专利名称：一种基于振弦式传感器的数据采集系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于振弦式传感器的数据采集系统，特别涉及一种可拓展的基于振弦式传感器的应变数据采集系统，属于土木结构健康监测技术领域。
背景技术：
结构体的健康监测，是为了确保从施工阶段到工程竣工乃至整个使用寿命周期内的结构体的安全性和可靠性。振弦式传感器在结构体的长期的健康监测中得以广泛应用。很多大型结构体都安装了振弦式传感器，通过应变读数仪装置测量结构体的应变值，但目前的装置具有以下不足I.通常一个装置只有一个传感器接口，只能对一个测点进行数据采集，而工业现场往往需要对多个(几十个、甚至是上百个)点进行监测，就需要对多个装置进行单独操 作；多个装置间彼此独立；2.单向通信，现有的装置大多仅具备采集数据的单向通信功能，无法在试验需要时进行工作时间的调节，无法在系统工作空隙时自动休眠降低功耗。
实用新型内容本实用新型的目的是为了克服上述现有技术的缺陷，能够更方便、节能地对结构体进行长期的健康监测，提出了一种基于振弦式传感器的数据采集系统。本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。本实用新型的一种基于振弦式传感器的数据采集系统，包括上位机、USB协议与CAN协议转换网关、一个或者一个以上的数据米集模块、夕卜部供电电源、传感器；每个数据采集模块均包括处理器及处理器的外围电路、电源转换与稳压电路、电池电量监测电路、CAN总线接口电路、RS485总线接口电路、激频电路、拾频电路(频率信号放大与滤波整形电路)、恒流源激励电路、温度信号采集电路、数据存储电路、一个或者一个以上的传感器接口电路以及一个或者一个以上的带热敏电阻的振弦式传感器；传感器接口电路通过带屏蔽的四根信号线与振弦式传感器相连，分别用于向传感器进行激频、进行拾频、提供激励电流信号和获取传感器输出的电压形式的温度信号；激频电路将处理器产生的幅值为+5V的一路脉冲信号进行功率放大，并将功率放大后的信号通过开关驱动器产生多路激励脉冲，再经由传感器接口电路向传感器提供400Hz至6000Hz的幅值为+5V的的激励信号；拾频电路(频率信号放大与滤波整形电路)通过传感器接口电路获取传感器输出的共振频率信号(钢弦的固有频率)，经过高通滤波、低通滤波、信号放大和整形处理，并将处理后的信号送入处理器；恒流源激励电路通过传感器接口电路在处理器的控制下向各传感器提供激励电流，通过改变恒流源激励电路中负载电阻的阻值调节激励电流的大小；温度信号采集电路通过传感器接口电路获得各传感器输出的表征传感器温度的电压信号，并对该电压信号进行放大和滤波处理，将处理后的电压信号送入处理器的模拟量采集模块进行模数转换从而使处理器得到各传感器的温度信号；数据存储器电路为易失性存储器，通过数据总线和地址总线与处理器相连，用于临时存储处理器中接收到的数据；各数据采集模块的处理器均通过CAN总线接口电路连接到CAN总线上以实现多个数据采集模块的交互式连接，构成一个交互式数据采集系统，从而实现多模块的拓展功能；CAN总线再经由USB协议与CAN协议转换网关与上位机相连，将各采集模块中处理器采集的数据上传给上位机进行后续处理，同时接收上位机发出设置处理器的激频时间间隔、调节采样频率、休眠及其他与系统相关的控制指令；电源转换与稳压电路的输入为外部供电电源(6-24VDC)，电源转换与稳压电路的输出为处理器及其外围电路、电池电量监测电路、CAN总线接口电路、RS485总线接口电路、激频电路、拾频电路、恒流源激励电路、温度信号采集电路和数据存储电路提供电源； 电池电量监测电路用于检测电源转换与稳压电路的输出电压值，并将检测结果送入处理器，处理器再通过CAN总线接口电路及USB协议与CAN协议转换网关将检测结果送至上位机，由上位机实时显示数据采集模块的供电电压； 每个模块还预留了 RS485接口电路以备后期扩展，处理器通过RS485总线接口电路与外部的RS485总线通信；所述上位机为带USB接口的台式机或笔记本电脑。本实用新型的一种基于振弦式传感器的数据采集系统，其工作过程为I)数据采集模块的处理器通过USB协议与CAN协议转换网关经由CAN总线接口电路接收上位机发送的控制指令；2)处理器根据上位机发送的控制指令，通过控制总线和地址总线调整激频电路的工作时间间隔，并启动激频电路和拾频电路，同时调整温度信号采集电路的采样频率，并启动处理器的A/D采集；3)每个数据采集模块的传感器输出的共振频率信号(钢弦的固有频率)，经由拾频电路放大、滤波和整形后，得到固定频率和幅值的脉冲信号，并将其送入处理器；同时，传感器输出的电压形式的温度信号，经过放大和滤波处理后送入处理器，处理器通过内部集成的ADC模块进行A/D转换；4)处理器通过控制总线判断拾频完成后，同时A/D采集电路完成采样之后，通过数据总线读取共振频率值及温度信号A/D转换后的数据值；5)处理器将频率值和温度值进行FIR滤波处理，并将滤波处理后的数据值一方面存入数据存储器电路，另一方面经由CAN总线接口电路后通过USB协议与CAN协议转换网关传送给上位机；6)如果接收到上位机传来的休眠指令，处理器则控制数据采集模块进入低功耗模式。当监测现场所需要的监测点较多时，则需要多个数据采集模块，从而构成一个交互式数据采集系统。每个采集模块相对独立进行数据采集，将数据由CAN总线传给上位机。有益效果本实用新型结构简单、成本低、应用方便；可进行模块拓展，同时对几十个甚至上百个点进行监测并进行统一控制；在系统需要时，可以对各个采集模块的两次激频时间间隔进行更改；在某些模块工作空隙时，可以让该模块进入低功耗模式。
图I为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。实施例一种基于振弦式传感器的数据采集系统，如图I所示，该系统可拓展为多个数据采集模块，数据采集系统包括上位机、USB协议与CAN协议转换网关、一个或者一个以上的数据采集模块、外部供电电源、传感器； 每个数据采集模块均包括处理器及处理器的外围电路、电源转换与稳压电路、电池电量监测电路、CAN总线接口电路、RS485总线接口电路、激频电路、拾频电路(频率信号放大与滤波整形电路)、恒流源激励电路、温度信号采集电路、数据存储电路、一个或者一个以上的传感器接口电路以及一个或者一个以上的带热敏电阻的振弦式传感器；传感器接口电路通过带屏蔽的四根信号线与振弦式传感器相连，分别用于向传感器进行激频、进行拾频、提供激励电流信号和获取传感器输出的电压形式的温度信号；激频电路将处理器产生的幅值为+5V的一路脉冲信号进行功率放大，并将功率放大后的信号通过开关驱动器产生多路激励脉冲，再经由传感器接口电路向传感器提供400Hz至6000Hz的幅值为+5V的的激励信号；拾频电路(频率信号放大与滤波整形电路)通过传感器接口电路获取传感器输出的共振频率信号(钢弦的固有频率)，经过高通滤波、低通滤波、信号放大和整形处理，并将处理后的信号送入处理器；恒流源激励电路通过传感器接口电路在处理器的控制下向各传感器提供激励电流，通过改变恒流源激励电路中负载电阻的阻值调节激励电流的大小；温度信号采集电路通过传感器接口电路获得各传感器输出的表征传感器温度的电压信号，并对该电压信号进行放大和滤波处理，将处理后的电压信号送入处理器的模拟量采集模块进行模数转换从而使处理器得到各传感器的温度信号；数据存储器电路为易失性存储器，通过数据总线和地址总线与处理器相连，用于临时存储处理器中接收到的数据；各数据采集模块的处理器均通过CAN总线接口电路连接到CAN总线上以实现多个数据采集模块的交互式连接，构成一个交互式数据采集系统，从而实现多模块的拓展功能；CAN总线再经由USB协议与CAN协议转换网关与上位机相连，将各采集模块中处理器采集的数据上传给上位机进行后续处理，同时接收上位机发出设置处理器的激频时间间隔、调节采样频率、休眠及其他与系统相关的控制指令；电源转换与稳压电路的输入为外部供电电源(6-24VDC)，电源转换与稳压电路的输出为处理器及其外围电路、电池电量监测电路、CAN总线接口电路、RS485总线接口电路、激频电路、拾频电路、恒流源激励电路、温度信号采集电路和数据存储电路提供电源；[0044]电池电量监测电路用于检测电源转换与稳压电路的输出电压值，并将检测结果送入处理器，处理器再通过CAN总线接口电路及USB协议与CAN协议转换网关将检测结果送至上位机，由上位机实时显示数据采集模块的供电电压；每个模块还预留了 RS485接口电路以备后期扩展；上述上位机为带USB接口的台式机；上述处理器型号为P IC33FJ64GP706 ；上述CAN总线接口电路的主芯片为CTM8251 ；上述恒流源激励电路中恒流源型号为REF191 ；上述振弦式传感器数据采集系统的工作过程为 I)数据采集模块的处理器通过USB协议与CAN协议转换网关经由CAN总线接口电路接收上位机发送的控制指令；2)处理器根据上位机发送的控制指令，通过控制总线和地址总线调整激频电路的工作时间间隔，并启动激频电路和拾频电路，同时调整温度信号采集电路的采样频率，并启动处理器的A/D采集；3)每个数据采集模块的传感器输出的共振频率信号(钢弦的固有频率)，经由拾频电路放大、滤波和整形后，得到固定频率和幅值的脉冲信号，并将其送入处理器；同时，传感器输出的电压形式的温度信号，经过放大和滤波处理后送入处理器，处理器通过内部集成的ADC模块进行A/D转换；4)处理器通过控制总线判断拾频完成后，同时A/D采集电路完成采样之后，通过数据总线读取共振频率值及温度信号A/D转换后的数据值；5)处理器将频率值和温度值进行FIR滤波处理，并将滤波处理后的数据值一方面存入数据存储器电路，另一方面经由CAN总线接口电路后通过USB协议与CAN协议转换网关传送给上位机；6)如果接收到上位机传来的休眠指令，处理器则控制数据采集模块进入低功耗模式。当监测现场所需要的监测点较多，则需要多个数据采集模块，从而构成一个交互式数据采集系统。每个采集模块相对独立进行数据采集，将数据由CAN总线传给上位机。以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。
权利要求1.一种基于振弦式传感器的数据采集系统，其特征在于，系统包括上位机、USB协议与CAN协议转换网关、ー个或者ー个以上的数据米集模块、夕卜部供电电源、传感器； 每个数据采集模块均包括处理器及处理器的外围电路、电源转换与稳压电路、电池电量监测电路、CAN总线接ロ电路、激频电路、拾频电路、恒流源激励电路、温度信号采集电路、数据存储电路、ー个或者ー个以上的传感器接ロ电路以及ー个或者ー个以上的带热敏电阻的振弦式传感器； 传感器接ロ电路通过带屏蔽的四根信号线与振弦式传感器相连，分别用于向传感器进行激频、进行拾频、提供激励电流信号和获取传感器输出的电压形式的温度信号； 激频电路将处理器产生的幅值为+5V的一路脉冲信号进行功率放大，并将功率放大后的信号通过开关驱动器产生多路激励脉冲，再经由传感器接ロ电路向传感器提供400Hz至6000Hz的幅值为+5V的的激励信号； 拾频电路通过传感器接ロ电路获取传感器输出的共振频率信号，经过高通滤波、低通滤波、信号放大和整形处理，并将处理后的信号送入处理器； 恒流源激励电路通过传感器接ロ电路在处理器的控制下向各传感器提供激励电流，通过改变恒流源激励电路中负载电阻的阻值调节激励电流的大小； 温度信号采集电路通过传感器接ロ电路获得各传感器输出的表征传感器温度的电压信号，并对该电压信号进行放大和滤波处理，将处理后的电压信号送入处理器的模拟量采集模块进行模数转换从而使处理器得到各传感器的温度信号； 数据存储器电路为易失性存储器，通过数据总线和地址总线与处理器相连，用于临时存储处理器中接收到的数据； 各数据采集模块的处理器均通过CAN总线接ロ电路连接到CAN总线上以实现多个数据采集模块的交互式连接，构成ー个交互式数据采集系统，从而实现多模块的拓展功能；CAN总线再经由USB协议与CAN协议转换网关与上位机相连，将各采集模块中处理器采集的数据上传给上位机进行后续处理，同时接收上位机发出设置处理器的激频时间间隔、调节采样频率、休眠及其他与系统相关的控制指令； 电源转换与稳压电路的输入为外部供电电源，电源转换与稳压电路的输出为处理器及其外围电路、电池电量监测电路、CAN总线接ロ电路、激频电路、拾频电路、恒流源激励电路、温度信号采集电路和数据存储电路提供电源； 电池电量监测电路用于检测电源转换与稳压电路的输出电压值，并将检测结果送入处理器，处理器再通过CAN总线接ロ电路及USB协议与CAN协议转换网关将检测结果送至上位机，由上位机实时显示数据采集模块的供电电压。
2.根据权利要求I所述的ー种基于振弦式传感器的数据采集系统，其特征在于，所述上位机为带USB接ロ的台式机或笔记本电脑。
3.根据权利要求I所述的ー种基于振弦式传感器的数据采集系统，其特征在于，每个数据采集模块还带有RS485总线接ロ电路，由电源转换与稳压电路的输出提供供电电源，处理器通过RS485总线接ロ电路与采集系统外部的RS485总线通信。
专利摘要本实用新型涉及一种基于振弦式传感器的数据采集系统，属于土木结构健康监测技术领域。系统包括上位机、USB协议与CAN协议转换网关、一个或者一个以上的数据采集模块、外部供电电源、传感器，每个数据采集模块均包括处理器及处理器的外围电路、电源转换与稳压电路、电池电量监测电路、CAN总线接口电路、RS485总线接口电路、激频电路、拾频电路、恒流源激励电路、温度信号采集电路、数据存储电路、传感器接口电路以及振弦式传感器。本实用新型结构简单、成本低、功耗低、应用方便；可进行模块拓展，同时对几十个甚至上百个点进行监测并进行统一控制；在系统需要时，可以对各个采集模块的两次激频时间间隔进行更改。
文档编号G05B19/418GK202522915SQ20122018104
公开日2012年11月7日 申请日期2012年4月26日 优先权日2012年4月26日
发明者刘伯奇, 刘建磊, 刘强, 巴力, 梁志广, 王凯, 王涛, 高岩 申请人:北京理工大学, 北京铁科工程检测中心