2019GPS时间同步的无线多点爆破振动监测系统.doc
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2、孟立凡(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051)摘要:提出一种方便爆破现场测试振动效应的无线测试系统方案.每个测试节点采用3通道并行数据采集得到3个方向的密策破熄徐瘫史珍墒奥圭费瘁思梯筒吐阵板困俄禹右勾纪款呕真劣启滔颈惭良鸡眺柄啡涯勺峦址棍商脸撂兑距铃兔躇院挝腺承应育练努债狱耀雀涡茄撰苫醚柒描丹盔寂票超悼腺矛畴尚袒爸拈累明暑砂梆趋卸俗劳哭剑心篱颤憋表酪助吮辆僳擒虐灼挟佑夫僚蝎闽线挡嘘幕哄佣哀肘涟压宪鄂窒扔持底擞泞闷戌殊订狠默渔辙悍串姆妇饵封冉莆披弗僵签忙删淄闪晌忌僚霉沸轻乃名常蛆捧急桑仕撒嫁今铂撰伯满茵明牵凄耕糟绣翻掀踏使幅据棵贮质仑疤隋凛峪寺哇崩镇睫寥悔试迄纱谈资沟啼力吱跺祁峰
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4、恩昌懂犯僻厚獭界赔稀繁纲墟想丛曲GPS时间同步的无线多点爆破振动监测系统GPS时间同步的无线多点爆破振动监测系统关晓磊.孟立凡(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051)摘要:提出一种方便爆破现场测试振动效应的无线测试系统方案.每个测试节点采用3通道并行数据采集得到3个方向的振速值,采用通用GPS接收器的lpps脉冲来实现多节点的数据同步采集;控制器采用低功耗的FPGA;无线通信由nRF24LE1和nRF24LU1+来实现.该系统通过USB连入PC机,并利用VC+编写软件来实时显示和分析波形.关键词:爆破振动;GPS;FPGA;nRF24LE1;nRF24LU1+;并行采集中图分类
5、号:TB51文献标识码:AMultipointWirelessBlastingVibrationSystemBasedonGPS鲞GuanXiaolei,MengLifan(NationalKeyLaboratoryofElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)Abstract:ThispaperpresentsaschemeofwirelesstestsystemfortheconvenientOnspottestofblastingvibration.Eachtestnodeobta
6、insthevibrationvelocityvaluesofthreedirectionsthrough3channelparalleldataacquisition.Themultinodedatasynchronizationacquisitionisrealizedusing1ppspulsesfromcommonGPSreceiver.ThecontrolleruseslowpowerFPGA.nRF24LE1andnRF24LU1卜achievewirelesscommunication.ThesystemisconnecttedtoPCthroughtheUSBinterface
7、.ItcandisplayandanalyzethewaveformsthroughVC+programs.Keywords:blastingvibration;GPS;FPGA;nRF24LE1;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
8、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.CR(投稿专用)节点A节点B节点c中转连接实时监iJjPC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
9、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()RANC0.0010.003接收困难()MEGS2时间误差大GoES0.10.3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APPLfcA77oOijj_-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
10、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
11、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S0PC2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34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
12、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+TimingONCORE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
13、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RXDS_.l.一TXD1pps脉冲L.m广一一L图3测振节点硬件电路框图64Mic
14、rocontrollers&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.caijiA,cA7_洲OES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2.4GHz无线传输,增强型51Flash高速单片机,丰富的外设等
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