GPS时间同步的无线多点爆破振动监测系统Word格式文档下载.docx
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ThispaperpresentsaschemeofwirelesstestsystemfortheconvenientOnspottestofblastingvibration.Eachtestnodeob—
tainsthevibrationvelocityvaluesofthreedirectionsthrough3channelparalleldataacquisition.Themulti—nodedatasynchronizationac—
quisitionisrealizedusing1ppspulsesfromcommonGPSreceiver.ThecontrolleruseslowpowerFPGA.nRF24LE1andnRF24LU1—卜a—
chievewirelesscommunication.ThesystemisconnecttedtoPCthroughtheUSBinterface.Itcandisplayandanalyzethewaveforms
throughVC++programs.
Keywords:
blastingvibration;
nRF24IU1+;
parallelacquisition
引言
爆破振动效应是爆破工程中的重大危害之一.为
了减少振动对周围其他建筑物的影响,需要采取一定
的措施减小爆破振动效应.其中,毫秒延时爆破是一
种最为有效的方法.但是,由于各个爆破现场地质条
件的差异性和复杂性,很难用统一的公式求得最佳毫
秒延时时间.这就需要进行爆破振动测试,对信号进
行分析得到特征参数来指导爆破:
一方面,通过近点振
动测试系统得到爆破振动信号的较高频信号,以此来
指导数码电子雷管的最佳毫秒延时时间,同时分析雷
管的爆炸情况;
另一方面,通过对远点振动信号的监测
分析,评估爆破振动对周围环境及建筑物的破坏效应,
以此来指导日后的爆破.
以往测振设备在进行多点采集时很难实现较好的同
步,本文基于北方邦杰"
隆芯一号"
数码电子雷管数字化平
台,采用基于GPS的同步方式很好地解决了这个问题,同
时采用无线传输方式克服了线路繁乱的缺点.系统结构
框图如图1所示.
paper@.CR(投稿专用)
节点A节点B节点c中转连接实时监i~JjPC
图1系统结构框图
1理论分析
1.1GPS1pps脉冲精确同步
同步采样是实现异地同步测量的关键技术,只有采样
同步进行,才会具有统一的参考时间基准.表1列出了各
种同步方式的误差范围,可看到GPS1pps拥有最高时间
同步性,能很好地实现异地测振点的同步采集.
表1各种授时方法的比较
种类时间误差/ms特点
无线电广播l时间误差大
L()RANC0.001~0.003接收困难
()MEGS2时间误差大
GoES0.1~0.3不稳定
GL0NASS0.01商品化不够,性价比低
GPS0.O01稳定性好,接收容易,性价比高
2017年第4期平哼机嵌入式条瓴I应国63
蕈厦固APPLfcA77o~ⅣOijj"
"
——__-
GPS秒脉冲pps是一个电平信号,以方波形式输出,
周期为1S,高电平持续时间为100s.高电平上升沿为
PPS输出的精确时刻.在接收机取得有效导航解的时候,
秒脉冲上升沿的时刻和UTC时刻相差50ns以内.
RS232数据输出中UTC时刻的输出较脉冲上升沿的时刻
有一定延迟(小于0.5s),即接收机先为用户提供秒脉冲
控制采集数据存储时间戳的存储,然后提供导航解.其波
形如图2所示.
lpps脉冲
R$232
导航解及
UTC输出
图2GPS1pps脉冲波形及UTC输出
1.2无线通信方式对比
随着移动通信需求,远程数据采集量以及有线传输费
用的日益增加,人们逐渐认识到在许多测试领域采用无线
传输的必要性.爆破振动测试系统需要将测振节点设备
置于与爆炸点较近的距离来测试,所以具有一定的危险
性.传统的有线传输不仅不方便,而且多点测振时使线路
杂乱,采用无线方式完全避免了这些限制.
现用近距离无线通信技术主要有:
IEEE802.1l,红外
技术,蓝牙技术,UWB和微功率无线技术.与其他几种通
信技术相比,微功率无线通信技术具有体积小,成本低,功
耗低,稳定性好,抗干扰能力强等优点,对开发来说,最重
要的是源码开放,易于开发实现.这里采用具有无线收发
内核nRF24L01的nRF24LE1和nRF24LU1+来实现无
线通信,它们是具有控制内核和微功率无线通信模块的
S0PC
2系统硬件设计
如图3所示,传感器节点以控制器FPGA为中心进行
设计,采用3~4通道数据并行同步采集,可以精确地达到
数据的精确同步性.同时,利用GPS接收器的lpps脉冲
来实现多测振点的同步采集,采集数据中加入精确的时间
数据.无线数据传输时,测振点采用具有增强型51内核
的nRF24LE1来实现从存储器读取数据及无线传输,相当
于一个协处理器;
监测端采用具有USB2.0接口和增强
型51内核的nRF24LU1+,直接通过USB接口与PC机
连接.PC机上利用VC++编写相应的程序调入数据,同
时发送参数设置信息及控制信息.
图4为数据中转监测模块框图.
图4数据中转监测模块
2.1GPS接收模块
GPS授时模块采用Motorola公司的M12M+Tim—
ingONCORE接收器.它精度高,可编程,能产生高达ns
级的同步授时,带有每秒一个脉冲或每秒钟1O0个脉冲的
时序输出.该接收器利用Motorola公司的时间RAIM算
法(接收器自主检测),确保了GPS测量的有效性和可靠
性;
具有12个并行通道,可以同时跟踪12颗卫星,完全校
准到UTC时间;
支持RS232标准串口通信,兼容TTL电
平,速率为9600bps.其工作原理如下:
系统上电复位后,
FPGA通过串口TXD实现对GPS接收器的初始化,设置
GPS接收器传送的数据格式;
初始化完毕后,接收器会给
出相应信息;
FPGA识别到这些信息后,开始接收传送来
的NEMA格式时间数据,并将输出的UTC时间转换为北
京时间输出.
如图5所示,GPS接收器通过串口与FPGA通信,通
过RXD和TXD进行通信和初始化.
FPGA时间输出甄
]RXD
'
S—————_.'
l
..一TXD
1pps脉冲L..m广一
一L
图3测振节点硬件电路框图
64Microcontrollers&
amp;
EmbeddedSysterns2017年第4期
图5GPS与FPGA的连接图
在FPGA中编程一个软核控制器,用来从
串口接收GPS时间信息并进行解析,得到时间
信息;
同时,利用1pps脉冲和外部手动信号在
触发判决电路中判决得到采集触发信号,同时
要输出时间信息并进行存储,使测振得到的数
据具有时间信息.
2.2无线通信电路
2.2.1nRF24LE1及其连接电路
nRF24LE1采用了Nordic公司最新的无
wwW.ca
ijiA,cA7_『洲~O『ES匡医_-——_———_●-—___1
线与超低功耗技术,在一个极小的封装中集成了包括2.4
GHz无线传输,增强型51Flash高速单片机,丰富的外设
等.它内嵌2.4GHz低功耗无线收发内核nRF24L01P
(速率可选,250kbps,1Mbps和2Mbps),具有高性能51
内核,16KiBFlash,1KBdataRAM,1KBNVRAM.
nRF24LE1连接电路如图6所示.其中,MSCK为时
钟输入,MMISO和MMOSI为串行数据通信引脚,CE为片
选,CSN为使能引脚,IRQ为中断信号引脚;
RFC为射频信
号引脚,与PA和LNA连接;
VDD_PA实现PA和LNA的
选择.
MM0SIP15
0vDD
SPIMSCKPI416I
--1‰h1
卜一"
22№1%I
.II-
0"
FPGA
CSNP13
11RF三14LElCEPl2
lRqQP.1l控带逻辑IIIJ1opF.
VDD—Po1吴吴蓉VDDHI
VDDVSSj6.81nH
.DEC1ANT2iRFC
DEC2IRF24LElANTl
P()_2VDD—
PAI
●__________——
PROGRESET68nH
l—P03,,P14DD一
VSS宝c5Pl3一上上^^l=T-—T'
1一一;
帽VDDIIIIIIII"
:
[:
一p00nFx3王一
图6nRF24LE1连接电路
2.2.2nRF24LU1+及其应用电路
nRF24LU1+是Nordic半导体公司推出的一款将高
性能的射频收发器和单片USBdongle的功能结合起来的
无线收发芯片.nRF24LU1-+-内含1个增强型的8051内
核,无线收发模块,符合全速USB2.0标准的控制器,
2KB的片内SRAM,16KB或32KB的片内Flash存储
器.nRF24LU1+显着地增强了抗宽带干扰和互调失真
(IMD)性能.nRF24LU1+是单片结构,外形尺寸很小(5
mm×
5mm).它的无线收发器工作于全球开放的2.4
GHz频段,与nRF24系列完全兼容,通信波特率可以通过
软件设置工作于250kbps,1Mbps,2Mbps;
使用En—
hancedShockedBust技术可以实现数据包的自动打包/解
包和传输处理(应答,重传);
使用MultiCeiver技术可同时
支持6个无线装置,频段,输出能量和其他射频参数可通
过射频寄存器方便地进行编程调节;
具有点对多点通信,
并且采用AES加密技术实现更安全的数据传输;
使用超
低功耗(ULP)无线技术,0dBm输出功率时典型峰值电流
为11.1mA;
芯片可以直接由USB总线供电.
nRF24LU1+的应用非常简单,需要的外部元件只是
低成本的16MHz晶振,去耦电路,匹配网络和天线.具
papen@(投稿专用)
雎i
体电路如图7所示.nRF24LU1+直接通过USB2.0A型
接I21与计算机连接传输数据.RFC为射频信号输入输出
引脚,VDD—PA为PA和LNA选择引脚.
图7与PC连接的nRF24LU1+电路连接图
2.3A/D转换电路
由于实际振动信号是方向不确定的信号,一般采用3
个速度传感器采集水平两个方向和垂直方向的分量,然后
可以进行矢量合成.为了保证各个
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