STM32'ye dayalı kablosuz infrasound edinim sistemi tasarımı
Ma Jun, Li Zhihua
(Mekanik ve Elektronik Bilgi Okulu, Çin Yerbilimleri Üniversitesi, Wuhan 430074, Hubei)
: Infrasound'un uzun mesafeli izlenmesini gerçekleştirmek için, yüksek doğruluk ve yüksek dinamik aralık ile STM32'ye dayalı kablosuz bir infrasound iletim sistemi tasarlanmıştır. Sistemin ön ucu, delta-sigma teknolojisine dayalı 24 bitlik hassas analogdan dijitale dönüştürücü ADS1246 ve sekizinci dereceden eliptik alçak geçiren filtre MAX293 kullanır, böylece güçlü veri toplama ve işleme yetenekleri elde edilir. Ana kontrolör, sistemin güvenilirliğini artıran ve sistemin güç tüketimini azaltan STM32'yi benimser. Kablosuz veri iletimini gerçekleştirmek için yönlendiriciyi ağ bağlantı noktası üzerinden İnternete bağlayın. Üst bilgisayar tasarımı LabVIEW yazılım platformunu benimser, seri port üzerinden ana kontrolör ile iletişimi gerçekleştirir, sistem parametresi konfigürasyonunu tamamlar.
: Infrasonic wave; STM32; kablosuz iletim; veri toplama; LabVIEW
: TP274 Belge tanımlama kodu: B Ürün numarası: 0258-7998 (2014) 04-0092-04
İnsan kulağının alabileceği nesne titreşimleriyle üretilen elastik dalgaların frekans aralığı 20 Hz ila 20 kHz'dir ve bu aralığın altındaki herhangi bir ses dalgasına infrasound dalgalar denir. Infrasound dalgalar, düşük frekans, yüksek enerji, güçlü nüfuz etme gücü ve kolay alım özelliklerine sahiptir.
Uzun süreli bilimsel deneyler, depremler ve çamur kaymaları gibi doğal afetlerin, kuluçka, oluşum ve gelişme sırasında atmosfere düşük frekanslı infrasound dalgaları yayabileceğini göstermiştir. Bu infrasound sinyalleri izleyip analiz ederek, infrasound kaynağını tespit ederek, infrasound sinyalleri ile doğal olaylar arasındaki korelasyonu ortaya çıkarmak için infrasound dalgaların oluşumunu ve yayılmasını inceleyerek, doğal afetleri tahmin etme ve izleme ve kısa vadeli erken uyarı sağlama amacı gerçekleştirilebilir. Yüksek hassasiyete, yüksek dinamik aralığa, güçlü kararlılığa ve yüksek güvenilirliğe sahip bir infrasonic veri toplama sistemi, infrasonik verilerin toplanması ve ileri araştırma uygulamaları için büyük önem taşır.
Bu makale tasarımı, ana denetleyici olarak düşük güçlü, yüksek güvenilirlikli STM32 kullanır, MAX293 ve 24-bit hassas analogdan dijitale dönüştürücü ADS1246'yı bağlar ve kablosuz bir infrasound veri toplama sistemi oluşturmak için SD kartı, sıcaklık ve nem sensörünü ve GPS modülünü monte eder. Parametre yapılandırmasını tamamlamak için ana bilgisayarla seri bağlantı noktası üzerinden iletişim kurun ve infrasound dalgaların uzaktan izlenmesi amacına ulaşmak için verilerin ana sunucuya kablosuz iletimini gerçekleştirmek için ağ bağlantı noktası üzerinden kablosuz yönlendiriciye bağlanın.
1 Sistem genel tasarım planı
Sistemin genel yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir. Esas olarak infrasound sensörü, sinyal koşullandırma devresi, A / D dönüşümü, veri depolama modülü, güç modülü, USB / seri bağlantı noktası, ağ bağlantı noktası arabirimi, GPS modülü, 3G'den WiFi modülüne ve LabVIEW platformuna dayalı üst bilgisayar bölümü.
2 donanım parçası
2.1 Infrasound sinyal edinimi
InSYS2008 ultra düşük frekanslı infrasound ölçüm sensörü, kapasitif bir infrasound sensördür.Düşük sıcaklık katsayısı, geniş çalışma sıcaklığı aralığı, geniş çalışma nem aralığı ve nemli iklim özelliklerine sahiptir ve hassasiyet üzerinde minimum etkiye sahiptir.Sensör yalnızca ses dalgalarına duyarlıdır. Titreşime duyarlı değildir, iyi bir anti-titreşim performansına ve uzun vadeli sağlamlığa sahiptir. Sensörün frekans yanıt aralığı 0,001 Hz ~ 100 Hz'dir ve hassasiyet, infrasound sinyal edinme gereksinimlerini tam olarak karşılayabilen 750 mV / Pa'dır.
2.2 Sinyal koşullandırma
Atmosferdeki infrasound yayılması sırasında, rüzgar gürültüsü ve arazi faktörlerinin neden olduğu sinyal örtüşmesi, kazara olayların neden olduğu gürültü ve sistem gürültüsü ana girişimlerdir. Filtre devresi tasarımı, çok hızlı bir yuvarlanma hızına sahip sekizinci dereceden eliptik filtre MAX293'ü kullanır ve geçiş bandından durdurma bandına geçiş bandı çok dar olabilir.Sabit frekans yanıt işlevine sahiptir ve yalnızca ayarlanması gerekir. Kesme frekansı iyi. Bu tasarımda STM32, ulaşmak için önceden ayarlanmış kesme frekansı değerine göre karşılık gelen CLK sinyalini çıkarır. Filtre devresi, AVDD'nin 5 V ve DVDD'nin 3,3 V olduğu Şekil 2'de gösterilmektedir. Resimdeki NCMOS devresi, seviye iki yönlü dönüşüm işlevini tamamlar.Pratik uygulamalarda test edilmiş, infrasound sinyalin gerekli frekans bandı bilgilerini korurken paraziti etkili bir şekilde bastırabilir.
2.3 Veri toplama ve işleme
Sinyal toplama, TI tarafından üretilen ADS1246'yı kullanır. 24 bit delta-sigma tipi yüksek hassasiyetli analogdan dijitale dönüştürücüdür.Maksimum veri çıkış hızı 2 kS / s'dir.İhtiyaçlarınıza göre ilgili kayıtları yapılandırabilir ve farklı ayarlayabilirsiniz. Örnekleme oranı ve PGA kazanç değeri.
Veri işleme, sistemin kontrol çekirdeği olarak STM32 serisi tek çipli mikro bilgisayarı kullanır.Yüksek performans, düşük güç tüketimi, düşük maliyetli ve hızlı işlem hızına sahip en son 32 bit ARM Cortex-M3 çekirdeğini kullanır.Çalışma frekansı 72 MHz'e kadar ulaşabilir ve ayrıca zengin Çevre birimleri. Bu tasarımda, STM32F103ZE ana kontrol yongası olarak kullanılır ve veri toplama ve iletimini gerçekleştirmek için SPI çevre arabirimi üzerinden ADS1246 ve ağ arabirim yongası ENC28J60 ile doğrudan iletişim kurar. İlgili şematik diyagram Şekil 3'te gösterilmiştir.
2.4 Veri depolama
Bu tasarımda, ağ geçici olarak bloke edildiğinde veya sunucu kapatıldığında, veriler veri kaydına kaydedilir.Ağ bağlandıktan sonra, kayıt defterindeki veri dosyası iletim için ağ portuna gönderilir. Geçici depolama, büyük kapasiteli SD kart ve USB disk kullanır ve geçici depolamanın önceliği şu şekilde ayarlanır: USB disk, SD kart. Ağ geri yüklendikten sonra devam eden verilerin önceliği hala: USB disk, SD kart. Bu şekilde verilerin USB diskte depolanması ve yerinde veri alımının gerçekleştirilmesi amacı sağlanabilir.
3 Yazılım bölümü
3.1 LabVIEW iletişim bölümü tasarımı
Ana bilgisayar yazılım geliştirme platformu, grafik programlama dili G'yi kullanan, veri toplama, GPIB, seri cihaz kontrolü vb. İçin zengin bir genişletilmiş işlev kitaplığına sahip olan ve çok güçlü işlevlere sahip akış şeması tarzı bir programlama yöntemi kullanan LabVIEW'i kullanır. LabVIEW programlama tasarımı, ön panel bölümü ve blok diyagram bölümü olarak ikiye ayrılmıştır: Birincisi, değerleri ayarlamak ve çıkışı gözlemlemek için gerçek bir enstrümanın ön panelini simüle edebilir ve ikincisi, ön panele karşılık gelen G dili programıdır. Bu tasarımda, LabVIEW ana bilgisayar tasarımı esas olarak kontrol panelini ve ekran panelini içerir. Birincisi, edinim sistemi örnekleme hızı, filtre kesme frekansı ve diğer ilgili parametrelerin konfigürasyonunu tamamlamak için esas olarak alt bilgisayara kontrol komutları gönderir.Aynı zamanda, alt bilgisayar tarafından gönderilen konfigürasyon tamamlama sinyalini aldıktan sonra veri toplamayı başlatmak için bir başlatma komutu gönderir; ikincisi esas olarak İlgili parametre konfigürasyonunun etkili olmasını sağlamak için cihazın çalışma koşullarının yerinde izlenmesi için kullanılır.Aynı zamanda, yerinde gerçek zamanlı gözlem ve veri saklama gerçekleştirebilir.
Üst bilgisayar ve alt bilgisayar, seri bağlantı noktası kesmesi aracılığıyla etkileşimi ve el sıkışma işlemini tamamlar. Şekil 4, esas olarak kontrol komutlarının gönderilmesi ve ADC tarafından toplanan verilerin alınması ve görüntülenmesi dahil olmak üzere, LabVIEW üst bilgisayarının ve STM32 alt bilgisayar bölümü iletişiminin alt bilgisayar yazılımı tasarım akış şemasıdır.
3.2 STM32 yazılım tasarımı
STM32, geliştirme ortamı olarak MDK kullanır STM32 yazılım tasarımı temelde ADS1246'yı kontrol etmek için SPI modunu, ağ arabirim yongasını kontrol etmek için SPI modunu ve SD kartı kontrol etmek için SDIO modunu içerir. İlgili tasarım süreci Şekil 5'te gösterilmektedir.
Sistem açıldıktan sonra başlatılır ve ardından ilgili parametrelerin konfigürasyonunu tamamlamak ve veri alımını başlatmak için LabVIEW ana bilgisayar tarafından seri port üzerinden gönderilen kontrol komutunu alır. Aynı zamanda ENC28J60 sıfırlama ve çalışma modu ayarı gibi ilgili işlemleri tamamlayın ve ardından ağın bağlanmasını bekleyin. Ağ kullanılamıyorsa, toplanan veriler geçici depolamada saklanacaktır.Ağ bağlantısı algılandığında, geçici depolamadaki veriler belirlenen önceliğe göre ağ bağlantı noktası üzerinden uzak sunucuya gönderilecektir.
Bu tasarımda, mikro denetleyici sinyal verilerini aldıktan sonra, veriler gerçek zamanlı olarak veya gruplar halinde sabit bir zaman aralığında, yani LabVIEW kontrol paneli aracılığıyla iletilebilir, iletim sabit bir T zaman aralığında iletilecek şekilde ayarlanabilir ve her iletim veri uzunluğu N'dir. veri iletimi. Veriler ikili formattadır, her veri sırayla düzenlenmiş 4 B ikili koddur. Ayrıca tasarımda, zaman, enlem ve boylam gibi bazı gerekli bilgileri kaydetmek için her veri dosyasının başlığına 64 B karakterlik veri eklenir, böylece iki parça gerçek veri dosyasını oluşturur. Daha sonra, her veri dosyası aktarım için ağ bağlantı noktasına gönderilir ve aktarım, TCP / IP protokolünü benimser.
4 Test ve özet
Şekil 6, bu kablosuz infrasound edinim sistemi kullanılarak sunucu tarafında MATLAB tarafından çizilen infrasound sinyalinin zaman alan dalga formu diyagramıdır. Şekildeki tepe noktası, bir dahaki sefere ses alanının anormal olduğunu gösterir. Tekrarlanan deneysel testler, bu sistemin gürültü alanlarının varlığında infrasound sinyallerin ölçümünü ve iletimini daha iyi tamamlayabildiğini göstermektedir; bu, infrasound sinyallerin daha ileri işlenmesi, araştırılması ve uygulanması için büyük önem taşımaktadır.
Referanslar
Liu Junmin, Tang Wei, Wang Xiaoming, ve diğerleri.Infrasound sinyal üretim mekanizmasının ve özelliklerinin analizi Çevre Mühendisliği, 2010,28 (4): 92-96.
Xia Yaqin, Hu Zhengjie, Zheng Fei Depremden önce infrasound karakteristik sinyal üzerine araştırma. Journal of Beijing University of Technology, 2005, 31 (5): 461-470.
Xie Jinlai, Tao Zhongda, Xie Zhaohua. Yüksek hassasiyetli geniş bant infrasound sensörü. Nükleer Elektronik ve Algılama Teknolojisi, 2003, 23 (5): 428-432.
Xia Yaqin, Wang Wei, Zhang Bin, ve diğerleri. Infrasound sinyaller için veri toplama sistemi Journal of Beijing University of Technology, 2006, 32 (6): 573-576.
Sun Qiuye, Liu Ang, Wang Yunshuang LabVIEW 8.5 Hızlı Başlangıç ve İyileştirme Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press, 2009.
