的一路脈沖信號進行功率放大，并將功率放大后的信號通過開關驅動器產生多路激勵脈沖，再經由傳感器接ロ電路向傳感器提供400Hz至6000Hz的幅值為+5V的的激勵信號； 拾頻電路通過傳感器接ロ電路獲取傳感器輸出的共振頻率信號，經過高通濾波、低通濾波、信號放大和整形處理，并將處理后的信號送入處理器； 恒流源激勵電路通過傳感器接ロ電路在處理器的控制下向各傳感器提供激勵電流，通過改變恒流源激勵電路中負載電阻的阻值調節激勵電流的大小； 溫度信號采集電路通過傳感器接ロ電路獲得各傳感器輸出的表征傳感器溫度的電壓信號，并對該電壓信號進行放大和濾波處理，將處理后的電壓信號送入處理器的模擬量采集模塊進行模數轉換從而使處理器得到各傳感器的溫度信號； 數據存儲器電路為易失性存儲器，通過數據總線和地址總線與處理器相連，用于臨時存儲處理器中接收到的數據； 各數據采集模塊的處理器均通過CAN總線接ロ電路連接到CAN總線上以實現多個數據采集模塊的交互式連接，構成ー個交互式數據采集系統，從而實現多模塊的拓展功能；CAN總線再經由USB協議與CAN協議轉換網關與上位機相連，將各采集模塊中處理器采集的數據上傳給上位機進行后續處理，同時接收上位機發出設置處理器的激頻時間間隔、調節采樣頻率、休眠及其他與系統相關的控制指令； 電源轉換與穩壓電路的輸入為外部供電電源，電源轉換與穩壓電路的輸出為處理器及其外圍電路、電池電量監測電路、CAN總線接ロ電路、激頻電路、拾頻電路、恒流源激勵電路、溫度信號采集電路和數據存儲電路提供電源； 電池電量監測電路用于檢測電源轉換與穩壓電路的輸出電壓值，并將檢測結果送入處理器，處理器再通過CAN總線接ロ電路及USB協議與CAN協議轉換網關將檢測結果送至上位機，由上位機實時顯示數據采集模塊的供電電壓。
2.根據權利要求I所述的ー種基于振弦式傳感器的數據采集系統，其特征在于，所述上位機為帶USB接ロ的臺式機或筆記本電腦。
3.根據權利要求I所述的ー種基于振弦式傳感器的數據采集系統，其特征在于，每個數據采集模塊還帶有RS485總線接ロ電路，由電源轉換與穩壓電路的輸出提供供電電源，處理器通過RS485總線接ロ電路與采集系統外部的RS485總線通信。
專利摘要本實用新型涉及一種基于振弦式傳感器的數據采集系統，屬于土木結構健康監測技術領域。系統包括上位機、USB協議與CAN協議轉換網關、一個或者一個以上的數據采集模塊、外部供電電源、傳感器，每個數據采集模塊均包括處理器及處理器的外圍電路、電源轉換與穩壓電路、電池電量監測電路、CAN總線接口電路、RS485總線接口電路、激頻電路、拾頻電路、恒流源激勵電路、溫度信號采集電路、數據存儲電路、傳感器接口電路以及振弦式傳感器。本實用新型結構簡單、成本低、功耗低、應用方便；可進行模塊拓展，同時對幾十個甚至上百個點進行監測并進行統一控制；在系統需要時，可以對各個采集模塊的兩次激頻時間間隔進行更改。
文檔編號G05B19/418GK202522915SQ20122018104
公開日2012年11月7日 申請日期2012年4月26日 優先權日2012年4月26日
發明者劉伯奇, 劉建磊, 劉強, 巴力, 梁志廣, 王凱, 王濤, 高巖 申請人:北京理工大學, 北京鐵科工程檢測中心