基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪及解调方法
阅读说明：本技术 基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪及解调方法 (Demodulator and demodulation method based on gain phase discriminator coaxial cable strain sensor ) 是由 王念勇 魏明辉 白铁瑛 于 2019-11-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪,包括数字硬件部分和模拟硬件部分,所述的数字硬件部分采集模拟硬件部分的模拟数据并且转化为数字信号,进行数据处理以及数据传输,所述的模拟硬件部分包括VCO电路,功放、VCO电源、滤波器、耦合器、RF/IF增益鉴相器和微波开关。通过上述方式,本发明提供的基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪及解调方法,采用RF/IF增益鉴相器检测传感器的相频特性与幅频特性,相位信息准确,计算同轴电缆应变传感器发生的微小形变,精度高、误差小、环境适应能力强。(The invention discloses a demodulator based on a gain phase discriminator coaxial cable strain sensor, which comprises a digital hardware part and an analog hardware part, wherein the digital hardware part acquires analog data of the analog hardware part and converts the analog data into digital signals for data processing and data transmission, and the analog hardware part comprises a VCO circuit, a power amplifier, a VCO power supply, a filter, a coupler, an RF/IF gain phase discriminator and a microwave switch. Through the mode, the demodulator and the demodulation method based on the gain phase discriminator coaxial cable strain sensor provided by the invention have the advantages that the phase frequency characteristic and the amplitude frequency characteristic of the sensor are detected by the RF/IF gain phase discriminator, the phase information is accurate, the micro deformation of the coaxial cable strain sensor is calculated, the precision is high, the error is small, and the environment adaptability is strong.)
技术领域
本发明涉及通信的技术领域，尤其涉及一种基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪及解调方法。
背景技术
同轴电缆应变传感器应用于多种应变监测场景如铁轨形变监测、输油输气管道形变监测、桥梁形变监测等等。同轴电缆应变传感器是一种传感器，而解调仪是解调同轴电缆应变传感器的，从而可应用在多个应变监测的领域内。
目前市场上还没有专门用于解调同轴电缆应变传感器的调节仪等设备，现有技术中解调同轴电缆应变传感器时，需要使用矢量网络分析仪。矢量网络分析仪尤其是在生产测试中更是产品功能、性能测试必不可少的一个测量标尺。但是，矢量网络分析仪是一种通用电磁波能量的测试设备，无法运用于实际工程中，对使用环境具有很强的局限性，且解调方法比较复杂，测量精度低，难以满足现代高精度的要求。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪，采用RF/IF增益鉴相器检测传感器的相频特性与幅频特性，相位信息准确，计算同轴电缆应变传感器发生的微小形变，精度高、误差小、环境适应能力强，提高了同轴电缆的安全性。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪，包括数字硬件部分和模拟硬件部分，所述的数字硬件部分采集模拟硬件部分的模拟数据并且转化为数字信号，进行数据处理以及数据传输，
所述的数字硬件部分包括MCU电路、电源、ADC电路、高频板电路、接口电路、基准电压电路、拨码开关、485模块和zigbee模块，所述的MCU电路分别与电源、ADC电路、高频板电路、接口电路、基准电压电路、拨码开关、485模块和zigbee模块进行通讯连接；
所述的模拟硬件部分包括VCO电路，功放、VCO电源、滤波器、耦合器、RF/IF增益鉴相器和微波开关，所述的VCO电源与VCO电路相连接，所述的VCO电路通过功放与滤波器相连接，所述的滤波器与耦合器相连接，所述的耦合器通过微波开关与RF/IF增益鉴相器相连接。
在本发明一个较佳实施例中，所述的VCO电源采用hmc1060电源管理芯片。
在本发明一个较佳实施例中，所述的耦合器包括相连接的定向耦合器和双向耦合器，
在本发明一个较佳实施例中，所述的微波开关包括两路微波开关和六路微波开关。
在本发明一个较佳实施例中，所述的定向耦合器通过攻分器与两路微波开关相连接。
在本发明一个较佳实施例中，所述的攻分器采用90°的功分器。
在本发明一个较佳实施例中，所述的RF/IF增益鉴相器对两路信号比较输出幅值增益与相位差，一路信号是经过耦合器进行分流得到得耦合端的输出，另一路信号是经过耦合器输出端后经传感器反射回来的信号。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供了一种基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪的解调方法，包括以下具体步骤：
a、初始化
包括MCU初始化、VCO初始化、外置ADC初始化和微波开关初始化；
b、数据监听
由MCU电路分别监听ADC电路、高频板电路、接口电路、基准电压电路、拨码开关、485模块和zigbee模块的数据，通过通信协议将分别接收不同的任务标签；
c、任务执行
根据任务标签执行任务，任务包括通讯指令分析、数据传输、数据处理、数据采集，执行完任务后清零任务标签，同时等待下一个任务标签的更新。
本发明的有益效果是：本发明的基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪剂解调方法，采用RF/IF增益鉴相器检测传感器的相频特性与幅频特性，相位信息准确，计算同轴电缆应变传感器发生的微小形变，精度高、误差小、环境适应能力强，提高了同轴电缆的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪的数字硬件部分的结构框图；
图2是本发明基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪的模拟硬件部分的结构示意图；
图3是本发明基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪的解调方法的流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例包括：
一种基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪，包括数字硬件部分和模拟硬件部分，所述的数字硬件部分采集模拟硬件部分的模拟数据并且转化为数字信号，进行数据处理以及数据传输。
如图1所示，所述的数字硬件部分包括MCU电路、电源、ADC电路、高频板电路、接口电路、基准电压电路、拨码开关、485模块和zigbee模块，所述的MCU电路分别与电源、ADC电路、高频板电路、接口电路、基准电压电路、拨码开关、485模块和zigbee模块进行通讯连接。
主要器件功能：
MCU电路为数字硬件核心，其主要功能是协调控制各个部分工作并进行数据处理与数据传输；
ADC电路主要功能是将模拟信号转化为数字信号；
电源主要功能是提供数字硬件电源以及模拟硬件电源。
如图2所示，所述的模拟硬件部分包括VCO电路，功放、VCO电源、滤波器、耦合器、RF/IF增益鉴相器和微波开关，所述的VCO电源与VCO电路相连接，所述的VCO电路通过功放与滤波器相连接，所述的滤波器与耦合器相连接，所述的耦合器通过微波开关与RF/IF增益鉴相器相连接。
主要器件功能：
VCO电路：产生射频信号；
RF/IF增益鉴相器：检测两路射频信号的幅值比与相位差；
VCO电源：产生VCO电路所需要的四路电源。
本实施例中，所述的VCO电源采用hmc1060电源管理芯片，所述的耦合器包括相连接的定向耦合器和双向耦合器；所述的微波开关包括两路微波开关和六路微波开关。
进一步的，所述的定向耦合器通过攻分器与两路微波开关相连接。其中，所述的攻分器采用90°的功分器。
相位测量原理：
RF/IF增益鉴相器对两路信号比较输出幅值增益与相位差，其中一路信号是经过耦合器进行分流得到得耦合端的输出，另一路信号是经过耦合器输出端后经传感器反射回来的信号。这两路信号经过RF/IF增益鉴相器比较输出幅值增益与相位差。同时通过移相器做两次比较得到两次幅值增益与相位差，可以准备的确定相位信息。
VCO电源为VCO电路提供4路电源，VCO电路产生射频信号经过功放放大，再经过滤波器滤波、经过耦合器分流，最终将信号汇总至RF/IF增益鉴相器，对信号进行处理输出。
如图3所示，本发明还提供了一种基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪的解调方法，包括以下具体步骤：
a、初始化
包括MCU初始化、VCO初始化、外置ADC初始化和微波开关初始化。
MCU初始化主要对芯片的管脚、定时器及其中断、串口中断、FLASH、初始化；
VCO初始化主要是使能VCO、VCO的spi通信功能、初始化VCO的寄存器功能、确保能输出正确的频点信号；
外置ADC初始化主要是使能外置ADC芯片、以及ADC的spi通信功能初始化；
微波开关初始化主要是使能微波开关芯片、并打开其中一个通道。
b、数据监听
由MCU电路分别监听ADC电路、高频板电路、接口电路、基准电压电路、拨码开关、485模块和zigbee模块的数据，通过通信协议将分别接收不同的任务标签。
当串口中断被触发、数据缓存读写指针发生变化，在设定的时间内停止变化时，开始比较缓存读写指针，进行取数据，根据特定的通信协议分析数据并且判断该数据属于什么指令，同时根据指令更新任务标签。
c、任务执行
根据任务标签执行任务，任务包括通讯指令分析、数据传输、数据处理、数据采集，执行完任务后清零任务标签，同时等待下一个任务标签的更新。
当任务标签被更新后，根据任务标签执行任务，执行完任务后清除任务标签，同时等待任务标签更新。
其中，
指令分析：
根据通信协议分析指令内容，内容包含传感器参数配置、解调仪扫描配置、解调仪扫频参数配置，数据传输指令分析判断是温度数据还是应变数据；
数据传输：
根据数据传输指令将需要的数据通过485总线或zigbee无线网络传输给上位机；
数据采集：
根据任务标签、传感器配置参数、解调仪扫频参数以及解调仪扫描参数定时对数据进行采集；
数据处理：
数据处理包括ADC采集滤波、傅里叶频域变换、傅里叶时域变换、开窗函数、寻峰算法。
同时，数据处理时，首先由ADC电路滤波采集数据、将采集到的数据进行时域变换，获取时域图谱，然后进行开窗，再进行频域变换获取频域图谱，在频域图谱内寻找中心并且为最大峰值点的数据作为频点输出。
本发明的创新点为：
1、采用RF/IF增益鉴相器检测传感器的相频特性与幅频特性；
2、通过快速傅里叶变换获取传感器时域图谱；
3、再根据所要监测的传感器节点进行开窗、时域频域变换以及获取传感器N倍频点；
4、根据不同时刻的传感器N倍频点计算频率偏移量从而计算传感器发生的微小形变。
综上所述，本发明的基于增益鉴相器同轴电缆应变传感器的解调仪及解调方法，采用RF/IF增益鉴相器检测传感器的相频特性与幅频特性，相位信息准确，计算同轴电缆应变传感器发生的微小形变，精度高、误差小、环境适应能力强，提高了同轴电缆的安全性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。