专利名称：面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无线传感网络节点，尤其涉及一种面向主动结构健康监测的具 备高速采样率的无线传感网络节点。二、 背景技术无线传感网络技术是目前国内外研究者广泛关注的一个重要研究领域，其技 术已经应用到国防军事、动物的习性观测、工程结构健康监测、交通管理、医疗 卫生、灾害监测等领域中。无线传感器网络不需要固定网络支持，具有快速展开， 抗毁性强等独特优点;基于无线传感器网络组成的分布式监测网络可以大大减少 器件引线数量，使得无线传感器可方便的安装于监测环境比较复杂，不便于引线 的部位；由于无线传感器网络节点具有局域信号处理功能，很多信号信息处理工 作可在传感节点附近局部完成，将大大减少所需传输的信息量，并将原来由中央 处理器实现的串行处理、集中决策的系统，变为一种并行的分布式信息处理系统， 将大大提高监测系统的运行速度及决策的可靠性和灵活性;另外无线传感网络在 设计时所着重考虑的低功耗特点也可减少能源供给装置的重量并可实现对监测 对象的长期在线监测。结构健康监测是无线传感网络技术的一项重要应用方向。检测出损伤位置、 判断损伤大小和损伤形式是结构健康监测系统的目标。结构健康监测系统中使用 的损伤识别技术粗略分有两种基于振动信息的方法和基于波信息的方法。从是 否采用激励驱动器来分又分为主动监测技术和被动监测技术。主动监测技术的基 本思想是采用驱动器在复合材料表面激发主动监测信号，与此同时传感器在同 一表面的其他一个或多个地方接收结构的响应信号，并对响应信号进行分析，据 此对结构中的损伤进行监测。主动监测技术较被动检测技术(结构中未埋入激励 驱动器)的优点在于可以在任何需要的时刻对结构进行在线监测，无需时刻监 测，因此有效且节省能源；对环境噪声和干扰能力具有抑制能力；由于使用了预 知激励信号，所以能从传感接收到的关于结构"健康"与否的信号更精确地计算 出可靠的结构状态。然而目前常规的测试技术，如PXI、 VXI测试系统，由于系统硬件之间都采 用导线连接，在工程结构较大、传感器较多的情况下，这类技术往往使得健康监 测系统重量急剧增加，复杂性也大大提高。无线传感网络技术的出现为解决这些 问题提供了可能。先进的无线传感网络相比传统的有线网络而言，不需要导线， 非常有利于减轻结构的重量，而且随着微机械技术的发展，无线智能传感器的体 积也在逐渐减小，更有助于在结构健康监测系统中的应用。但是目前基于主动监测方法的结构健康监测技术采用的激励信号频率高(100Ksps—500Ksps甚至更高)，没有满足上述要求的高速采样率的无线传感网 络节点，国内外无线传感网络节点的最高采样频率都在100Ksps以内，并且现有 的通用高速测试系统结构复杂、体积庞大，无法和无线传感网络技术结合。目前关于国内外没有涉及采用低功耗DSP技术的面向主动结构健康监测应 用的低功耗高速无线传感网络节点的相关专利。本发明针对高速信号采集、处理 和主动结构监测方法的应用要求，提供了一种面向主动结构健康监测的高速无线 传感网络节点。 三、发明内容1、 技术问题本发明要解决的问题是提供一种具备高速采样率的无线传感网络节点，能够 满足结构健康监测中激励信号频率高(100Ksps—500Ksps甚至更高)的要求。2、 技术方案为了解决上述的技术问题，本发明的面向主动结构健康监测的高速无线传感 网络节点包括设置在待监测结构中的压电驱动元件产生激励信号的高速结构激 励模块、对结构响应信号进行调理的高速压电信号调理模块和对高速压电信号调 理模块输出的信号进行采集的高速无线数据采集模块。其中，高速结构激励模块包括低功耗计时器单元和信号放大单元，低功耗计 时器单元产生的激励信号经过信号放大单元输入结构中的压电驱动元件；低功耗计时器单元主要组成为低功耗的555定时器，以产生驱动压电元件的激励信号， 然后，该激励信号输出至压电驱动元件，对监测结构进行激励，实现主动结构监 测。考虑到激励的压电陶瓷驱动元件为容性负载，为了消除容性负载造成的输出 信号不稳定的问题，采用高增益及CF补偿的方法，即在运放的两端并联电容的 方法，用于保持激励信号的稳定性。低功耗的设计要求是指在电池供电状态下， 能够持续工作达数月甚至数年，工作电流为毫安或者微安级。高速数据采集是指 采集系统的主要工作频率达到20MHz以上，数据采集速率达到或者超过10MSPS 的量级。高速压电信号调理模块中，结构中压电驱动元件经高速结构激励模块驱动产 生的结构响应信号依次经过电压信号放大单元、信号滤波单元和跟随输出单元进 行信号调理。高速压电信号调理模块将结构激励响应的高速电荷量传感信号转化 为电压信号并放大，然后通过高速信号滤波单元滤除外部干扰信号，最后高速信 号跟随输出单元将经过调理的高速压电传感信号输出到高速无线数据采集模块。高速无线数据采集模块包括接收高速压电信号调理模块输出信号的多通道 高速信号采集单元、低功耗DSP处理单元、无线通信单元和电源管理单元。在无线传感网络的应用中，由于客观条件的限制，通常采用电池为传感网络节点提供 电源，在这种情况下，低功耗系统的设计显得尤为重要。本发明采用低功耗集成 芯片设计了多通道高速信号采集、低功耗DSP处理和无线通信等主要模块。根据 上述高速、低功耗的系统要求，以单片DSP芯片构成高速数据处理模块；因为 DSP芯片的功耗与硬件系统的电源电压有关，选择低电压供电的DSP器件可以降 低系统功耗。选择低电压供电的DSP除了能减小DSP本身的功耗以降低系统的总 功耗外，还可以使外部逻辑电路功耗降低，这对实现系统低功耗有着重要的作用。多通道高速信号采集单元以高速A/D转换芯片为主设计电路，在模拟通道信 号输入A/D转换芯片之前，设计同相放大电路作为A/D转换前的输入级，提高传 感信号通道的稳定性。同时采用大容量的静态存储器，用于暂存ADC的转换结 果。无线通信单元采用了单一集成射频芯片负责无线信号的收发通信。高速结构激励模块分为波形产生级和滤波级，滤波级进行信号滤波及放大， 滤波级的信号放大单元中，运算放大器的反向输入端与输出端之间设有第一电 容，正向输入端通过第二电容接地。高速无线数据采集模块通过高速结构激励模块工作方式变化，启动和停止主 动结构健康监测任务的执行。本发明的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点之间通过无线通 信的方式可组成主动结构监控网络系统。 3、有益效果采用本发明的基于低功耗DSP技术的面向主动结构健康监测的高速无线传 感网络节点可以快速组建低功耗无线主动结构健康监测系统，完全可以取代现有 的复杂庞大的通用测试系统，具有重量轻、体积小、集成度高、局部处理能力强、 采样速率高和功耗低的优点。四
图1是高速结构激励模块的电路原理图；图2是高速压电信号调理模块的电路原理图；图3是高速无线数据采集模块的原理图；图4是基于本发明的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点组建的低 功耗无线主动结构健康监测系统原理示意图。五具体实施方式
本实施例的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点包括向设置在 待监测结构中的压电驱动元件产生激励信号的高速结构激励模块、对结构响应信 号进行调理的高速压电信号调理模块和对高速压电信号调理模块输出的信号进 行采集的高速无线数据采集模块。其中，如图l所示，高速结构激励模块包括低功耗计时器单元和信号放大单 元，低功耗计时器单元产生的激励信号经过信号放大单元输入结构中的压电驱动 元件。低功耗计时器单元主要部分为低功耗TLC555芯片，其产生所需的激励信 号波形，如正弦波、方波和三角波等；激励信号输出到压电驱动元件，对监测结 构进行激励，实现主动结构监测，激励幅值士35V内可调，激励频率为100KHz 500KHz可调。低功耗TLC555芯片周边的电路采用现有技术，实现微型、低功 耗、波型产生和激励功能。激励信号经过滤波和放大，对压电驱动元件进行激励， 考虑到激励的压电陶瓷驱动元件为容性负载，为了消睡容性负载造成的输出信号 不稳定的问题，采用高增益及CF补偿的方法，即在运算放大器CA3140的两端 并联电容C3和C4，实现了激励信号的稳定性。如图2所示，高速压电信号调理模块中，结构中压电驱动元件经高速结构激 励模块驱动产生的结构响应信号依次经过电压信号放大单元、信号滤波单元和跟 随输出单元进行信号调理。结构响应信号首先转换为零到几十毫伏的正值电压， 经过放大电路输出，放大电路放大倍数50 100倍可调。其中电压信号放大单元 和跟随输出单元中的运算放大器采用了低功耗放大芯片OPA340，工作电压仅为 2.5V，输出幅值范围为0 3伏。如图3所示，高速无线数据釆集模块由多通道高速信与采集单元、低功耗 DSP处理单元、无线通信单元和电源管理单元组成。在无线传感网络的应用中， 由于客观条件的限制，通常采用电池为传感网络节点提供电源，在这种情况下， 低功耗系统的设计显得尤为重要。根据高速、低功耗的系统要求，以单片DSP 芯片构成高速数据处理模块；因为DSP芯片的功耗与硬件系统的电源电压有关， 选择低电压供电的DSP器件可以降低系统功耗。选择低电压供电的DSP除了能减 小DSP本身的功耗以降低系统的总功耗外，还可以使外部逻辑电路功耗降低，这 对实现系统低功耗有着重要的作用。本实施例选用德州仪器公司(TI)的新型低 功耗DSP器件TMS320C55X系列用于高速数据的处理，TMS320C55X系列的核心可 以在0. 9V和0. 05mW/MIPS环境下运行，传输速率可达800MIPS，其功耗相当于 TI上一代芯片C54X功耗的15呢左右。DSP的电源供电设计选用TI的TPS767D3XX 系列器件，该系列器件将两个l-A线性稳压器和两个上电复位开关封装在一起， 降低了组件数量和电路板大小及成本，同时能够在全部l-A输出范围内提供极快 的瞬态响应、低压差和恒定的低静态电流(典型值为85uA)。多通道高速信号采集单元以高速A/D转换芯片为主设计电路，在模拟通道信 号输入A/D转换芯片之前，设计同相放大电路作为A/D转换前的输入级，提高传 感信号通道的稳定性；本实施例采用TLV2761低功耗运放芯片，工作电流仅为 20uA，关断时电流可低至10nA， TLV2761采用CMOS轨对轨输入输出，是专为电池供电等低功耗系统而设计的。高速A/D转换芯片选用了美信公司的超低功耗 A/D转换器MAX119X系列器件，具有两个全差分宽带跟踪/保持(T/H)输入，具 备440MHz带宽，允许全差分或单端信号输入。MAX1191在1.875MHz输入频 率和7.5Msps采样速率下，达到了 48.6dB典型的信号与噪声和失真比(SINAD)， 仅消耗功率12mW。除了超低运行功率特性外，MAX1191还具备三种关断模式， 以降低空闲期间的功率消耗。其优异的动态性能、超低功率和小尺寸等特性，使 MAX1191完全满足节点的性能要求，MAX1192的采样率达到22Msps，MAX1193 的采样率为45Msps。模块还选用了大容量(8Mbyte)的静态存储器(SDRAM) HY57V281620HC，用于暂存ADC的转换结果。无线通信单元采用了 TI公司的单一集成射频芯片CC2420，它符合IEEE 802.15.4规范，具有在802.15.4规范上创建的安全和应用层接口、工作于免授权 频段2.4GHz、以年计算的超低电池寿命、极大可伸縮的网格和星型网络拓扑、 具备可支持65535个网络节点的大网络容量等诸多优点。如图4所示，基于本实施例的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节 点组建的低功耗无线主动结构健康监测系统的原理框图。系统通过无线方式连接 各高速无线传感网络节点，从而组建成无线低功耗主动结构监控网络系统；高速 无线传感网络节点通过控制高速结构激励模块的工作方式启动和停止主动结构 健康监测任务的执行。本实施例的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点组建的低功耗 无线主动结构健康监测系统通过低功耗软件设计方法实施，即从底层软件模块设 计出发，优化系统的低功耗性，说明如下(l)根据工作状态控制系统时钟频率， 使得DSP器件适速运行以降低系统功耗；(2)为减低系统功耗DSP内部执行不 同的指令时所消耗的电流，软件设计时尽可能地将待处理的数据存储在同一个数 据块中；(3)为省去驱动外部程序存储器接口电路所需要的电流，尽可能使得程 序在片内ROM中运行。
权利要求
1、一种面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点，其特征在于，包括向设置在待监测结构中的压电驱动元件产生激励信号的高速结构激励模块、对结构响应信号进行调理的高速压电信号调理模块和对高速压电信号调理模块输出的信号进行采集的高速无线数据采集模块。
2、 如权利要求1所述的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点， 其特征在于，高速结构激励模块包括低功耗计时器单元和信号放大单元，低功耗 计时器单元产生的激励信号经过信号放大单元输入结构中的压电驱动元件。
3、 如权利要求1所述的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点， 其特征在于，高速压电信号调理模块中，结构中压电驱动元件经高速结构激励模 块驱动产生的结构响应信号依次经过电压信号放大单元、信号滤波单元和跟随输 出单元进行信号调理。
4、 如权利要求1所述的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点， 其特征在于，高速无线数据采集模块包括接收高速压电信号调理模块输出信号的 多通道高速信与采集单元、低功耗DSP处理单元、无线通信单元和电源管理单元。
5、 如权利要求2所述的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点， 其特征在于，高速结构激励模块的信号放大单元中，运算放大器的反向输入端与 输出端之间设有第一电容(C3)，正向输入端通过第二电容(C4)接地。
6、 如权利要求4所述的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点， 其特征在于，高速无线数据采集模块通过高速结构激励模块启动和停止主动结构 健康监测任务的执行。
7、 如权利要求1所述的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点， 其特征在于，通过无线通信的方式组成主动结构监控网络系统。
全文摘要
本发明涉及一种面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点，其特征在于，包括向设置在待监测结构中的压电驱动元件产生激励信号的高速结构激励模块、对结构响应信号进行调理的高速压电信号调理模块和对高速压电信号调理模块输出的信号进行采集的高速无线数据采集模块。采用本发明的基于低功耗DSP技术的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点可以快速组建低功耗无线主动结构健康监测系统，完全可以取代现有的复杂庞大的通用测试系统，具有重量轻、体积小、集成度高、局部处理能力强、采样速率高和功耗低的优点。
文档编号H04Q7/34GK101262378SQ20081002324
公开日2008年9月10日 申请日期2008年4月3日 优先权日2008年4月3日
发明者丁建伟, 键 吴, 盈 尚, 李耀曾, 袁慎芳 申请人:南京航空航天大学