本發(fā)明涉及一種振弦采集系統(tǒng)及方法，屬于巖土工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在對(duì)巖土工程、道路交通設(shè)施、大型樓宇等的安全監(jiān)測(cè)中，通常采用振弦式傳感器等安全監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變、溫度、接縫開度、滲漏和變形等物理量，用以分析判斷安全狀況。振弦式傳感器內(nèi)部的鋼弦的振動(dòng)固有頻率參量是最為關(guān)鍵的測(cè)量因子，目前測(cè)量鋼弦的頻率參量通常采用激振拾振的方法：采集終端首先向振弦式傳感器發(fā)送單脈沖激勵(lì)信號(hào)或掃頻激勵(lì)信號(hào)，向振弦式傳感器饋入激勵(lì)能量，使振弦式傳感器內(nèi)部的鋼弦產(chǎn)生振動(dòng)。撤銷激勵(lì)信號(hào)后，振弦式傳感器的鋼弦處于自由諧振狀態(tài)，以特定的頻率諧振，該諧振頻率與振弦式傳感器所測(cè)量的參量有特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采集終端再檢測(cè)、處理振弦式傳感器的諧振信號(hào)，得到其諧振頻率，即鋼弦的固有頻率。

振弦傳感器監(jiān)測(cè)采用激振方法一般分為高壓撥弦激振和低壓掃頻激振兩種，但這兩種激振方式都存在較大局限性。高壓撥弦激振方式是通過(guò)高頻變壓器產(chǎn)生高壓激振脈沖使鋼弦振動(dòng)，激發(fā)時(shí)Vp-p>100V，被激勵(lì)的鋼弦通過(guò)感應(yīng)線圈將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成自由衰減振蕩的正弦電壓信號(hào)從傳感器輸出。低壓掃頻激振是根據(jù)傳感器的固有頻率選擇合適的頻率段，對(duì)傳感器施加頻率逐漸變大或變小的掃頻脈沖串信號(hào)，當(dāng)激振信號(hào)的頻率和鋼弦的固有頻率相近時(shí)，鋼弦能快速達(dá)到共振狀態(tài)，共振狀態(tài)下振幅最大，能產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，傳感器輸出的頻率信號(hào)信噪比較高且便于測(cè)量。這兩種激振方式的局限性分別表現(xiàn)為：高壓撥弦方式激振，鋼弦振動(dòng)持續(xù)時(shí)間短，信號(hào)不易拾取，測(cè)量精度差，且高電壓易使鋼弦加速老化致使傳感器失效；低壓掃頻激振方式雖然采用了低電壓激勵(lì)，保護(hù)了鋼弦，但是掃頻信號(hào)是從頻率下限到頻率上限的連續(xù)脈沖信號(hào)，為了保證激振效果，每個(gè)頻率的脈沖都要持續(xù)若干個(gè)周期，激振時(shí)間太長(zhǎng)。

目前，國(guó)內(nèi)用于橋梁、邊坡等監(jiān)測(cè)的振弦采集系統(tǒng)通常采用有線電纜連接的方式，布線繁瑣，安裝成本及維護(hù)成本高。因此，采用無(wú)線連接方式是未來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)展的趨勢(shì)。

中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN102426052A公開了一種振弦式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括振弦式傳感器、通道選擇電路、激振電路、拾振電路、電源管理電路和處理器，還包括 FPGA 電路，處理器產(chǎn)生并發(fā)送初試激振頻率控制字給FPGA電路，F(xiàn)PGA電路對(duì)該正弦模擬信號(hào)整形后控制激振電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)去激振振弦式傳感器， FPGA 電路采樣拾振電路的輸出頻率值并傳遞給處理器。可見(jiàn)，該方法仍需要 3-5 次才能夠讀出傳感器的頻率值，不利于檢測(cè)效率的提高，另外，該系統(tǒng)中采用FPGA控制激勵(lì)電路產(chǎn)生激勵(lì)脈沖并采樣拾振電路的輸出頻率值傳輸給處理器，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，不便于集成與推廣。尤其關(guān)鍵的一點(diǎn)是，該采集系統(tǒng)與傳感器采用的是有線電纜連接的方式，該方式存在兩個(gè)弊端，首先，布線費(fèi)事費(fèi)力，特別是針對(duì)環(huán)境惡劣的邊坡和隧道監(jiān)測(cè)時(shí)，表現(xiàn)尤為突出。另外，有線連接方式不能很好的解決振弦傳感器激振后，微小感應(yīng)電信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸電纜中存在較大的衰減問(wèn)題，給后級(jí)拾振電路設(shè)計(jì)與處理帶來(lái)很大的困難，而且會(huì)較大程度的影響頻率測(cè)量精度。

中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN101832752A公開了一種采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低功耗振弦式應(yīng)變采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)1、無(wú)線控制基站2和無(wú)線應(yīng)變傳感器網(wǎng)絡(luò)10，采用了無(wú)線通信方式，但該專利并沒(méi)有涉及到各個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)同步采集的問(wèn)題。

實(shí)際工程應(yīng)用中，特別是針對(duì)大型橋梁或大壩的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)方案中，在某個(gè)測(cè)點(diǎn)處往往需要同時(shí)監(jiān)測(cè)兩種或兩種以上物理量（比如位移、應(yīng)力、應(yīng)變等），才能夠?qū)υ摐y(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)進(jìn)行綜合的評(píng)判，這就需要各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)具備同步采樣的功能，這樣才能夠獲取同一時(shí)刻的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理過(guò)程中，才能夠準(zhǔn)確的描繪各物理量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖，為橋梁或大壩的健康診斷以及趨勢(shì)預(yù)測(cè)、預(yù)警提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。因此，各無(wú)線節(jié)點(diǎn)同步采集是本發(fā)明的關(guān)鍵部分。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服背景技術(shù)中提到的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種同步采樣的無(wú)線振弦采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)將主控端和振弦傳感器采集端實(shí)現(xiàn)分離，采用無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，結(jié)合無(wú)線模塊的中斷信號(hào)IRQ和GPS模塊提供的1PPS秒脈沖信號(hào)，分別連接到微控制器的外部中斷線0和外部中斷線1上，利用微控制器具備的嵌套向量中斷控制器，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)主控端與振弦傳感器采集端的交互流程，從而實(shí)現(xiàn)同步采樣的功能。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種同步采樣的無(wú)線振弦采集系統(tǒng)，包括主控端、振弦傳感器采集端、振弦式傳感器。其中，振弦傳感器采集端由N（N≥32）個(gè)振弦傳感器采集子節(jié)點(diǎn)組成；主控端作為整個(gè)采集系統(tǒng)的核心控制單元，通過(guò)無(wú)線的方式與振弦傳感器采集端中所有采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)的交互；振弦傳感器采集端中的各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，接收并響應(yīng)來(lái)自主控端發(fā)出的所有操作命令，將采集到的振弦式傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式發(fā)送給主控端；振弦式傳感器感知橋梁、邊坡等待測(cè)部位的微小形變，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳輸給振弦傳感器采集端進(jìn)行采集；主控端接收來(lái)自振弦傳感器采集端中的各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，一方面進(jìn)行本地存儲(chǔ)，另一方面實(shí)時(shí)的上傳到Y(jié)L-TMS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

優(yōu)選的，主控端包括第一微控制器、第一無(wú)線模塊、上傳模塊、第一電源電路、第一存儲(chǔ)模塊、第一GPS模塊；第一微處理器與第一無(wú)線模塊通過(guò)SPI接口相連；第一微處理器與上傳模塊相連；第一微處理器與第一存儲(chǔ)模塊、第一GPS模塊依次相連；第一電源電路為主控端中所有模塊提供電源。

優(yōu)選的，振弦傳感器采集端包括第二微控制器、第二無(wú)線模塊、激勵(lì)電路、第二電源電路、第二存儲(chǔ)模塊、第二GPS模塊、信號(hào)調(diào)理電路；第二微處理器與第二無(wú)線模塊通過(guò)SPI接口相連；第二微控制器與激勵(lì)電路相連，控制激勵(lì)電路輸出掃頻信號(hào)去激勵(lì)振弦式傳感器，振弦式傳感器被激勵(lì)后，產(chǎn)生感應(yīng)輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波、整形后，提供給第二微控制器進(jìn)行捕獲計(jì)數(shù)，從而計(jì)算出振弦式傳感器的共振頻率，最終換算出振弦傳感器的形變物理量；第二電源電路為振弦傳感器采集端中所有模塊提供電源。

優(yōu)選的，第二微控制器通過(guò)捕獲信號(hào)調(diào)理電路輸出的頻率信號(hào)，反饋控制激勵(lì)電路掃頻信號(hào)的范圍，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器使其到達(dá)共振狀態(tài)，確保振弦式傳感器的檢測(cè)精度。

優(yōu)選的，振弦式傳感器為振弦式裂縫計(jì)或振弦式滲壓計(jì)。

優(yōu)選的，第一微控制器、第二微控制器為STM32F103VET6。

優(yōu)選的，第一無(wú)線模塊、第二無(wú)線模塊為EL1663B_PA_1W。

優(yōu)選的，第一GPS模塊、第二GPS模塊為UART GPS NEO-6M模塊。

一種同步采樣的無(wú)線振弦采集方法，包括以下步驟：

步驟1：系統(tǒng)初始化；

步驟2：發(fā)送組網(wǎng)連接命令；

步驟3：?jiǎn)?dòng)同步采樣；

步驟4：獲取各采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；

步驟5：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與上傳。

優(yōu)選的，步驟1具體為：系統(tǒng)上電后，主控端和振弦傳感器采集端中的微控制器通過(guò)向GPS模塊發(fā)送同步授時(shí)命令，GPS模塊獲取中國(guó)國(guó)家授時(shí)中心的時(shí)間服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，使主控端和振弦傳感器采集端各采集節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步和秒脈沖輸出同步；時(shí)間同步完成后，主控端中的第一無(wú)線模塊初始化為發(fā)送模式，振弦傳感器采集端中的第二無(wú)線模塊初始化為接收模式。

優(yōu)選的，步驟2具體為：系統(tǒng)初始化后，主控端向振弦傳感器采集端發(fā)送組網(wǎng)連接命令，如果連接成功，振弦傳感器采集端的通訊狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)主控端將自動(dòng)生成所有已連接節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而更直觀的獲取振弦傳感器采集端中各個(gè)采集子節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。

優(yōu)選的，步驟3具體為：組網(wǎng)連接成功后，主控端向振弦傳感器采集端中的各個(gè)采集子節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送啟動(dòng)采樣命令，主控端獲取第一GPS模塊當(dāng)前的時(shí)間作為一次采樣時(shí)刻，采樣命令發(fā)送完成后，第一微控制器將第一無(wú)線模塊設(shè)置為接收模式，等待接收振弦傳感器采集端的數(shù)據(jù)。當(dāng)振弦傳感器采集端接收到主控端發(fā)送過(guò)來(lái)的采樣命令后，第二無(wú)線模塊均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平的中斷信號(hào)IRQ，由于晶振誤差和無(wú)線信號(hào)可能延遲的誤差，因此，僅通過(guò)第二無(wú)線模塊產(chǎn)生的中斷信號(hào)IRQ來(lái)啟動(dòng)對(duì)振弦式傳感器的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)不了同步采樣。本發(fā)明中將無(wú)線模塊的中斷信號(hào)IRQ和GPS的1PPS脈沖信號(hào)，分別與第二微處理器的外部中斷線0和外部中斷線1相連，利用第二微處理器具備的嵌套向量中斷控制器，將外部中斷1嵌套在外部中斷0內(nèi)，當(dāng)?shù)诙o(wú)線模塊的中斷信號(hào)IRQ到來(lái)時(shí)，會(huì)觸發(fā)外部中斷線0，進(jìn)入外部中斷0的中斷處理函數(shù)，同時(shí)在外部中斷0處理函數(shù)中使能外部中斷線1對(duì)GPS的1PPS脈沖信號(hào)上升沿捕獲，當(dāng)上升沿到來(lái)時(shí)，會(huì)觸發(fā)外部中斷線1，進(jìn)入外部中斷1的中斷處理函數(shù)，同時(shí)在外部中斷1處理函數(shù)中開啟振弦傳感器采集端的數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)同步采樣的功能。

優(yōu)選的，步驟4具體為：當(dāng)振弦傳感器采集端數(shù)據(jù)采集完成后，第二微控制器將第二無(wú)線模塊配置為發(fā)送模式，將采集到的數(shù)據(jù)連同節(jié)點(diǎn)編號(hào)一起發(fā)送給主控端，發(fā)送完畢后，振弦傳感器采集端中的第二微控制器將第二無(wú)線模塊配置為接收模式；主控端接收完所有振弦傳感器采集端的數(shù)據(jù)后，主控端中的第一微控制器將第一無(wú)線模塊配置為發(fā)送模式。

優(yōu)選的，步驟5具體為：主控端接收完所有振弦傳感器采集端的數(shù)據(jù)后，將接收到的數(shù)據(jù)連同獲取的開始采樣的時(shí)刻，保存到第一存儲(chǔ)模塊中，然后通過(guò)上傳模塊將數(shù)據(jù)上傳到Y(jié)L-TMS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。

重復(fù)步驟1至5，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的重新采樣。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：1、該系統(tǒng)小巧輕便，便于集成與大規(guī)模的推廣應(yīng)用，另外，采用無(wú)線的方式解決了傳統(tǒng)有線振弦采集系統(tǒng)布線困難、微小感應(yīng)電信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸電纜中存在較大的衰減等問(wèn)題。2、實(shí)現(xiàn)了各無(wú)線節(jié)點(diǎn)同步采樣的功能，能夠獲取同一時(shí)刻的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，便于準(zhǔn)確的描繪各物理量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖，為橋梁或大壩的健康診斷以及趨勢(shì)預(yù)測(cè)、預(yù)警提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例的一種同步采樣的無(wú)線振弦采集系統(tǒng)的整體示意圖；

圖2為圖1所示系統(tǒng)中主控端1的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為圖1所示系統(tǒng)中振弦傳感器采集端2的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為圖1-3所示系統(tǒng)中主控端1和振弦傳感器采集端2中的微控制器、GPS模塊、無(wú)線模塊和天線的引腳連接圖；

圖5為本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例的同步采樣的無(wú)線振弦采集方法的整體流程圖；

圖中，1—主控端；2—振弦傳感器采集端；3—振弦傳感器；101—第一微控制器；102—第一無(wú)線模塊；103—上傳模塊；104—第一電源電路；105—第一存儲(chǔ)模塊；106—第一GPS模塊；201—第二微控制器；202—第二無(wú)線模塊；203—激勵(lì)電路；204—第二電源電路；205—第二存儲(chǔ)電路；206—第二GPS模塊；207—信號(hào)調(diào)理電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

請(qǐng)參閱圖1，為本發(fā)明同步采樣的無(wú)線振弦采集系統(tǒng)整體示意圖。本發(fā)明同步采樣的無(wú)線振弦采集系統(tǒng)由主控端1、振弦傳感器采集端2和振弦傳感器3組成，主控端1作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，與振弦傳感器采集端2進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的交互，完成對(duì)振弦傳感器3的數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)的將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)并上傳到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，便于監(jiān)測(cè)單位遠(yuǎn)程監(jiān)控與分析；振弦傳感器采集端2用于接收并響應(yīng)主控端1發(fā)送的各種指令，對(duì)振弦傳感器3進(jìn)行激勵(lì)與頻率的捕獲，將振弦傳感器3的物理形變量數(shù)字化后，發(fā)送給主控端1；振弦傳感器3為布置在監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)上的各類振弦式傳感器，比如振弦式裂縫計(jì)或振弦式滲壓計(jì)變等；其中，主控端1和振弦傳感器采集端2中均配置了無(wú)線模塊和天線。

主控端1中的第一無(wú)線模塊102和振弦傳感器采集端2中第二無(wú)線模塊202，均采用EL1663B_PA_1W，EL1663B_PA_1W是一款輸出功率為1W的大功率模塊，采用的是SI4463內(nèi)核，接口操作簡(jiǎn)單，僅通過(guò)SPI接口就可以完成所有參數(shù)的配置及收發(fā)功能，穿透能力強(qiáng)，通訊距離可達(dá)10KM。

主控端1中的第一微控制器101和振弦傳感器采集端2中的第二微控制器201，均采用意法半導(dǎo)體公司的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的高性能32位微處理器STM32F103VET6，通過(guò)SPI接口與無(wú)線模塊進(jìn)行相連，從而實(shí)現(xiàn)主控端1與振弦傳感器采集端2通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行交互的功能。

請(qǐng)參閱圖2，為本發(fā)明同步采樣的無(wú)線振弦采集系統(tǒng)的主控端1的結(jié)構(gòu)框圖。主控端1由第一微處理器101、第一無(wú)線模塊102、上傳模塊103、第一電源電路104、第一存儲(chǔ)模塊105、第一GPS模塊106組成；其中，上傳模塊103采用的是廈門四信公司的4G數(shù)傳終端(4G DTU) F2A16，該上傳模塊支持4G、3G、2.5G等全線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸更順暢更高速。第一微處理器101與上傳模塊103通過(guò)UART接口進(jìn)行連接。第一存儲(chǔ)模塊105采用的是WINBOND公司的FLASH芯片W25Q128FVSIG，第一存儲(chǔ)模塊105通過(guò)SPI接口與第一微處理器101進(jìn)行連接。第一GPS模塊106與第一微處理器101之間采用UART接口進(jìn)行相連；第一電源電路104為主控端1中所有模塊提供電源。

請(qǐng)參閱圖3，為本發(fā)明同步采樣的無(wú)線振弦采集系統(tǒng)的振弦傳感器采集端2的結(jié)構(gòu)框圖。振弦傳感器采集端2由第二微控制器201、第二無(wú)線模塊202、激勵(lì)電路203、第二電源電路204、第二存儲(chǔ)模塊205、第二GPS模塊206、信號(hào)調(diào)理電路207組成。其中，激勵(lì)電路203和信號(hào)調(diào)理電路207為振弦傳感器采集端2中至關(guān)重要的兩個(gè)部分，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)振弦式傳感器的激勵(lì)與頻率捕獲功能。

鑒于高壓撥弦激勵(lì)方式的電路復(fù)雜、傳感器易老化、檢測(cè)信號(hào)精度低和低壓掃頻時(shí)間長(zhǎng)等弊端，本發(fā)明中的激勵(lì)電路203采用反饋式隔離激振電路對(duì)振弦傳感器進(jìn)行掃頻激勵(lì)，其中反饋式隔離激振電路的核心部分由高速光耦TLP250構(gòu)成，高速光耦TLP250通過(guò)將第二微控制器201產(chǎn)生初始的掃頻激勵(lì)信號(hào)，隔離升壓后作用在振弦傳感器3上，由于高速光耦TLP250內(nèi)部自帶推挽輸出級(jí)，輸出電流最大可達(dá)1.5A，可直接滿足對(duì)振弦傳感器線圈激振的電流要求，不需要額外的添加驅(qū)動(dòng)電路。

由于振弦式傳感器3經(jīng)過(guò)激勵(lì)電路203激勵(lì)后產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅度為mV級(jí)，不便于直接進(jìn)行采集與分析，因此，需要對(duì)產(chǎn)生的微小信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。信號(hào)調(diào)理電路207主要由濾波放大和整形變換兩部分功能組成，其中，濾波放大電路采用LM324組成的有源低通濾波器，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使輸入阻抗高，輸出阻抗低，輸入和輸出之間具有很好的隔離作用，另外除了起到濾波作用外，同時(shí)將振弦式傳感器3感應(yīng)出來(lái)的微小電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行放大。整形變換也由LM324的一組運(yùn)算放大器組成遲滯比較器，利用遲滯比較器的滯回特性，在整形變換的過(guò)程中，極大的提高了整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路207的抗干擾能力。

信號(hào)調(diào)理電路207輸出的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦6N137隔離后連接到第二微控制器201的TIM2_CH2引腳上。由于振弦的共振頻率范圍為400~4500Hz，此頻率信號(hào)的穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間是有限的，必須在共振信號(hào)衰減到不至于影響測(cè)頻前完成測(cè)量任務(wù)。本發(fā)明中利用第二微控制器201內(nèi)部的定時(shí)器，采用等精度測(cè)頻的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)方波信號(hào)的頻率捕獲。第二微控制器201中TIM5產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的頻率F，TIM5與TIM3通過(guò)外部相連，第二微控制器201同時(shí)開啟TIM2和TIM3，在計(jì)數(shù)周期T=200ms的間隔內(nèi)，TIM3對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)頻率的計(jì)數(shù)值為N，TIM2對(duì)待測(cè)方波的計(jì)數(shù)值為n，則待測(cè)方波的頻率f=nF/N。

整個(gè)測(cè)頻過(guò)程中，僅通過(guò)第二微控制器201內(nèi)部的定時(shí)器資源就可以實(shí)現(xiàn)，不需要額外的增加FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的捕獲，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，硬件規(guī)模小，成本低，便于集成與推廣。

請(qǐng)參閱圖4，為本發(fā)明同步采樣的無(wú)線振弦采集系統(tǒng)主控端1和振弦傳感器采集端2中微控制器、無(wú)線模塊和GPS模塊的引腳連接圖。微控制器與無(wú)線模塊通過(guò)SPI接口相連，無(wú)線模塊的中斷信號(hào)IRQ與微控制器的外部中斷線0相連；微控制器與GPS模塊通過(guò)UART接口相連，GPS模塊的1PPS秒脈沖輸出信號(hào)與微控制器的外部中斷線1相連；為了防止無(wú)線模塊在收發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的射頻干擾，通過(guò)電源和地回路對(duì)GPS模塊的精度造成影響，無(wú)線模塊和GPS模塊獨(dú)立供電，兩者電源的供給通過(guò)微控制器分別進(jìn)行控制。當(dāng)主控端1向振弦傳感器采集端2發(fā)送啟動(dòng)同步采樣的命令時(shí)，無(wú)線模塊的中斷信號(hào)IRQ引腳產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖，觸發(fā)微控制器的外部中斷線0，進(jìn)入外部中斷0的中斷處理函數(shù)，同時(shí)在外部中斷0處理函數(shù)中使能外部中斷線1對(duì)GPS模塊的1PPS脈沖信號(hào)上升沿進(jìn)行捕獲，當(dāng)GPS模塊的秒脈沖信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)，會(huì)觸發(fā)外部中斷線1，進(jìn)入外部中斷1的中斷處理函數(shù)，同時(shí)在外部中斷1處理函數(shù)中開啟振弦傳感器采集端2的數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)同步采樣的功能。

請(qǐng)參閱圖5，為本發(fā)明的同步采樣的無(wú)線振弦采集方法的整體流程圖，本方法按以下步驟進(jìn)行：

步驟1：系統(tǒng)初始化；

步驟2：發(fā)送組網(wǎng)連接命令；

步驟3：?jiǎn)?dòng)同步采樣；

步驟4：獲取各采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；

步驟5：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與上傳。

其中，步驟1：系統(tǒng)初始化；具體為系統(tǒng)上電后，主控端1和振弦傳感器采集端2中的微控制器通過(guò)向GPS模塊發(fā)送同步授時(shí)命令，GPS模塊獲取中國(guó)國(guó)家授時(shí)中心的時(shí)間服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，使主控端1和振弦傳感器采集端2各采集節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步和秒脈沖輸出同步；時(shí)間同步完成后，主控端1中的第一無(wú)線模塊102初始化為發(fā)送模式，振弦傳感器采集端2中的第二無(wú)線模塊202初始化為接收模式。

步驟2：發(fā)送組網(wǎng)連接命令；具體為系統(tǒng)初始化后，主控端1向振弦傳感器采集端2發(fā)送組網(wǎng)連接命令，如果連接成功，振弦傳感器采集端2的通訊狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)主控端1將自動(dòng)生成所有已連接節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而更直觀的獲取振弦傳感器采集端2中各個(gè)采集子節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。

步驟3：?jiǎn)?dòng)同步采樣；具體為組網(wǎng)連接成功后，主控端1向振弦傳感器采集端2中的各個(gè)采集子節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送啟動(dòng)采樣命令，主控端1獲取第一GPS模塊106當(dāng)前的時(shí)間作為一次采樣時(shí)刻，采樣命令發(fā)送完成后，第一微控制器101將第一無(wú)線模塊102設(shè)置為接收模式，等待接收振弦傳感器采集端2的數(shù)據(jù)。當(dāng)振弦傳感器采集端2接收到主控端1發(fā)送過(guò)來(lái)的采樣命令后，第二無(wú)線模塊202均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平的中斷信號(hào)IRQ，由于晶振誤差和無(wú)線信號(hào)可能延遲的誤差，因此，僅通過(guò)第二無(wú)線模塊202產(chǎn)生的中斷信號(hào)IRQ來(lái)啟動(dòng)對(duì)振弦式傳感器3的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)不了同步采樣。本發(fā)明中將無(wú)線模塊的中斷信號(hào)IRQ和GPS的1PPS脈沖信號(hào)，分別與第二微處理器201的外部中斷線0和外部中斷線1相連，利用第二微處理器201具備的嵌套向量中斷控制器，將外部中斷1嵌套在外部中斷0內(nèi)，當(dāng)?shù)诙o(wú)線模塊202的中斷信號(hào)IRQ到來(lái)時(shí)，會(huì)觸發(fā)外部中斷線0，進(jìn)入外部中斷0的中斷處理函數(shù)，同時(shí)在外部中斷0處理函數(shù)中使能外部中斷線1對(duì)GPS的1PPS脈沖信號(hào)上升沿捕獲，當(dāng)上升沿到來(lái)時(shí)，會(huì)觸發(fā)外部中斷線1，進(jìn)入外部中斷1的中斷處理函數(shù)，同時(shí)在外部中斷1處理函數(shù)中開啟振弦傳感器采集端2的數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)同步采樣的功能。

步驟4：獲取各采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；具體為當(dāng)振弦傳感器采集端2數(shù)據(jù)采集完成后，第二微控制器201將第二無(wú)線模塊202配置為發(fā)送模式，將采集到的數(shù)據(jù)連同節(jié)點(diǎn)編號(hào)一起發(fā)送給主控端1，發(fā)送完畢后，振弦傳感器采集端2中的第二微控制器201將第二無(wú)線模塊202配置為接收模式；主控端1接收完所有振弦傳感器采集端2的數(shù)據(jù)后，主控端1中的第一微控制器101將第一無(wú)線模塊102配置為發(fā)送模式。

步驟5：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與上傳；具體為主控端1接收完所有振弦傳感器采集端2的數(shù)據(jù)后，將接收到的數(shù)據(jù)連同獲取的開始采樣的時(shí)刻，保存到第一存儲(chǔ)模塊105中，然后通過(guò)上傳模塊103將數(shù)據(jù)上傳到Y(jié)L-TMS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。

雖然之前的說(shuō)明和附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明原理的精神和保護(hù)范圍的前提下可以有各種增補(bǔ)、修改和替換。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體的環(huán)境和工作要求在不背離發(fā)明準(zhǔn)則的前提下在形式、結(jié)構(gòu)、布局、比例、材料、元素、組件及其它方面有所變化。因此，在此披露的實(shí)施例僅用于說(shuō)明而非限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書中技術(shù)方案及其合法等同物界定，而不限于此前的描述。