基于WiFi数字位移传感器设计与分析

时间：2024-07-28

刘明强，孙辉，胡洪林，曾问虎，田宇

(贵州省电子工业研究所，贵州贵阳 550004)

0 引言

千分表在公路检测中应用十分广泛，在路基、偏坡、桥梁和结构物等检测中使用，实现方法主要有：传统式测量、光学式测量、利用放射性技术测量等。传统式测量主要有两大类：一类利用力学机械原理，直线位移量转化为非电量信号，由显示盘呈现给用户的位移测量仪器；另一类将位移行程杆的位移变化转化为电信号，将其数字化提取，经过网络传输，最后由上位机呈现给用户的位移测量仪器。随着现代加工方式的革新、检测方法的改进、指标和要求的提高，数字化主动上传测量方法将取代传统的指针式数显示式测量方法。本方案主要包括，位移器行程杆直线位移获取部件构成、设计与实现；微弱电信号提取的设计、实现、分析与验证[1]；完成基于WiFi数字位移传感器(千分表)设计，并实用化。

1 系统设计

系统设计目标：a.量程12 mm；b.精度1 μm；c.数据采集上传速率10 Hz到100 Hz，可以动态设置；d.数据采用WiFi方式上传；e.采用电池供电，续航能力理论8～10 h，实际使用不低于6 h，充电电压5 V；f.外观、重量、防护等级、可靠性、稳定性等等。为了满足系统功能和非功能性要求，项目组拟定系统实现分为两部分：后台上位机，前端设备。

前端设备硬件系统包括以下主要功能部件：①电池充放电管理功能部件(B-MS)；②数据上传通信WiFi功能部件；③ USB-COM调式通信功能部件；④功能控制、数据处理核心功能部件；⑤位移-电信号转换结构部件；⑥电信号调理与数字化提取功能部件等，如图1功能框图所示。

图1 功能框图

外部接口：一个TYPC，充电调试通信接口；一个三档电源开关，开机、关机、充电三种状态；一个恢复出厂设置按钮；四个功能指示灯。

2 位移转化电信号部件设计

千分表精度有多种，根据项目要求设计方案实现的精度1微米，在位移-电信号转化并没有采用常规的杠杆齿轮传动、齿轮传动及杠杆螺杆传动；而采用直线行程杆带动测量点同步位移，测量点位移就是实际被测量物面位移的相对变化量，测量示意图如图2所示：其优势在于不需要高精密部件的加工，高精密部件的优劣直接影响其测量精度，高精密部件的磨损使其精度大幅度下降。这种设计也存在不足：对测量电路的设计和实现要求极高；通过对测量电路的优化设计完全可以弥补这种不足。

图2 测量示意图

测量导体选取， 6J40合金也被称为康铜合金，是以铜镍为主要的电阻合金。特点：具有较低的电阻温度系数，较宽的使用温度范围，加工性能良好，具有良好的焊接性能，适合在交直流电路中使用，作精密电阻、滑动电阻、电阻应变计等。6J13合金也被称为锰铜合金，与康铜相比不含价格较高的镍，具有低价格的优势，但抗氧化性比康铜稍差，其性能和康铜丝一样，具有较低的温度系数，电阻率几乎不随温度变化，常作为采样电阻使用。Cr20Ni80是电阻电热合金，组织稳定，电气物理特性稳定，高温力学性能好，冷变形塑性好，焊接性好，长期使用不会产生脆性断裂，使用寿命长[2]，含镍量高，价格较高。

导体线径-电阻对应如表1所示，其性能都比较优异。康铜性能更好；锰铜价格优势；镍铬电阻率最高，更有利于用作测量导体。具体选用型号根据后期测试、分析结果而定。

表1 导体线径-电阻对应表

3 电信号调理设计分析

图3 电阻应变全桥

为了实现测量精度1 μm，设计中采用了如图3所示的改进型应变全桥，有效提高变化的输出量，形成抗干扰强全差分信号，便于后级采集。将图中B和D处引入测量导体，通过同步滑动测量点，形成ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4；ΔR1和ΔR2绝对值大小相等，方向相反；ΔR3和ΔR4绝对值大小相等，方向相反。利用两个应变装置，获得四个测量应变量，同时ΔR始终全部接入应变桥，减小了应变桥中由于ΔR的存在引起电流变化导致的测量误差。

应变测量桥是由康铜丝自制无感、高精密电阻组成：R1=R2=R3=R4=55 Ω，测量导体用线径0.3 mm康铜丝为例说明，桥臂电阻和测量导体特性电阻率几乎不随温度变化。当有0.001 mm位移量变化时，由表1知，测量导体测量点处导体电阻变化为6.6525 μΩ，即应变电阻变化量ΔR=6.6525μΩ；由理论推导可知ΔR/R=K*εr，故K*εr=ΔR/R=0.1209545×10-6(ΔR=6.6525 μΩ，R=55 Ω)，当施加测量基准电压U=3.3 V时，应变输出电压ΔU如下：

单桥：ΔU=3.3/4*K*εr=0.0997875 μV

半桥：ΔU=3.3/2*K*εr=0.199575 μV

全桥：ΔU=3.3/1*K*εr=0.39915 μV

应变测量桥输出差分信号，经过信号调理电路网络后，由模数转换部件完成信号数字化提取[3-4]。

4 硬件电路设计

硬件电路设计主要采用了专业的高速电路板设计与仿真软件Cadence16.6。原理图用Design Entry CIS进行设计；PCB用Allegro PCB Editor进行设计；对部分关键电路采用Multisim12.0进行设计前期的验证测试，提高产品的成功率，以缩短开发周期。

4.1 系统供电设计

系统采用双路供电：外部5 V供电(主要针对通用5 V以及电脑USB输出5 V)和内部电池供电。外电源接通时电池可能处于放电状态，也可能处于不放电状态，内部系统工作由外部供电；无外电源时内部系统工作由电池供电。内部系统工作供电真值表如表2所示。

表2 供电真值表

供电切换电路选取，二级管双路供电(图4)特点：二极管的压降随电流的不同，为0.2 V到0.5 V左右，对于电压较低的系统来说非常大，当外部供电只有4.9 V或4.8 V(主要是电脑USB接口供电)时，经过降压后只有4.4 V左右，相对于5 V供电的部件来讲，处于不工作或工作在极不稳定的状态。

图4 二极管双路供电

MOS管双路供电(图5)特点：导通压降非常小，在0.02～0.05 V，适用于低压降差控制；经过不同方式大量仿真和实物搭建测试，MOS管双向导通控制应用在电压小于等于5 V系统中不适用，MOS管工作在不确定状态；单向导通控制在电压小于等于5 V系统中是适用的[5]。主要选用导通电压低的MOS管，如si2301和AO3401等进行测试。

图5 MOS管双路供电

将系统中5 V供电的部件改用3.3 V供电部件，可选用图4的方案；外部供电大于5 V(如6～9 V)，可选用图5的方案，系统中5 V供电的部件也不用改。最后架构权衡。

4.2 调试通信设计

调试接口采用当前主流TYPC，既是调试接口，也是充电接口，设计成USB-COM模式的调式功能部件，通过该功能部件实现上位机和设备按相关协议通信[6]，功能保持和上行通信(WiFi)口一致，同时增加特殊调试和应用固件升级，默认设置为：波特率119200，Even校验，1个停止位。

上行通信(WiFi)接口，采用UART口的TTL电平与WiFi部件相连，WiFi部件采用3.3 V供电，默认设置为：波特率119200，None校验，1个停止位。上行通信(WiFi)接口主要有两类功能： WiFi部件设置，完成WiFi部件的参数读取与设置[7]；上传数据，将采集的数据通过构建的无线网络、无线网络+有线网络发送到指定的网络端。为了达到快速上传数据，MCU和WiFi部件之间通信采用UART硬件流控制来实现[8]，连接如图6所示。

图6 MCU-WiFi连接图

4.3 充放电设计

电芯采用品质高、稳定性强、安全可靠、可循环使用的18650电芯，容量2000 mAh。充放电管理采用TP5400，是一款高效锂电池充放电管理芯片。

集预充、充电状态指示和充电截止等功能于一体，充电最大电流1 A；升压电路采用CMOS工艺制造的空载电流极低的VFM开关型DC/DC升压转换器，具有极低的空载功耗(小于10 μA)，且升压输出驱动电流为1 A。

不足之处是没有剩余电量估算功能。剩余电量估算功能由MCU软件实现，根据大量应用充放数据，构建应用数学模型，实现电池剩余电量精确的算法(主要是针对本设计设备运行状态下剩余电量的数学模型)[9-10]。

4.4 数字信号提取设计

对微弱信号的稳定、有效数字化提取主要从以下几方面考虑：信号源自身的可靠性、稳定性设计；采集转换部件处理功能、性能的考量；对微小信号在电路和PCB设计中抗干扰的设计，电子元器件的寄生参数、电路板的分布参数、空中微弱的电磁波都可能将信号淹没而无法提取。

信号产生方面，使用应变全桥将信号转为差分信号，应变桥测量臂和测量导体材料均采用具有极低的电阻温度系数康铜丝，无感化设计构成，同时做抗干扰优化处理。

采集转换部件采用AD7176-2，它是一款快速建立、高度精确、高分辨率、多路复用的∑-Δ型模数转换器，输出数据速率范围为5 SPS至50 kSPS/通道。其功能框图如图7所示。

图7 转换部件功能框图

PCB采用四层板方式设计，严格遵循模拟信号设计规范，模拟地的数字地分离设计、包地设计，全程将模拟处理部分用数字地做抗干扰优化处理，建立完整电气约束。

微弱信号的数字提取是系统设计核心和难点，也是项目组主要攻克的技术难点[3，11]。只有信号能有效数字化提取，才能完成系统的核心功能性需求，也是完成其他功能性和非功能性需求的基础。

5 软件设计

软件设计要分为设备端的固件程序设计和后台运行的上位机软件程序设计。

5.1 固件设计

图8 应用程序流程图

固件程序设计，从可维护性质量属性分析，将固件程序分为Boot Loader程序和应用程序。Boot Loader程序用于固化到设备中，再将应用程序编译的Bin文件通过固化的Boot Loader下载保存到设备中并运行[12-13]。可以通过上位软件设置使设备运行于Boot Loader状态，也可以通过硬件状态开关强使设备运行于Boot Loader状态。增加了可维护性和可修改性，同时从维护知识产权纬度，也增加设备保密性，应用程序流程图如图8所示。

5.2 上位机软件

上位机软件基于.Net架构，在Microsoft Visual Studio 2012平台上进行开发，分为两个软件。

基于串口通信的升级、调试软件，依据项目组拟定的升级协议v1.00进行构建[14-15]，主要有通道设置区、功能按键区、 Bin代码装载区、日志区和命令发布区。

基于网络通信应用软件，依据项目组拟定的通信协议v1.00进行构建，主要用于上位和设备之间通过网络建立连接收发命令，同时接收、解析采集的数据报文[6，14，16-18]，呈现给用户。可以工作在客户端模式和服务器模式，服务器模式可同时连接12个终端设备。

6 测试与结果分析

经过多轮迭代调整设计，测量导体采用线径0.3 mm康铜丝，应变桥测量臂55 Ω，全桥方式，在30 Hz测试下，固位置测量电压数据峰峰值变化小于300 nV，在200 nV左右，换算到位移峰峰值变化小于1 μm，在±0.4 μm以下，平均值±0.1 μm左右。如应用测试图图9所示：应用程序工作在服务器模式，设备工作在客户端模式，30 Hz更新采样速率下，连续41000多次测量，图中Y轴为测量位移量，单位100 nm，一大格为500 nm；X轴为位移测量采集点。满负荷状态下电池续航达390 min左右，其主要耗能在WiFi传输部分，占到设备能耗80%左右，由于架构设计充分的权衡，达到设计要求。经过现场使用检验，性能稳定、可靠，完全达到要求。

图9 应用软件测试图

存在的不足，当采集上传速率大于20 Hz后，会出现报文积压现象：报文应该是一帧一个报文的传送过来的，但有时会一帧收到好几个报文；采集速率越高，出现机率越大；网络状态越差，出现机率越大；并没有报文的丢失。从调试口出来的数据没有这种现象。问题主要是WiFi模块发送网络报文的积压造成的，目前主要是通过上位报文拆分来解决这种问题。后期将重点分析和解决WiFi模块网络报文积压问题。