2021年02月28日 | 基于MSP430单片机的无线信号采集系统

简介：为了解风力发电机叶片振动情况，判断其失效类型，设计了一种基于，MSP430单片机的无线信号采集系统。系统采用低功耗的MSP430单片机作为核心控制部件，硬件部分由信号处理模块、无线通信模块、MSP430单片机控制系统组成;软件部分采用模块化设计方法。系统平时处于休眠状态，CPU停止运行，工作时通过软件中断请求唤醒。经实验证明，该模块设计稳定可靠、数据传输速率高、功耗低、通用性强，且误码率仅为1%。

风能是目前最有开发利用前景的可再生清洁能源，风力发电作为风能利用的主要方式而备受关注。风机叶片是风力发电机的关键部件，其性能的好坏直接影响整机运行的稳定。为了解风机叶片的振动状态，需对其进行测量。由于风力发电机叶片特殊的工作方式，采用传统的测量振动方法无法满足要求。此外，振动传感器要安装在旋转的风力机叶片上，不能经常拆卸，因此需考虑固定和系统的功耗问题。无线传感技术成为了当今国内外研究的热点，在各领域都具有广阔的应用前景。为此，设计了一种以MSP430单片机为核心，以SV610收发芯片作为无线通信模块的采集系统。低功耗、实时性是该设计的最大特点。

1 无线采集系统的硬件设计

系统采用模块化设计思路，由压电传感器、单片机控制系统、信号处理模块、无线通信模块等部分组成，系统组成如图1所示。

1.1 传感器选择

由于叶片测振的特殊性，需要将传感器要安装在叶片上，所以对传感器的选择也提出了要求，既要满足低频高灵敏度，同时也要求质量轻。此外，还考虑到风力发电机在野外受到风力的影响情况复杂，为了全面反映受损情况，需考虑三维受力方向，即X、Y、Z轴3个方向受力。本文选用深圳杰英特传感仪器有限公司 Mini-Sensor压电加速度传感器，该传感器的灵敏度可达1 V/g，质量仅为0.5 g，使用温度范围为-40～80℃。

1.2 信号预处理

信号预处理主要由两部分组成：放大器和滤波器。由于压电加速度传感器的内阻很高，而且输出的信号微弱，因此前置放大滤波电路有3个作用：(1)将传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。(2)将传感器的微弱信号进行放大。(3)将噪声信号滤除掉。原理图如图2所示。

1.3 单片机的选择

选用MPS430单片机作为系统的MCU，MSP430单片机是美国德州仪器(TI)公司推出的高集成度、高精度的单芯片系统，是目前工业界中具有最低功耗的16位RISC混合信号处理器，具有较低的工作电压，在1.8～3.6 V之间均可正常工作。其功耗低，在活动模式时，工作电流为350μA，在休眠模式下为0.5μA电流。MSP430具有丰富的外设，片内具有3个时钟信号，包括1个高频时钟，1个低频时钟和1个DCO。灵活的时钟选择使得系统可以在合理的时钟下进行工作，大幅降低了系统功耗，方便了系统设计。

MPS430有一种正常工作活动模式与5种低功耗模式。在本无线采集系统中，MPS430平时工作于低功耗模式3(LPM3)，在此模式下CPU处于禁止状态，DOC被禁止，直流发生器被禁止，MCLK被禁止，SMCLK被禁止，仅ACLK处于活动状态。当上位机给出采集信号的请求后，将单片机唤醒，工作完后再次进入低功耗模式，单片机硬件原理图，如图3所示。

下位机单片机的功能主要是数据的采集与发射，P6.0～P6.2功能选择为外围模块，负责3路信号的采集。通信模式采用UART模式，P3.4和P3.5选择外围模块，负责接收上位机指令信号和发送A/D采样后的信号。A/D采样的参考电压选择2.5 V，本文采用XC622125芯片，该芯片具有低功耗和低压差优点。考虑到系统功耗问题，时钟模块只外加了32768 Hz的手表晶振，最低采样时间可达32 ms。

1.4 无线通信模块

SV610是高集成无线数据传输模块，采用高性能的Silicon Lab Si4432射频芯片。极低的接收灵敏度，再加上业界领先的100mW的输出功率保证扩大范围和提高链路性能。模块提供了多频段信道以及网络ID来降低传输过程中的干扰以提高传输性能。小体积、远距离传输、宽范围的工作电压乃至丰富便捷的编程设置使之得到了广泛的应用。

SV610有多种数据传输率可选，灵敏度高达-121 dBm，工作频段有433/470/868/915 MHz多个频段选择，本文选择433 MHz频段。在理想环境中，传输距离可达1 400 m，其工作电压2.8～6.0 V，工作温度范围为-20～+70℃。

模块在配置模式下，可通过PC软件或UART接口在线设置相关参数。

2 无线采集系统的软件实现

采集系统软件包括主程序和中断服务程序，主程序进行初始化设置、外部中断设置，然后进入低功耗模式。单片机收到上位机采集信号的请求后，通过UART中断将单片机从睡眠模式中唤醒，进入中断服务程序开始A/D采样。采样完成后调用发射程序，并将数据通过UART发给接收模块，发送结束，系统重新进入睡眠状态。程序流程如图4所示。

2.1 MSP430串口通信

MSP430通信模块在每个采样周期内将采集并进行A/D转换后的12Byte的数发送给PC机。初始化中设置UART0模块工作，选择时钟信号为ACLK，数据位为8位，波特率为9 600 bit·s-1，发送数据方式为主动发送。当接收到一个完整的数据，产生一个信号URXIFG0=1，表示接受完整的数据。当数据正在发送中，UTXIFG0=1，此时不能再发送数据，必须等当前数据发送完毕(UTXTFG0=0)才能进行发送。

2.2 A/D转换

由于MSP430F135带有ADC12模块，其由12 bit的SAR核、采样保持电路、模拟开关、参考电压产生与选择电路、ADC时钟选择电路等组成。ADC12可在没有CPU的参与下，独立实现16次采样、转换和存储操作。ADC12模块可独立断电，以便于低功耗设计。所以只需设置相应的寄存器就可以实现转换功能。

为减少CPU功耗，程序采用中断触发方式，A/D采样由定时器中断触发。由于MSP430内部A/D寄存器是12位，在无线传输时，发送数据缓存只有8 位，因此在传送的时候需要将采集的数据拆分成高8位和低8位然后放入数组进行发送，在接收端将接收的数据进行重新整合，完成采样数据的接收。

3 测试结果

将无线模块连接好，先进行应答测试。上位机给出相应的命令，测试单片机是否能接收到，并给出正确的应答。图5为应答测试结果。

经调试，系统收发模块均可正常工作。然后给出3路信号，由前面可知A/D采样的参考电压设置为2.5 V，故采样通道一端加2.5 V的电压，另一端接地，还有一端接信号端。显示结果，如图6所示。

无线通信需解决的最大问题就是保证传输数据的准确性，即要求误码率低。误码率是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标，误码率=错误码元数/传输总码元数× 100%。

从图6可看出，PC机可正确接收到12 Byte的数据。实验采样间隔为32 ms，采样时间为30 min，将上述接收到的数据通过上位机处理，最后得出误码率为1.2%。此外，还进行其他电压测试，路信号都能正常工作，且误码率低，工作稳定。

4 结束语

本文描述了基于MSP430单片机的无线信号采集系统。通过调试证明系统可正常运行，各方面指标都能达到设计要求。整个系统集成度高，功耗低，无线传输稳定，误码率低，且质量轻，可靠性高，易于控制和使用灵活等优点，因而性价比高。此设计已应用于风机叶片信号采集系统。