基于PSoC的无线静载仪采集系统

     摘要：根据静载检测系统对系统结构和功能的新需求，采用Cypress公司的CY8C24894芯片作为系统的主控部分，提出了基于子节点、汇聚节点、上位机三层结构的数据传输方案，设计了节点、传感器接口、无线传输模块等硬件电路，给出了前端数据采集、通信控制等软件流程，并成功实现US－BUART仿真串口通信功能。实际测试表明，该系统操作简便、实时性强、精度高，可广泛应用于桩基承载力的静载试验中。

　　近年来，我国工程建筑事业开展迅猛，城市高层建筑也随之得到了前所未有的高速发展。桩基的成桩质量与其实际承载力关系到整个高层建筑的设计和安危，因此对于高层建筑而言，桩基承载力检测非常重要。我国建筑桩基技术规范（JCJ94－94）规定：对于一级建筑物以及缺乏可参照试桩资料的二级建筑物为确定单桩竖向极限承载力，应进行现场静载试验。

　　现有的静载检测仪虽然做到了白动化、智能化，但是都是基于有线连接方式的，并且所使用的8位MCS－51单片机功耗较大、功能较单一，数据盒与上位机交换数据采用RS－232串口通信，无法适应电子系统无线化、小型化、高效化、集成化、节能化的发展需求。并且新一代的PC机上的COM接口已逐浙消失，单独设计USB转RS－232会带来不必要的麻烦，开发带有USBUART仿真串口的传输接口是当今检测仪器的发展需要。

　　PSoC的特点在于既具有8位微控制器的处理能力，又集成了多种可编程数字用户模块。值得一提的是，PSoC史无前例地集成了多种可编程模拟用户模块功能，将全数字式的微控制器设计与纯粹的模拟设计相结合，是一种具有SoC的基本原理的、基于高度灵活且完全可编程混合信号的全新一代器件。

　　CyFi低功耗无线射频技术开发简便、协议栈结构精简、可实现多信道跳变等特点，使其成为无线技术应用领域的新生力量，能广泛应用于工业、消费电子、汽车家电、智能建筑等多种无线控制应用中。

　　CY8C24894是Cypress公司推出的带有M8C控制内核的PSoC可编程片上系统，系统资源中带有USBUART传输模块。本文围绕这款高性能、低功耗的片上系统设计了一个无线采集系统。

　　1系统组成与设计原理

　　系统分为数据采集部分与数据上传部分。数据采集部分由5个子节点和1个汇聚节点通过CyFi无线传输技术组成。其中，子节点又分为4个位移子节点和1个压力子节点。子节点的核心控制单元是PSoC可编程片上系统，负责接收传感器数据并控制CyFi无线模块发送。另外，位移传感器采用数字容栅式MS50传感器，输出量为数字信号。压力传感器采用压阻式压力传感器MPM480，输出量为模拟信号，需进行A／D转换。
 

　　数据上传部分由汇聚节点与上位机通过USBUART传输技术组成，汇聚节点由基于PSoC可编程片上系统的数据盒控制。数据盒通过CyFi无线模块，收集到全部子节点的传感器数据并进行存储，当得到上位机读取数据命令后，通过USB接口模拟的串口将数据上传给上位机。系统整体设计方案如图1所示。

图1 采集系统框图

　　2系统硬件设计

　　2.1 CY8C24894可编程片上系统

　　CY8C24894是一种高速低功耗的芯片，内含的M8C处理器工作频率最高可为24 MHz，工作电源为3．3 V或5 y。CY8C24894内含1个XRES引脚支持系统内串行ISSP编程和外部复位控制。并且，CY8C24894不需要外部晶振驱动便可以开始工作。CY8C24894包含7个lO端菅口：Port0、Polt1、Polt2、Port3、Port4、Port5 和 Port7，共49个GPIO。模拟系统包括2列6个可编程模拟模块和模拟互联逻辑，数字模块包括1行4个可编程数字模块和数字互联逻辑，另CY8C24894片上还集成了16 KB的Flash程序存储器，1 KB的SRAM数据存储器。

　　可编程片上系统CY8C24894集成了全速USB通信模块、2个带32位累加的高速8位乘法器、多个SPI主、从设各、6～14位模数A／D转换器、滤波器、最大增益为48的可编程增益放大器PGA、6～9位模数D／A转换器、电压比较器等片上资源。

　　2．2无线模块

　　射频芯片采用CYRF7936芯片，为40引脚的QFN封装芯片。工作的ISM频段为2．4 GHz～2 483 GHz，工作电压为1．8 V～3．6 V，支持速度为4 MHz的sPI微控制器接口，需外接12 MHz的晶振。

　　CyFi无线射频技术是Cypress公司2008年底提出的面向嵌人式控制领域的一款低成本＼低功耗、高可靠性的无线射频解决方案，工作于无许可限制的2，4 GHz［SM频段。CyFi无线射频解决方案由PSoC控制核心、无线射频收发器和CyFi星型网络协议栈组成。PSoC可编程片上系统包含了CyFi星型网络协议栈预配置固件用户模块，并以源代码的形式提供了全部应用程序的接口，总共只需8个API指令便能完成设计。CyFi收发器输出功率高达＋4 dBm，接收灵敏度高达－97 dBm，能实现跳频传输和DSSS调制抗干扰，并能根据链接管理需求，自动调节传输数据速率，以1 Mbis、250 kb／s或125 kb／s的速率进行通信。

　　2.3传感器模块
 

　　本设计中位移子节点采用岩土工程监测中常用的数字容栅式位移传感器MS50，其分辨率为0．01 mn1，精度为±0 03 min，电子容栅式位移传感器MS50的输出信号如图2所示，分为CLK和DATA两路信号进行传输⊙由示波器检测输出信号可知：信号的头尾为标志位，且为4位高电平值。位移传感器MS50每250 Ins传输一帧48位的数据包，这个数据包由各分为24位的两组数据组成。其中，后一组数据为前一组数据减去基准零值后的差值，即为前一组数据的倒相输入。

图2位移传感器输出信号格式

　　MS50传感器的输出时钟频率为90 kHz，出现标志位后，时钟信号第一次有电平向下跳变时，开始读取数据信号上的信息，直到尾部标志位出现为止。采集到的数据经过转换后，输出DATA和CLK两个信号，供CY8C24894读取。

　　压力子节点采用的是MPM480压阻式压力传感器，供电电源为15 V～28 V，输出为模拟信号4 mA～20mA。由于CY8C24894内部含有可编程增益放大器PGA和模数转换器ADC，所以将压力传感器输出信号转换为电压信号后直接连CY8C24894的模拟输人引脚。接口电路如图3所示。

图3压力传感器接口电路

　　2．4总体硬件电路

　　总体电路由4个位移子节点电路、1个压力子节点电路和1个汇聚节点电路组成。CY8C24894与CYRF7936的连接如图4所示。

图4 CY8C24894与CYRF7936

　　子节点包括位移传感器子节点和压力传感器子节点两种。CY8C24894读取位移数据后，将位移量保存在数据存储器中，并保持位移量实时更新。当需要传输位移数据量时，CY8C24894控制SPI总线以主设备模式向从设各模式的无线射频模块CYRF7936传输信号，并以无线方式发送出去，SPI模块工作时钟YCI为系统的四分频，即6 MHz。压力传感器子节点输出的是模拟量，因此需要进行A／D转换后才能由控制核心CY8C24894存储和控制射频模块发送。而A／D转换功能使用CY8C24894可编程片上系统自身所带的12位模数转换器，模数转换器在CY8C24894中需要占用2个可编程数字用户模块和1个可编程模拟模块。子节点电路设计如图5所示。

　图5子节点电路设训

　　汇聚节点的硬件设计和子节点的硬件设计类似，但是不再需要前端采集模块。汇聚节点在解析命令后通过SPI总线控制CYRF7936无线射频模块发送命令。在得到回复后将信息再由CYRF7936无线别频模块通过SPI总线传输给控制核心，并最终通过USBUART仿真串口反馈给上位机。汇聚节点电路如图6所示。

　图6汇聚节点电路设计

　　3系统软件设计

　　3.1子节点软件设计

　　子节点采集功能分为位移量采集和压力量采集。位移传感器的输出信号在CLK时钟信号出现下跳沿时，开始数据传输，而如果此时出现中断，则会导致位移量采集无法进行，在检测到CLK的标志信号后，应关闭中断，让位移数据采集正常进行，读取完成后对数据进行处理并保存更新，同时再次打开外部中断，等待下一次位移数据的采集，位移量采集流程如图7所示。

图7位移量采集流程

　　压力采样过程为：首先读取压力传感器的输入信号，并通过CY8C24894内部可编程增益放大器PGA对模拟信号进行放大，对放大后的压力数据进行模数转换，其中模数转换器ADCINC12时钟为VC2，即val的三分频2 MHz。转换完成后，对数据进行处理、保存、更新，压力量采集流程如图8所示。

图8压力量采集流程

　　3．2汇聚节点软件设计

　　在接到上位机命令后，汇聚节点进行命令解析。当开始读取并更新数据工作时，首先读取汇聚节点在侦测阶段确认的子节点个数和网络标号，按照网络标号开始逐个读取位移量。没有得到回复时，反复二次延时70 ms再次发送读取命令，若还没有回复则工作指示灯熄灭，转向下一个子节点；如果得到回复，则更新原先存储在汇聚节点的该子节点信息并保存，计数器加一，完成后向下一个节点发送读取信息，直到之前侦测得到所有节点全部询问到。当进人传输数据工作时，初始化USBUART功能模块，并打开全局中断。检测需要发送的数据个数，发送数据个数非空时，从读取区读取待发送的数据，并检测发送区是否空闲，当发送准各完毕后，开始数据传输。汇聚节点工作流程如图9所示。

图9 汇聚节点工作流程

　　本系统充分利用CY8C24894可编程片上系统的高效性和低功耗性，并配合CyFi低功耗无线技术为静载试验的采集工作服务。不仅满足了静载检测的需求，也使得虚拟检测仪器的研究在无线化、小型化、高效化、低功耗、功能全面的方向有了新的设计思路。

　　经实际测试，汇聚节点与子节点的无线传输距离可达到⒛m，传感器数据采集正常，并且能在预设的监控软件中实时显示。测试表明系统具有稳定性好、集成度高、功耗水平低等特点，具有广泛的市场应用前景。