專利名稱：面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種無線傳感網絡節點，尤其涉及一種面向主動結構健康監測的具 備高速采樣率的無線傳感網絡節點。二、 背景技術無線傳感網絡技術是目前國內外研究者廣泛關注的一個重要研究領域，其技 術已經應用到國防軍事、動物的習性觀測、工程結構健康監測、交通管理、醫療 衛生、災害監測等領域中。無線傳感器網絡不需要固定網絡支持，具有快速展開， 抗毀性強等獨特優點;基于無線傳感器網絡組成的分布式監測網絡可以大大減少 器件引線數量，使得無線傳感器可方便的安裝于監測環境比較復雜，不便于引線 的部位；由于無線傳感器網絡節點具有局域信號處理功能，很多信號信息處理工 作可在傳感節點附近局部完成，將大大減少所需傳輸的信息量，并將原來由中央 處理器實現的串行處理、集中決策的系統，變為一種并行的分布式信息處理系統， 將大大提高監測系統的運行速度及決策的可靠性和靈活性;另外無線傳感網絡在 設計時所著重考慮的低功耗特點也可減少能源供給裝置的重量并可實現對監測 對象的長期在線監測。結構健康監測是無線傳感網絡技術的一項重要應用方向。檢測出損傷位置、 判斷損傷大小和損傷形式是結構健康監測系統的目標。結構健康監測系統中使用 的損傷識別技術粗略分有兩種基于振動信息的方法和基于波信息的方法。從是 否采用激勵驅動器來分又分為主動監測技術和被動監測技術。主動監測技術的基 本思想是采用驅動器在復合材料表面激發主動監測信號，與此同時傳感器在同 一表面的其他一個或多個地方接收結構的響應信號，并對響應信號進行分析，據 此對結構中的損傷進行監測。主動監測技術較被動檢測技術(結構中未埋入激勵 驅動器)的優點在于可以在任何需要的時刻對結構進行在線監測，無需時刻監 測，因此有效且節省能源；對環境噪聲和干擾能力具有抑制能力；由于使用了預 知激勵信號，所以能從傳感接收到的關于結構"健康"與否的信號更精確地計算 出可靠的結構狀態。然而目前常規的測試技術，如PXI、 VXI測試系統，由于系統硬件之間都采 用導線連接，在工程結構較大、傳感器較多的情況下，這類技術往往使得健康監 測系統重量急劇增加，復雜性也大大提高。無線傳感網絡技術的出現為解決這些 問題提供了可能。先進的無線傳感網絡相比傳統的有線網絡而言，不需要導線， 非常有利于減輕結構的重量，而且隨著微機械技術的發展，無線智能傳感器的體 積也在逐漸減小，更有助于在結構健康監測系統中的應用。但是目前基于主動監測方法的結構健康監測技術采用的激勵信號頻率高(100Ksps—500Ksps甚至更高)，沒有滿足上述要求的高速采樣率的無線傳感網 絡節點，國內外無線傳感網絡節點的最高采樣頻率都在100Ksps以內，并且現有 的通用高速測試系統結構復雜、體積龐大，無法和無線傳感網絡技術結合。目前關于國內外沒有涉及采用低功耗DSP技術的面向主動結構健康監測應 用的低功耗高速無線傳感網絡節點的相關專利。本發明針對高速信號采集、處理 和主動結構監測方法的應用要求，提供了一種面向主動結構健康監測的高速無線 傳感網絡節點。 三、發明內容1、 技術問題本發明要解決的問題是提供一種具備高速采樣率的無線傳感網絡節點，能夠 滿足結構健康監測中激勵信號頻率高(100Ksps—500Ksps甚至更高)的要求。2、 技術方案為了解決上述的技術問題，本發明的面向主動結構健康監測的高速無線傳感 網絡節點包括設置在待監測結構中的壓電驅動元件產生激勵信號的高速結構激 勵模塊、對結構響應信號進行調理的高速壓電信號調理模塊和對高速壓電信號調 理模塊輸出的信號進行采集的高速無線數據采集模塊。其中，高速結構激勵模塊包括低功耗計時器單元和信號放大單元，低功耗計 時器單元產生的激勵信號經過信號放大單元輸入結構中的壓電驅動元件；低功耗計時器單元主要組成為低功耗的555定時器，以產生驅動壓電元件的激勵信號， 然后，該激勵信號輸出至壓電驅動元件，對監測結構進行激勵，實現主動結構監 測。考慮到激勵的壓電陶瓷驅動元件為容性負載，為了消除容性負載造成的輸出 信號不穩定的問題，采用高增益及CF補償的方法，即在運放的兩端并聯電容的 方法，用于保持激勵信號的穩定性。低功耗的設計要求是指在電池供電狀態下， 能夠持續工作達數月甚至數年，工作電流為毫安或者微安級。高速數據采集是指 采集系統的主要工作頻率達到20MHz以上，數據采集速率達到或者超過10MSPS 的量級。高速壓電信號調理模塊中，結構中壓電驅動元件經高速結構激勵模塊驅動產 生的結構響應信號依次經過電壓信號放大單元、信號濾波單元和跟隨輸出單元進 行信號調理。高速壓電信號調理模塊將結構激勵響應的高速電荷量傳感信號轉化 為電壓信號并放大，然后通過高速信號濾波單元濾除外部干擾信號，最后高速信 號跟隨輸出單元將經過調理的高速壓電傳感信號輸出到高速無線數據采集模塊。高速無線數據采集模塊包括接收高速壓電信號調理模塊輸出信號的多通道 高速信號采集單元、低功耗DSP處理單元、無線通信單元和電源管理單元。在無線傳感網絡的應用中，由于客觀條件的限制，通常采用電池為傳感網絡節點提供 電源，在這種情況下，低功耗系統的設計顯得尤為重要。本發明采用低功耗集成 芯片設計了多通道高速信號采集、低功耗DSP處理和無線通信等主要模塊。根據 上述高速、低功耗的系統要求，以單片DSP芯片構成高速數據處理模塊；因為 DSP芯片的功耗與硬件系統的電源電壓有關，選擇低電壓供電的DSP器件可以降 低系統功耗。選擇低電壓供電的DSP除了能減小DSP本身的功耗以降低系統的總 功耗外，還可以使外部邏輯電路功耗降低，這對實現系統低功耗有著重要的作用。多通道高速信號采集單元以高速A/D轉換芯片為主設計電路，在模擬通道信 號輸入A/D轉換芯片之前，設計同相放大電路作為A/D轉換前的輸入級，提高傳 感信號通道的穩定性。同時采用大容量的靜態存儲器，用于暫存ADC的轉換結 果。無線通信單元采用了單一集成射頻芯片負責無線信號的收發通信。高速結構激勵模塊分為波形產生級和濾波級，濾波級進行信號濾波及放大， 濾波級的信號放大單元中，運算放大器的反向輸入端與輸出端之間設有第一電 容，正向輸入端通過第二電容接地。高速無線數據采集模塊通過高速結構激勵模塊工作方式變化，啟動和停止主 動結構健康監測任務的執行。本發明的面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點之間通過無線通 信的方式可組成主動結構監控網絡系統。 3、有益效果采用本發明的基于低功耗DSP技術的面向主動結構健康監測的高速無線傳 感網絡節點可以快速組建低功耗無線主動結構健康監測系統，完全可以取代現有 的復雜龐大的通用測試系統，具有重量輕、體積小、集成度高、局部處理能力強、 采樣速率高和功耗低的優點。四

圖1是高速結構激勵模塊的電路原理圖；圖2是高速壓電信號調理模塊的電路原理圖；圖3是高速無線數據采集模塊的原理圖；圖4是基于本發明的面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點組建的低 功耗無線主動結構健康監測系統原理示意圖。五具體實施方式
本實施例的面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點包括向設置在 待監測結構中的壓電驅動元件產生激勵信號的高速結構激勵模塊、對結構響應信 號進行調理的高速壓電信號調理模塊和對高速壓電信號調理模塊輸出的信號進 行采集的高速無線數據采集模塊。其中，如圖l所示，高速結構激勵模塊包括低功耗計時器單元和信號放大單 元，低功耗計時器單元產生的激勵信號經過信號放大單元輸入結構中的壓電驅動 元件。低功耗計時器單元主要部分為低功耗TLC555芯片，其產生所需的激勵信 號波形，如正弦波、方波和三角波等；激勵信號輸出到壓電驅動元件，對監測結 構進行激勵，實現主動結構監測，激勵幅值士35V內可調，激勵頻率為100KHz 500KHz可調。低功耗TLC555芯片周邊的電路采用現有技術，實現微型、低功 耗、波型產生和激勵功能。激勵信號經過濾波和放大，對壓電驅動元件進行激勵， 考慮到激勵的壓電陶瓷驅動元件為容性負載，為了消睡容性負載造成的輸出信號 不穩定的問題，采用高增益及CF補償的方法，即在運算放大器CA3140的兩端 并聯電容C3和C4，實現了激勵信號的穩定性。如圖2所示，高速壓電信號調理模塊中，結構中壓電驅動元件經高速結構激 勵模塊驅動產生的結構響應信號依次經過電壓信號放大單元、信號濾波單元和跟 隨輸出單元進行信號調理。結構響應信號首先轉換為零到幾十毫伏的正值電壓， 經過放大電路輸出，放大電路放大倍數50 100倍可調。其中電壓信號放大單元 和跟隨輸出單元中的運算放大器采用了低功耗放大芯片OPA340，工作電壓僅為 2.5V，輸出幅值范圍為0 3伏。如圖3所示，高速無線數據釆集模塊由多通道高速信與采集單元、低功耗 DSP處理單元、無線通信單元和電源管理單元組成。在無線傳感網絡的應用中， 由于客觀條件的限制，通常采用電池為傳感網絡節點提供電源，在這種情況下， 低功耗系統的設計顯得尤為重要。根據高速、低功耗的系統要求，以單片DSP 芯片構成高速數據處理模塊；因為DSP芯片的功耗與硬件系統的電源電壓有關， 選擇低電壓供電的DSP器件可以降低系統功耗。選擇低電壓供電的DSP除了能減 小DSP本身的功耗以降低系統的總功耗外，還可以使外部邏輯電路功耗降低，這 對實現系統低功耗有著重要的作用。本實施例選用德州儀器公司(TI)的新型低 功耗DSP器件TMS320C55X系列用于高速數據的處理，TMS320C55X系列的核心可 以在0. 9V和0. 05mW/MIPS環境下運行，傳輸速率可達800MIPS，其功耗相當于 TI上一代芯片C54X功耗的15呢左右。DSP的電源供電設計選用TI的TPS767D3XX 系列器件，該系列器件將兩個l-A線性穩壓器和兩個上電復位開關封裝在一起， 降低了組件數量和電路板大小及成本，同時能夠在全部l-A輸出范圍內提供極快 的瞬態響應、低壓差和恒定的低靜態電流(典型值為85uA)。多通道高速信號采集單元以高速A/D轉換芯片為主設計電路，在模擬通道信 號輸入A/D轉換芯片之前，設計同相放大電路作為A/D轉換前的輸入級，提高傳 感信號通道的穩定性；本實施例采用TLV2761低功耗運放芯片，工作電流僅為 20uA，關斷時電流可低至10nA， TLV2761采用CMOS軌對軌輸入輸出，是專為電池供電等低功耗系統而設計的。高速A/D轉換芯片選用了美信公司的超低功耗 A/D轉換器MAX119X系列器件，具有兩個全差分寬帶跟蹤/保持(T/H)輸入，具 備440MHz帶寬，允許全差分或單端信號輸入。MAX1191在1.875MHz輸入頻 率和7.5Msps采樣速率下，達到了 48.6dB典型的信號與噪聲和失真比(SINAD)， 僅消耗功率12mW。除了超低運行功率特性外，MAX1191還具備三種關斷模式， 以降低空閑期間的功率消耗。其優異的動態性能、超低功率和小尺寸等特性，使 MAX1191完全滿足節點的性能要求，MAX1192的采樣率達到22Msps，MAX1193 的采樣率為45Msps。模塊還選用了大容量(8Mbyte)的靜態存儲器(SDRAM) HY57V281620HC，用于暫存ADC的轉換結果。無線通信單元采用了 TI公司的單一集成射頻芯片CC2420，它符合IEEE 802.15.4規范，具有在802.15.4規范上創建的安全和應用層接口、工作于免授權 頻段2.4GHz、以年計算的超低電池壽命、極大可伸縮的網格和星型網絡拓撲、 具備可支持65535個網絡節點的大網絡容量等諸多優點。如圖4所示，基于本實施例的面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節 點組建的低功耗無線主動結構健康監測系統的原理框圖。系統通過無線方式連接 各高速無線傳感網絡節點，從而組建成無線低功耗主動結構監控網絡系統；高速 無線傳感網絡節點通過控制高速結構激勵模塊的工作方式啟動和停止主動結構 健康監測任務的執行。本實施例的面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點組建的低功耗 無線主動結構健康監測系統通過低功耗軟件設計方法實施，即從底層軟件模塊設 計出發，優化系統的低功耗性，說明如下(l)根據工作狀態控制系統時鐘頻率， 使得DSP器件適速運行以降低系統功耗；(2)為減低系統功耗DSP內部執行不 同的指令時所消耗的電流，軟件設計時盡可能地將待處理的數據存儲在同一個數 據塊中；(3)為省去驅動外部程序存儲器接口電路所需要的電流，盡可能使得程 序在片內ROM中運行。
權利要求
1、一種面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點，其特征在于，包括向設置在待監測結構中的壓電驅動元件產生激勵信號的高速結構激勵模塊、對結構響應信號進行調理的高速壓電信號調理模塊和對高速壓電信號調理模塊輸出的信號進行采集的高速無線數據采集模塊。
2、 如權利要求1所述的面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點， 其特征在于，高速結構激勵模塊包括低功耗計時器單元和信號放大單元，低功耗 計時器單元產生的激勵信號經過信號放大單元輸入結構中的壓電驅動元件。
3、 如權利要求1所述的面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點， 其特征在于，高速壓電信號調理模塊中，結構中壓電驅動元件經高速結構激勵模 塊驅動產生的結構響應信號依次經過電壓信號放大單元、信號濾波單元和跟隨輸 出單元進行信號調理。
4、 如權利要求1所述的面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點， 其特征在于，高速無線數據采集模塊包括接收高速壓電信號調理模塊輸出信號的 多通道高速信與采集單元、低功耗DSP處理單元、無線通信單元和電源管理單元。
5、 如權利要求2所述的面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點， 其特征在于，高速結構激勵模塊的信號放大單元中，運算放大器的反向輸入端與 輸出端之間設有第一電容(C3)，正向輸入端通過第二電容(C4)接地。
6、 如權利要求4所述的面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點， 其特征在于，高速無線數據采集模塊通過高速結構激勵模塊啟動和停止主動結構 健康監測任務的執行。
7、 如權利要求1所述的面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點， 其特征在于，通過無線通信的方式組成主動結構監控網絡系統。
全文摘要
本發明涉及一種面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點，其特征在于，包括向設置在待監測結構中的壓電驅動元件產生激勵信號的高速結構激勵模塊、對結構響應信號進行調理的高速壓電信號調理模塊和對高速壓電信號調理模塊輸出的信號進行采集的高速無線數據采集模塊。采用本發明的基于低功耗DSP技術的面向主動結構健康監測的高速無線傳感網絡節點可以快速組建低功耗無線主動結構健康監測系統，完全可以取代現有的復雜龐大的通用測試系統，具有重量輕、體積小、集成度高、局部處理能力強、采樣速率高和功耗低的優點。
文檔編號H04Q7/34GK101262378SQ20081002324
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月3日 優先權日2008年4月3日
發明者丁建偉, 鍵 吳, 盈 尚, 李耀曾, 袁慎芳 申請人:南京航空航天大學