结构振动信号RF、Web传输模块分析与设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.29MB 62 页 15积分

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第一章绪论

§1.1 研究背景

随着我国现代化的深入开展，各式各样的大型建筑相继在全国各地竖立起来，

并在社会生活中扮演着极其重要的角色。正是由于它们对于国民生产生活的重要

作用，一旦在使用过程中出现问题，将会给国家财产和人民生命安全带来巨大损

失。因此，对大型建筑物的建设和健康监测维护应该给予相同的重视。

结构振动信号作为建筑健康测量指标之一，对其进行检测是现代建筑物健康

状态监测中一个重要方面。统计资料表明[1~8]：当前,美国在桥梁方面的投资有 90%

用于桥梁结构维修和健康监测（包括振动监测），只有 10％用于建设新桥；日本作

为一个地震多发国家，对建筑的振动监测一直非常重视；90 年代以来，高层建筑、

跨江桥梁的振动监测已引起香港和内地有关部门的关注。

要实现对建筑物的结构振动监测，重要的一点就是要解决振动信号的传输问

题。当前，在建筑结构振动监测过程中，振动信号的传输流程通常如下：①通过

现场布线，将在建筑物薄弱部位布置的传感器与信号收集系统连接，传感器采集

的结构振动信号通过连接线，由测试点送至收集系统进行存储。②将现场收集的

数据带回实验室或数据分析站进行后期分析处理。

这种测试流程存在一定的缺陷。首先，大型建筑监测现场通常传感器布线非

常困难，而且布线应用及维护费用很高。其次，结构振动信号由现场到实验室所

存在的这段时间差，势必影响监测过程的实时性，测得的结构振动信号数据无法

及时得到分析，一定程度上也使建筑物的安全性留下隐患。因此，有必要采用一

种新的测量传输方法，不通过布线和人为运送的方式，就可以将结构振动信号直

接送到远程实验室或数据分析站，减少测试工作量与花销并保持测量所得信号的

实时有效性。

随着无线通信技术逐渐发展成熟，在我国，结构振动监测无线采集系统的研

究业已起步。将振动信号以“无线”方式采集并传输可以解决传统“有线”方式

布线复杂，维护费用高以及在特殊结构中无法实现信号采集传输的应用盲区。而

现如今发达的 Web 技术则可以有效利用 Internet 这个最大的信息交互平台，将振

动信号发送到 Internet 上，实现结构振动信号“最远”距离的传输，只要在实验室

或数据分析站装有一台联网的 PC 机，就可以及时将测试得到的信息下载到实验室

本地，使技术分析人员即使身处测试的异地也可以通过网络实时监测建筑的振动

信号并做出准确分析。

因此，如何较好的将无线与 Web 这两项技术相结合，实现振动信号由现场到

结构振动信号 RF、Web 传输模块分析与设计

Internet 的发布是今后振动信号监测研究的重要方向。

§1.2 国内外课题相关内容研究现状

无线通信技术应用的较强适应性和很好的扩展性以及相对于有线系统而言低

廉的价格和维护的方便，使得无线技术已经广泛应用于信号的传输领域。就所涉

及的文献来看，目前国内外在信号无线传输（包括结构振动信号的传输）方面大

致采用以下三种方案：一是基于蓝牙（Bluetooth）的无线传输方案。蓝牙是一种

支持设备短距离通信的无线电技术，是近年来新兴的无线通信技术。蓝牙的标准

是IEEE802.15，工作在全球通用的 2. 4GHz ISM 频段，带宽为 1Mbps。蓝牙在结

构振动信号传输中的应用还属于较新领域，国内的多所高校和研究所均对于蓝牙

在此方面的应用进行了深入的研究[9,10]。第二种是基于 SAW（Surface Acoustic

Wave）器件的无线传输方案。声表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）是由英国

物理学家 Lord Rayleigh 于1885 年的研究中所发现，在国外应用于传感器方面的研

究始于上个世纪 80 年代中后期，国内于上世纪 90 年代中后期开始涉足此领域的

研究[11,12]三是基于传统调制解调的无线射频芯片的无线传输方案。无线射频收发芯

片一般采用 FSK 或GMSK 调制方式，工作于和蓝牙相同的 ISM 频段，传输速度

最高可达 19200bps。根据对各方面资料的分析，目前，无线射频芯片在各类传感

器信号无线传输（包括结构振动信号传输）中的应用占有很大一部分市场。在国

际上，包括挪威的 Nordic 公司、美国的 Micrel 公司在内，多家国际知名公司都在

致力于无线射频芯片的开发；而在国内，哈尔滨工业大学[13,14]应用射频在桥梁建筑

振动检测领域的研究走在了前列。

基于 Web 技术的结构监测系统，现如今主要应用于国内外企业的室内大型机

组设备的日常状态监测设备之中[15,16]。通常的应用都是通过有线形式，经数据采集

站将机组设备结构振动信号采集出来并引入到配套的信号分析处理设备中，结构

振动信号经过处理再存入数据库。通过网络技术与数据库技术结合，建设监测系

统的 Web 网站，通过此网站将存储在数据库中的实时数据和历史数据（包括结构

振动过程数据、峰值数据以及频谱分析结果）以直观的图表形式发送到 Internet 上，

用户通过连接到 Internet 上的浏览器即可查看大型机组设备结构振动信号监测的状

态图表。

总的说来，无线技术和 Web 技术分别在信号的采集与传输方面都有着各自的

优势与远大的应用前景。同时，针对不同具体应用，将两者有效结合的研究，也

有相当广阔的开发空间。

第一章绪论

§1.3 本文主要工作

本文以上海市教委科研项目（06EZ018）“桥梁振动巡查太阳能供电 ISM 无线

传感器设计”为背景，进行了后续性研究工作。基于传统测试流程存在布线复杂、

维护费用高、结构振动信号传输效果实时性差的缺陷，通过对国内外振动信号传

输领域最新技术的调查，提出了一种基于无线技术与 Web 技术的结构振动信号传

输模块设计方案。该模块应用当前先进的射频（RF）技术与 Web 数据库技术，将

结构振动信号以“无线”及“Internet”方式进行传输，很好解决了传统传输方式

的弊端。此方案不仅可以应用于该背景项目，还可广泛扩展到其他相关领域，在

具体实践中有很大的应用价值。课题设计结构振动信号的 RF、Web 传输模块总体

结构框图如图 1-1 所示：

本文主要研究内容如下：

1) 结构振动信号射频（RF）传输功能的设计。首先，通过几种射频芯片性

能的比较，选择 nRF24E1 作为射频（RF）传输功能设计的核心芯片。其

次，研究了 nRF24E1 应用硬件电路的设计，对射频收发电路、电平转换

电路、天线和电源的设计作了详细的介绍及分析。再次，研究了 nRF24E1

应用的软件设计，包括：主控程序、无线收发功能以及 nRF24E1 内部 ADC

采样功能的设计。最后，对设计的 RF 传输模块的传输距离及 AD 差分采

样的精度进行测试，并加入具体振动信号进行传输测试。

2) 结构振动信号 Web 传输功能的设计。在提出以 Web 数据库技术作为结构

振动信号 Web 传输功能设计核心技术的基础上，首先以 B/S 架构为基础

图1-1 RF、Web 传输模块总体结构框图

RF 射频

芯片

RF 射频

芯片

⊕串口接收数据

⊕信号处理功能

⊕Access 数据库

存储数据

ASP 建立

Web Server

Internet 网页实

现结构振动数

据远程发布

结构振动信号

射频(RF)传输

Web 传输

RF 与Web 接口

结构振动信号 RF、Web 传输模块分析与设计

构建 Web 传输功能硬件架构，通过对各项 Web 数据库访问技术的比较，

选择 ASP 作为 Web 传输功能的开发平台，并对 ASP 开发技术做了基本介

绍。其次，应用 ASP 设计开发了一个具有结构振动信号发布功能的网站，

通过 IIS 将开发所在 PC 配置为服务器，并对网站结构、底层数据库和网

站各主要功能模块的设计进行了详细阐述。最后，加入振动信号数据，测

试网站数据发布及下载功能。

3) 设计 RF 与Web 传输功能的接口。首先，阐述了 RF 与Web 接口设计的作

用，并提出接口设计需要具体实现的功能。其次，分别对接口所要实现的

两种功能（结构振动信号实时存储功能和结构振动信号处理特征量提取功

能）的设计进行详细地分析并通过 VC 编程加以实现。最后，对串口与数

据库接口和 FFT 频域特征量提取算法的设计进行测试。

4) 对本次课题设计的 RF、Web 传输模块总体工作效果进行测试。首先，加

入正弦模拟信号对传输模块进行标定测试，并分析传输过程中误差产生原

因。其次，将所设计的模块应用于实际振动信号的传输，验证设计效果。

综上所述，本次论文所要研究的是射频（RF）无线通信技术与 Web 数据库技

术的结合，设计中存在的关键技术问题有以下几个方面：

第一，由于短距离无线通信技术选择无线收发芯片进行设计，通常情况下工

作频率为 2.4GHz 高频，因此在 RF 传输模块硬件电路设计时需要加入抗干扰措施，

提高系统的抗干扰能力，保证传输工作的稳定性。

第二，模块对于无线传输部分要求尽可能远的通信距离，因此，需要认真考

虑无线收发天线的设计。

第三，应用 ASP 技术访问 Web 数据库实现结构振动信号 Web 传输，需要编

写多个功能网页并组成一个网站，需要对网站的结构和功能需求加以分析、设计。

第四，模块设计包括了无线通信技术与 Web 数据库技术，因此要合理设计二

者的接口，实现系统两部分模块的连接。

第二章结构振动信号射频（RF）传输模块

§2.1 RF 传输模块方案

根据 1.2 小节介绍，目前应用于信号传输领域的无线技术主要有蓝牙、SAW

以及无线射频（RF）收发芯片三种。相比较前两种，无线射频（RF）芯片通信距

离更长，稳定性更高，抗干扰能力也更强。同时，又由于 RF 芯片集成度很高，体

积小，通信协议透明，设计相对简单，而且成本较低，符合本次设计需要。因此，

决定选用射频（RF）收发芯片来设计振动信号 RF 传输模块。

§2.1.1 RF 传输模块总体结构设计

RF 射频传输模块由上位机和下位机两部分组成。上位机结构包括无线传输部

分及 PC 接收终端，下位机则由无线传输部分及待扩展的传感器电路组成。RF 传

输模块总体结构如图 2-1 所示。

模块的工作过程如下：由下位机通过传感器信号接口接收结构振动信号，将

信号送到微控制器，微控制器将数据整理后发送到射频收发部分，然后通过天线

将数据发射出去。上位机通过天线接收到数据，微控制器再将数据通过接口传送

到PC 数据接收端，从而实现 RF 射频模块振动信号传输功能。

确定模块总体结构后，下面介绍具体芯片的选定。

§2.1.2 几种 RF 收发芯片对比

RF 芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适的芯片可以简化设计、调试

及维护，提高产品开发周期和无线通信可靠性，并有效节约成本。在选择时，应

主要参考以下几点：

① 收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码

采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的

内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标

接收

端

微控

制器

射频

数据

收发

射频

数据

收发

待扩展传

感器电路

微控

制器

下位机

上位机

图2-1 RF 传输模块总体结构示意图

无线传输部分

结构振动信号 RF、Web 传输模块分析与设计

称速率的 1/3。而采用串口传输的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，

标称速率就是实际速率，编程方便。

② 收发芯片所需外围元件数量

芯片外围元器件数量取决于芯片的集成度，集成度越高，相应设计应用时就

会省掉一些元件，这样不但延长了平均故障间隔时间，使设计、调试更为简便，

而且还对无线链路的工作距离有利。同时外围元件数量还直接关系到系统的复杂

程度和成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。

③ 功耗

大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该

根据需要选择综合功耗小的产品。

④ 发射功率

发射功率决定了数据传输距离，功率越大，相应传输距离也就越远，在同等

条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的芯片。

⑤ 数据传输率

在设计中，如果仅仅是控制信号或不需要实时传输信号，1200bps 或2400bps

就够用了。如果是实时监测信号的话，则需要 4800bps 甚至 9600bps 以上的数据传

输率。应根据所要进行的操作来选择。

⑥ 收发芯片的封装和管脚数

较少的管脚以及较小的封装，有利于减少 PCB 面积，降低成本，有利于开发

和生产。

目前市场上比较流行的无线收发芯片主要有 RFMD 公司的 RF[17]系列、RFM

公司的 TR1000 [18]系列、Nordic 公司的 nRF[19,20]系列、Chipcom 公司的 CC[21]系列

等。这几种产品各有优缺点，为便于比较，其各项性能参数比较见下表：

RF2915 RFMD

nRF401

nRF24E1

CC1000 ChipCom

频率(MHz)

433/868/915

433.92/434.43

2.4GHz

300-1000

工作电压

2.4-5.0V

2.7-5.25V

1.9-3.6V

2.7-3.3V

数据可否

直接接单

片机串口

使用

不能直接接单片机

串口使用，数据需要

进行曼彻斯特编码，

效率低。实际速率为

标称的 1/3

可以直接接单片机

串口使用，数据无

需曼彻斯特编码，

可直接传输串口数

据，效率高

可以直接接单片

机串口使用，数据

无需曼彻斯特编

码，可直接传输串

口数据，效率高

提供三种编码方式

（包括曼彻斯特编

码）同单片机控制

器相连，使用灵活

表2-1 无线收发芯片性能比较表

第二章结构振动信号射频（RF）传输模块

发射电流

(mA)

22(mA)@10dBm

17(mA)@5dBm

8-18(mA)/5dBm

27(mA)@10dBm

8-10(mA)

10.5(mA)@-5dBm

8(mA)@-5dBm

433MHz

13.9(mA)@-5dBm

868MHz

接受电流

(mA)

6.8mA+ 外部电路

@433MHz

10(mA) @433MHz

16mA

7.7(mA) @433MHz

9.9(mA) @868MHz

最大输出

功率

+5dBm

+10dBm

0dBm

+10dBm

速率

9.6kbps

20kbps

1Mbps

19.2kbps

调制方式

FSK

封装

LQFP32

SSOP20

QFN

TSSOP28

外接器件

数目

集成度很高

敏感度

-99dBm

-105dBm

-90dBm

-109dBm

由表 2-1 并结合参考资料分析，nRF24E1 芯片集成度最高，所需外围芯片最少，

开发较其他几种芯片快速简单，抗干扰性能也要优于其他几种芯片，其传输速度

高达 1Mpbs，完全符合现场测试信号的要求，所以本次设计决定采用挪威 Nordic

公司的 nRF24E1 芯片作为 RF 传输模块核心芯片。

§2.1.3 nRF24E1 无线收发芯片

nRF24E1[20]是Nordic VLSI 推出的系统级射频芯片，该芯片工作于 2.4GHz 的

ISM 频段，有多达 125 个频点，可以通过改频和跳频来避免干扰。nRF24E1 以

nRF2401 芯片结构为核心，集成度非常高，将射频发射、接收、GMSK 调制、解

调、增强型 8051 内核、9输入 12 位ADC、125 频道、UART、SPI、PWM、RTC、

WDT 全部集成到单芯片中。最大传输数据速率 1Mbps，最大输出功率 0dBm。

nRF24E1 应用外围电路极少，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件

设置完成，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性

良好，性能稳定且不受外界电磁干扰。nRF24E1 射频芯片内部结构介绍如下：

① 微处理器

nRF24E1 微处理器的指令系统与工业标准的 8051 相兼容。nRF24E1 的中断控

制器支持 ADC、SPI、RF 接收器，拥有 1个RF 接收器、2个唤醒定时器、5个中

断源以及 3个与 8052 一样的定时器。微控制器的时钟直接来源于晶振。为了控制

标准 8051 没有的功能，nRF24E1 增加了一些特殊功能寄存器，如 RADIO（P2）、

ADCCON、ADCDATAH、PWMCON、PWMDUTY、RSTREAS 等。

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第一章绪论1第一章绪论§1.1研究背景随着我国现代化的深入开展，各式各样的大型建筑相继在全国各地竖立起来，并在社会生活中扮演着极其重要的角色。正是由于它们对于国民生产生活的重要作用，一旦在使用过程中出现问题，将会给国家财产和人民生命安全带来巨大损失。因此，对大型建筑物的建设和健康监测维护应该给予相同的重视。结构振动信号作为建筑健康测量指标之一，对其进行检测是现代建筑物健康状态监测中一个重要方面。统计资料表明[1~8]：当前,美国在桥梁方面的投资有90%用于桥梁结构维修和健康监测（包括振动监测），只有10％用于建设新桥；日本作为一个地震多发国家，对建筑的振动监测一直非常重视；90年代以来，高层建...

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