無(wú)線壓力傳感器及壓力數(shù)據(jù)采集方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)線壓力傳感器及壓力數(shù)據(jù)采集方法，該無(wú)線壓力傳感器包括一壓力探測(cè)器、一校準(zhǔn)芯片、一MCU和一無(wú)線收發(fā)裝置，該壓力探測(cè)器用于檢測(cè)外力對(duì)該無(wú)線壓力傳感器的作用并將產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；該校準(zhǔn)芯片用于將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；該無(wú)線收發(fā)裝置用于接收來(lái)自一基站的壓力數(shù)據(jù)采集指令以及將該數(shù)字信號(hào)發(fā)送至該基站；該MCU用于解析該壓力數(shù)據(jù)采集指令以啟用該壓力探測(cè)器。本發(fā)明的無(wú)線壓力傳感器相效率高、實(shí)時(shí)性好、低成本、同時(shí)安裝方便、可維護(hù)性好且易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。
【專(zhuān)利說(shuō)明】無(wú)線壓力傳感器及壓力數(shù)據(jù)采集方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無(wú)線壓力傳感器及壓力數(shù)據(jù)采集方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和技術(shù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展尤其是通訊技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，特別是在壓力傳感器在信息【技術(shù)領(lǐng)域】?jī)?nèi)的廣泛應(yīng)用，也對(duì)壓力傳感器技術(shù)性能和指標(biāo)提出了更高的要求。從壓力傳感器和其他測(cè)量設(shè)備等模擬和數(shù)字測(cè)量單元中采集到的非電量或者電量信號(hào)怎么傳送到上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理成為了一個(gè)難題。傳統(tǒng)的有線傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)在于傳輸?shù)馁|(zhì)量比較可靠，實(shí)時(shí)行好，但是數(shù)據(jù)采集而架設(shè)的有限網(wǎng)絡(luò)的一次性投資較大，而且遇到一些環(huán)境，地形復(fù)雜的地方很難架設(shè)線路。使有線傳輸?shù)南到y(tǒng)建設(shè)難度大，周期長(zhǎng)，造價(jià)高，運(yùn)行成本高，易受到破壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中有線傳輸系統(tǒng)建設(shè)難度大、周期長(zhǎng)、造價(jià)高、運(yùn)行成本高且易受到破壞的缺陷，提供一種效率高、實(shí)時(shí)性好、低成本、同時(shí)安裝方便、可維護(hù)性好且易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理的無(wú)線壓力傳感器及壓力數(shù)據(jù)采集方法。
[0004]本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的:
[0005]一種無(wú)線壓力傳感器，其特點(diǎn)在于，其包括一壓力探測(cè)器、一校準(zhǔn)芯片、一 MCU (微控制單元)和一無(wú)線收發(fā)裝置，其中，
[0006]該壓力探測(cè)器用于檢測(cè)外力對(duì)該無(wú)線壓力傳感器的作用并將產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
[0007]該校準(zhǔn)芯片用于將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
[0008]該無(wú)線收發(fā)裝置用于接收來(lái)自一基站的壓力數(shù)據(jù)采集指令以及將該數(shù)字信號(hào)發(fā)送至該基站；
[0009]該MCU用于解析該壓力數(shù)據(jù)采集指令以啟用該壓力探測(cè)器。
[0010]優(yōu)選地,該壓力探測(cè)器包括一擴(kuò)散娃芯體，該擴(kuò)散娃芯體包括一外殼、一擴(kuò)散娃壓力敏感芯片、膜片和位于該擴(kuò)散娃壓力敏感芯片與該膜片之間的娃油，該外殼具有一開(kāi)口，該擴(kuò)散硅壓力敏感芯片封裝于該外殼中，該膜片包覆于該擴(kuò)散硅壓力敏感芯片上并且位于該開(kāi)口處，該擴(kuò)散硅壓力敏感芯片通過(guò)該硅油檢測(cè)到作用于該膜片上的外力。
[0011]優(yōu)選地，該校準(zhǔn)芯片包括差分放大器、A/D (模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器、DSP (DigitalSignal Processing，數(shù)字信號(hào)處理)、EEPR0M (電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器)和模擬電橋開(kāi)關(guān)。
[0012]優(yōu)選地，該校準(zhǔn)芯片通過(guò)I2C總線(由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線)與該MCU相連，和/或，該無(wú)線收發(fā)裝置通過(guò)SPI (串行外設(shè)接口)與該MCU相連。
[0013]優(yōu)選地，該MCU為msp430芯片(MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(TI) 1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集(RISC)的混合信號(hào)處理器)。
[0014]優(yōu)選地，該無(wú)線收發(fā)裝置為nRF905芯片(nRF905單片無(wú)線收發(fā)器是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片)。
[0015]本發(fā)明還提供一種壓力數(shù)據(jù)采集方法，其特點(diǎn)在于，其采用如上所述的無(wú)線壓力傳感器實(shí)現(xiàn)，該壓力數(shù)據(jù)采集方法包括以下步驟:
[0016]步驟S1、該基站發(fā)送該壓力數(shù)據(jù)采集指令至該無(wú)線壓力傳感器；
[0017]步驟S2、該MCU解析該壓力數(shù)據(jù)采集指令；
[0018]步驟S3、該壓力探測(cè)器檢測(cè)外力對(duì)該無(wú)線壓力傳感器的作用并將該外力產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
[0019]步驟S4、該校準(zhǔn)芯片將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
[0020]步驟S5、該無(wú)線收發(fā)裝置將該數(shù)字信號(hào)發(fā)送至該基站。
[0021]在符合本領(lǐng)域常識(shí)的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實(shí)例。
[0022]本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于:本發(fā)明的無(wú)線壓力傳感器相效率高、實(shí)時(shí)性好、低成本、同時(shí)安裝方便、可維護(hù)性好且易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。本無(wú)線低功耗壓力傳感器采用低功耗高精度的數(shù)據(jù)采集校準(zhǔn)芯片和高精度擴(kuò)散硅芯體、低功耗MCU和基站(具有強(qiáng)大處理能力的ARM (ARM是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件)中心處理器)，以及成熟穩(wěn)定的無(wú)線傳輸模塊組成，具有精度高，轉(zhuǎn)換速度快，能夠?qū)Χ帱c(diǎn)壓力數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸及易于集中數(shù)據(jù)管理和分析。同時(shí)使用專(zhuān)用芯片，保證了對(duì)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，高精度及低功耗。這就使得以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)還有維護(hù)簡(jiǎn)單，安裝方便，價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的無(wú)線壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。
[0024]圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的壓力數(shù)據(jù)采集方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面通過(guò)實(shí)施例的方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之中。
[0026]參考圖1和圖2，本發(fā)明所述的無(wú)線壓力傳感器1，包括一壓力探測(cè)器11、一校準(zhǔn)芯片12、一 MCU13和一無(wú)線收發(fā)裝置14，其中，
[0027]該壓力探測(cè)器11用于檢測(cè)外力對(duì)該無(wú)線壓力傳感器的作用并將產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
[0028]該校準(zhǔn)芯片12用于將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
[0029]該無(wú)線收發(fā)裝置14用于接收來(lái)自一基站的壓力數(shù)據(jù)采集指令以及將該數(shù)字信號(hào)發(fā)送至該基站；
[0030]該MCU13用于解析該壓力數(shù)據(jù)采集指令以啟用該壓力探測(cè)器11。
[0031]具體來(lái)說(shuō)，該壓力探測(cè)器11包括一擴(kuò)散娃芯體，該擴(kuò)散娃芯體包括一外殼、一擴(kuò)散硅壓力敏感芯片、膜片和位于該擴(kuò)散硅壓力敏感芯片與該膜片之間的硅油，該外殼具有一開(kāi)口，該擴(kuò)散硅壓力敏感芯片封裝于該外殼中，該膜片包覆于該擴(kuò)散硅壓力敏感芯片上并且位于該開(kāi)口處，該擴(kuò)散硅壓力敏感芯片通過(guò)該硅油檢測(cè)到作用于該膜片上的外力。[0032]其中，該校準(zhǔn)芯片12包括差分放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP、EEPROM和模擬電橋開(kāi)關(guān)。
[0033]并且，該校準(zhǔn)芯片12通過(guò)I2C總線與該MCU13相連，該無(wú)線收發(fā)裝置14通過(guò)SPI與該MCU13相連。
[0034]較為常用的，該MCU13為msp430芯片。且該無(wú)線收發(fā)裝置14為nRF905芯片。
[0035]參考圖2，本發(fā)明所述的壓力數(shù)據(jù)采集方法，采用如圖1所示的無(wú)線壓力傳感器I實(shí)現(xiàn)，該壓力數(shù)據(jù)采集方法包括以下步驟:
[0036]步驟S1、該基站發(fā)送該壓力數(shù)據(jù)采集指令至該無(wú)線壓力傳感器；
[0037]步驟S2、該MCU解析該壓力數(shù)據(jù)采集指令；
[0038]步驟S3、該壓力探測(cè)器檢測(cè)外力對(duì)該無(wú)線壓力傳感器的作用并將該外力產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
[0039]步驟S4、該校準(zhǔn)芯片將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
[0040]步驟S5、該無(wú)線收發(fā)裝置將該數(shù)字信號(hào)發(fā)送至該基站。
[0041]下面，舉一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，結(jié)合安裝、使用角度，再次闡述本發(fā)明的無(wú)線壓力傳感器及壓力數(shù)據(jù)采集方法。
[0042]本發(fā)明所述的無(wú)線壓力傳感器包括擴(kuò)散硅芯體、(擴(kuò)散硅芯體是由膜片、不銹鋼外殼、硅片、引線和硅油構(gòu)成的)校準(zhǔn)芯片、MCU、和無(wú)線收發(fā)模塊(nRF905)，在使用中，該壓力傳感器與一基站(ARM核心的STM32芯片)通信。擴(kuò)散硅芯體安裝在快速專(zhuān)用的快速接頭內(nèi)，用擋圈和孔用彈性擋圈把擴(kuò)散硅芯體固定好，電路支架安放在孔用彈性擋圈上，擴(kuò)散硅芯體的輸出被接入校準(zhǔn)芯片，校準(zhǔn)芯片使用I2C總線與低功耗MCU相連，無(wú)線收發(fā)模塊通過(guò)SPI與低功耗MCU相連，基站通過(guò)SPI與無(wú)線收發(fā)模塊相連。
[0043]擴(kuò)散娃芯體為擴(kuò)散娃壓力敏感芯片(以下簡(jiǎn)稱(chēng)敏感芯片)封裝到316L (316L是一種不銹鋼材料牌號(hào))不銹鋼外殼中得到，外加壓力通過(guò)不銹鋼膜片、內(nèi)部密封的硅油傳遞到敏感芯片上，敏感芯片不直接接觸被測(cè)介質(zhì)，形成壓力測(cè)量的全固態(tài)結(jié)構(gòu)，因此可以應(yīng)用于各種場(chǎng)合，包括惡劣的腐蝕性介質(zhì)環(huán)境。校準(zhǔn)芯片上集成了差分放大器，高精度A/D轉(zhuǎn)換器，高速數(shù)據(jù)處理器DSP，EEPROM以及模擬電橋開(kāi)關(guān)。可以把壓力量化成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，而且在待機(jī)模式電流消耗為2 μ A以下。低功耗MCU采用的是msp430系列，具有極低的功耗，STM32(STM32系列基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的內(nèi)核)采用的是ARM內(nèi)核，具有速度快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)且價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線收發(fā)裝置采用單片射頻收發(fā)器nRF905，nRF905是挪威Nordic VLSI公司的產(chǎn)品，工作電壓為1.9?3.6V,32引腳QFN (方形扁平無(wú)引腳封裝)封裝(5 X 5mm)，工作于433MHz (工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道。nRF905適用于無(wú)線數(shù)據(jù)通信、無(wú)線報(bào)警及安全系統(tǒng)、無(wú)線開(kāi)鎖、無(wú)線監(jiān)測(cè)、家庭自動(dòng)化和玩具等諸多領(lǐng)域。nRF905是一塊集成度較高的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片，片內(nèi)包含電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理字頭、CRC循環(huán)冗余碼校驗(yàn)和曼徹斯特編碼/解碼等功能，使用非常方便。該無(wú)線壓力傳感器，就是采用當(dāng)前比較好的擴(kuò)散硅芯體作為感知壓力器件，它是通過(guò)壓阻效應(yīng)的原理，把壓力轉(zhuǎn)化成可以測(cè)量的直流電信號(hào)。校準(zhǔn)芯片在輸出模式輸出當(dāng)前對(duì)應(yīng)的壓力的數(shù)字信號(hào)。這種模塊式的結(jié)構(gòu)，減少了外圍元件，提高了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。低功耗MCU讀取的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在接收基站，基站的無(wú)線收發(fā)模塊接收來(lái)自無(wú)線壓力傳感器傳回的壓力值，轉(zhuǎn)發(fā)到一 PC (個(gè)人計(jì)算機(jī))機(jī)。PC機(jī)可以根據(jù)這些壓力數(shù)據(jù)，對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)顯示這些壓力值在PC機(jī)上。同時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，在對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行
調(diào)整等。
[0044]該無(wú)線低功耗壓力傳感器的工作原理如下:
[0045]當(dāng)有壓力作用與擴(kuò)散硅芯體上的膜片時(shí)，膜片發(fā)生形變，擠壓擴(kuò)散硅芯體里的硅油，由于娃油不能被壓縮，以同樣的壓力施加在擴(kuò)散娃的敏感芯片上，擴(kuò)散娃制成的電橋發(fā)生不平衡，在橫流源的激勵(lì)下，輸出mV級(jí)的差分電信號(hào)，此電信號(hào)進(jìn)入專(zhuān)用芯片里的高精度AD (模數(shù))轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過(guò)專(zhuān)用芯片的DSP數(shù)據(jù)處理和變換輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)?；镜耐ㄟ^(guò)掃描的方式，與每過(guò)壓力傳感器進(jìn)行通訊。首先基站發(fā)出采集命令信號(hào)，采集命令經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊調(diào)制到433MHz電磁波，無(wú)線低功耗傳感器的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊把無(wú)線電波解調(diào)出來(lái)得到數(shù)字信號(hào)，然后單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的采集命令。讀取I2C的壓力數(shù)字信號(hào)，把數(shù)字信號(hào)傳發(fā)送到數(shù)據(jù)發(fā)送模塊調(diào)制發(fā)送，基站接收無(wú)線電波解調(diào)讀取數(shù)據(jù)，上傳到PC如此循環(huán)，就會(huì)把數(shù)據(jù)不斷采集到上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析。
[0046]雖然以上描述了本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說(shuō)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍是由所附權(quán)利要求書(shū)限定的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的前提下，可以對(duì)這些實(shí)施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種無(wú)線壓力傳感器，其特征在于，其包括一壓力探測(cè)器、一校準(zhǔn)芯片、一 MCU和一無(wú)線收發(fā)裝置，其中， 該壓力探測(cè)器用于檢測(cè)外力對(duì)該無(wú)線壓力傳感器的作用并將產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； 該校準(zhǔn)芯片用于將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)； 該無(wú)線收發(fā)裝置用于接收來(lái)自一基站的壓力數(shù)據(jù)采集指令以及將該數(shù)字信號(hào)發(fā)送至該基站; 該MCU用于解析該壓力數(shù)據(jù)采集指令以啟用該壓力探測(cè)器。
2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)線壓力傳感器，其特征在于，該壓力探測(cè)器包括一擴(kuò)散硅芯體，該擴(kuò)散硅芯體包括一外殼、一擴(kuò)散硅壓力敏感芯片、膜片和位于該擴(kuò)散硅壓力敏感芯片與該膜片之間的硅油，該外殼具有一開(kāi)口，該擴(kuò)散硅壓力敏感芯片封裝于該外殼中，該膜片包覆于該擴(kuò)散硅壓力敏感芯片上并且位于該開(kāi)口處，該擴(kuò)散硅壓力敏感芯片通過(guò)該硅油檢測(cè)到作用于該膜片上的外力。
3.如權(quán)利要求1或2所述的無(wú)線壓力傳感器，其特征在于，該校準(zhǔn)芯片包括差分放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP、EEPROM和模擬電橋開(kāi)關(guān)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的無(wú)線壓力傳感器，其特征在于，該校準(zhǔn)芯片通過(guò)I2C總線與該MCU相連，和/或，該無(wú)線收發(fā)裝置通過(guò)SPI與該MCU相連。
5.如權(quán)利要求1或2所述的無(wú)線壓力傳感器，其特征在于，該MCU為msp430芯片。
6.如權(quán)利要求1或2所述的無(wú)線壓力傳感器，其特征在于，該無(wú)線收發(fā)裝置為nRF905-H-* I I心/T O
7.一種壓力數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，其采用如權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述的無(wú)線壓力傳感器實(shí)現(xiàn)，該壓力數(shù)據(jù)采集方法包括以下步驟: 步驟S1、該基站發(fā)送該壓力數(shù)據(jù)采集指令至該無(wú)線壓力傳感器； 步驟S2、該MCU解析該壓力數(shù)據(jù)采集指令； 步驟S3、該壓力探測(cè)器檢測(cè)外力對(duì)該無(wú)線壓力傳感器的作用并將該外力產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； 步驟S4、該校準(zhǔn)芯片將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)； 步驟S5、該無(wú)線收發(fā)裝置將該數(shù)字信號(hào)發(fā)送至該基站。
【文檔編號(hào)】G01L9/06GK103837270SQ201210484178
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月23日
【發(fā)明者】李鳳奎, 伍正輝, 劉榮彬, 陳明 申請(qǐng)人:上海朝輝壓力儀器有限公司