風(fēng)能是目前最有開發(fā)利用前景的可再生清潔能源，風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能利用的主要方式而備受關(guān)注。風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響整機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定。為了解風(fēng)機(jī)葉片的振動狀態(tài)，需對其進(jìn)行測量。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片特殊的工作方式，采用傳統(tǒng)的測量振動方法無法滿足要求。此外，振動傳感器要安裝在旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)葉片上，不能經(jīng)常拆卸，因此需考慮固定和系統(tǒng)的功耗問題。無線傳感技術(shù)成為了當(dāng)今國內(nèi)外研究的熱點，在各領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。為此，設(shè)計了一種以MSP430單片機(jī)為核心，以SV610收發(fā)芯片作為無線通信模塊的采集系統(tǒng)。低功耗、實時性是該設(shè)計的最大特點。1 無線采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思路，由壓電傳感器、單片機(jī)控制系統(tǒng)、信號處理模塊、無線通信模塊等部分組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。1.1 傳感器選擇由于葉片測振的特殊性，需要將傳感器要安裝在葉片上，所以對傳感器的選擇也提出了要求，既要滿足低頻高靈敏度，同時也要求質(zhì)量輕。此外，還考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)在野外受到風(fēng)力的影響情況復(fù)雜，為了全面反映受損情況，需考慮三維受力方向，即X、Y、Z軸3個方向受力。本文選用深圳杰英特傳感儀器有限公司 Mini-Sensor壓電加速度傳感器，該傳感器的靈敏度可達(dá)1 V/g，質(zhì)量僅為0.5 g，使用溫度范圍為-40～80℃。1.2 信號預(yù)處理信號預(yù)處理主要由兩部分組成：放大器和濾波器。由于壓電加速度傳感器的內(nèi)阻很高，而且輸出的信號微弱，因此前置放大濾波電路有3個作用：(1)將傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。(2)將傳感器的微弱信號進(jìn)行放大。(3)將噪聲信號濾除掉。原理圖如圖2所示。1.3 單片機(jī)的選擇選用MPS430單片機(jī)作為系統(tǒng)的MCU，MSP430單片機(jī)是美國德州儀器(TI)公司推出的高集成度、高精度的單芯片系統(tǒng)，是目前工業(yè)界中具有最低功耗的16位RISC混合信號處理器，具有較低的工作電壓，在1.8～3.6 V之間均可正常工作。其功耗低，在活動模式時，工作電流為350μA，在休眠模式下為0.5μA電流。MSP430具有豐富的外設(shè)，片內(nèi)具有3個時鐘信號，包括1個高頻時鐘，1個低頻時鐘和1個DCO。靈活的時鐘選擇使得系統(tǒng)可以在合理的時鐘下進(jìn)行工作，大幅降低了系統(tǒng)功耗，方便了系統(tǒng)設(shè)計。MPS430有一種正常工作活動模式與5種低功耗模式。在本無線采集系統(tǒng)中，MPS430平時工作于低功耗模式3(LPM3)，在此模式下CPU處于禁止?fàn)顟B(tài)，DOC被禁止，直流發(fā)生器被禁止，MCLK被禁止，SMCLK被禁止，僅ACLK處于活動狀態(tài)。當(dāng)上位機(jī)給出采集信號的請求后，將單片機(jī)喚醒，工作完后再次進(jìn)入低功耗模式，單片機(jī)硬件原理圖，如圖3所示。下位機(jī)單片機(jī)的功能主要是數(shù)據(jù)的采集與發(fā)射，P6.0～P6.2功能選擇為外圍模塊，負(fù)責(zé)3路信號的采集。通信模式采用UART模式，P3.4和P3.5選擇外圍模塊，負(fù)責(zé)接收上位機(jī)指令信號和發(fā)送A/D采樣后的信號。A/D采樣的參考電壓選擇2.5 V，本文采用XC622125芯片，該芯片具有低功耗和低壓差優(yōu)點?？紤]到系統(tǒng)功耗問題，時鐘模塊只外加了32768 Hz的手表晶振，最低采樣時間可達(dá)32 ms。1.4 無線通信模塊SV610是高集成無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用高性能的Silicon Lab Si4432射頻芯片。極低的接收靈敏度，再加上業(yè)界領(lǐng)先的100mW的輸出功率保證擴(kuò)大范圍和提高鏈路性能。模塊提供了多頻段信道以及網(wǎng)絡(luò)ID來降低傳輸過程中的干擾以提高傳輸性能。小體積、遠(yuǎn)距離傳輸、寬范圍的工作電壓乃至豐富便捷的編程設(shè)置使之得到了廣泛的應(yīng)用。SV610有多種數(shù)據(jù)傳輸率可選，靈敏度高達(dá)-121 dBm，工作頻段有433/470/868/915 MHz多個頻段選擇，本文選擇433 MHz頻段。在理想環(huán)境中，傳輸距離可達(dá)1 400 m，其工作電壓2.8～6.0 V，工作溫度范圍為-20～+70℃。模塊在配置模式下，可通過PC軟件或UART接口在線設(shè)置相關(guān)參數(shù)。2 無線采集系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)采集系統(tǒng)軟件包括主程序和中斷服務(wù)程序，主程序進(jìn)行初始化設(shè)置、外部中斷設(shè)置，然后進(jìn)入低功耗模式。單片機(jī)收到上位機(jī)采集信號的請求后，通過UART中斷將單片機(jī)從睡眠模式中喚醒，進(jìn)入中斷服務(wù)程序開始A/D采樣。采樣完成后調(diào)用發(fā)射程序，并將數(shù)據(jù)通過UART發(fā)給接收模塊，發(fā)送結(jié)束，系統(tǒng)重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。程序流程如圖4所示。2.1 MSP430串口通信MSP430通信模塊在每個采樣周期內(nèi)將采集并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后的12Byte的數(shù)發(fā)送給PC機(jī)。初始化中設(shè)置UART0模塊工作，選擇時鐘信號為ACLK，數(shù)據(jù)位為8位，波特率為9 600 bit·s-1，發(fā)送數(shù)據(jù)方式為主動發(fā)送。當(dāng)接收到一個完整的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個信號URXIFG0=1，表示接受完整的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)正在發(fā)送中，UTXIFG0=1，此時不能再發(fā)送數(shù)據(jù)，必須等當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送完畢(UTXTFG0=0)才能進(jìn)行發(fā)送。2.2 A/D轉(zhuǎn)換由于MSP430F135帶有ADC12模塊，其由12 bit的SAR核、采樣保持電路、模擬開關(guān)、參考電壓產(chǎn)生與選擇電路、ADC時鐘選擇電路等組成。ADC12可在沒有CPU的參與下，獨(dú)立實現(xiàn)16次采樣、轉(zhuǎn)換和存儲操作。ADC12模塊可獨(dú)立斷電，以便于低功耗設(shè)計。所以只需設(shè)置相應(yīng)的寄存器就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能。為減少CPU功耗，程序采用中斷觸發(fā)方式，A/D采樣由定時器中斷觸發(fā)。由于MSP430內(nèi)部A/D寄存器是12位，在無線傳輸時，發(fā)送數(shù)據(jù)緩存只有8 位，因此在傳送的時候需要將采集的數(shù)據(jù)拆分成高8位和低8位然后放入數(shù)組進(jìn)行發(fā)送，在接收端將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新整合，完成采樣數(shù)據(jù)的接收。3 測試結(jié)果將無線模塊連接好，先進(jìn)行應(yīng)答測試。上位機(jī)給出相應(yīng)的命令，測試單片機(jī)是否能接收到，并給出正確的應(yīng)答。圖5為應(yīng)答測試結(jié)果。經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)收發(fā)模塊均可正常工作。然后給出3路信號，由前面可知A/D采樣的參考電壓設(shè)置為2.5 V，故采樣通道一端加2.5 V的電壓，另一端接地，還有一端接信號端。顯示結(jié)果，如圖6所示。無線通信需解決的最大問題就是保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，即要求誤碼率低。誤碼率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)，誤碼率=錯誤碼元數(shù)/傳輸總碼元數(shù)× 100%。從圖6可看出，PC機(jī)可正確接收到12 Byte的數(shù)據(jù)。實驗采樣間隔為32 ms，采樣時間為30 min，將上述接收到的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)處理，最后得出誤碼率為1.2%。此外，還進(jìn)行其他電壓測試，路信號都能正常工作，且誤碼率低，工作穩(wěn)定。4 結(jié)束語本文描述了基于MSP430單片機(jī)的無線信號采集系統(tǒng)。通過調(diào)試證明系統(tǒng)可正常運(yùn)行，各方面指標(biāo)都能達(dá)到設(shè)計要求。整個系統(tǒng)集成度高，功耗低，無線傳輸穩(wěn)定，誤碼率低，且質(zhì)量輕，可靠性高，易于控制和使用靈活等優(yōu)點，因而性價比高。此設(shè)計已應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片信號采集系統(tǒng)。(mbbeetchina)