一種自動(dòng)調(diào)零應(yīng)變信號(hào)調(diào)理器的設(shè)計(jì)*

倪培峰，胡　雄，李希壘

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306)

?

一種自動(dòng)調(diào)零應(yīng)變信號(hào)調(diào)理器的設(shè)計(jì)*

倪培峰，胡雄，李希壘

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306)

摘要：使用電阻應(yīng)變片測量物體的承受載荷情況是最常用的測量方法。受電阻應(yīng)變片個(gè)體操作差異性、傳輸線路損耗、溫度漂移等因素的影響，初始零位的固定對實(shí)際測量數(shù)據(jù)的讀取有重要的意義。基于STM32微控制器，配合多種電子元器件，設(shè)計(jì)出了一種具有自動(dòng)調(diào)零能力的應(yīng)變信號(hào)調(diào)理電路，完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，方便快捷，提高了調(diào)零精度。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變測試；自動(dòng)調(diào)零；調(diào)理電路；STM32

引用格式：倪培峰，胡雄，李希壘. 一種自動(dòng)調(diào)零應(yīng)變信號(hào)調(diào)理器的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(13)：37-39,42.

0引言

電阻應(yīng)變片式傳感器可以用于測量應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)，具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測量精確度高、使用簡便等優(yōu)點(diǎn)，在航空、船舶、機(jī)械、建筑等行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用[1]。在應(yīng)變測試系統(tǒng)中，原始信號(hào)比較小，只有mV級(jí)別的電壓輸出，并且由于測試現(xiàn)場應(yīng)變片個(gè)體操作差異性、傳輸線路的損耗、溫度漂移等[2]因素影響，都會(huì)使得初始信號(hào)不在零位，從而導(dǎo)致信號(hào)超出可調(diào)理范圍。因此，應(yīng)變信號(hào)必須在采集之前進(jìn)行調(diào)零處理。傳統(tǒng)的調(diào)零方式是在恒壓供電的應(yīng)變橋上增加一個(gè)電位器，通過人工調(diào)節(jié)電位器的方式使得應(yīng)變片的輸出達(dá)到初始零位[3]。但人工調(diào)零的方式操作繁瑣，需要人員走到各個(gè)位置，占據(jù)了大量的測試時(shí)間，并且有的安裝位置可能不具備手工調(diào)零的條件。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)調(diào)零的方式正逐步取代手工調(diào)零。參考文獻(xiàn)[4]利用數(shù)字電位器的程控特性和單片機(jī)的控制能力完成電橋的自動(dòng)平衡和電路的調(diào)零。參考文獻(xiàn)[5]利用嵌入式技術(shù)，通過改變前端放大器的參考電壓實(shí)現(xiàn)電路調(diào)零。本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32微控制器和TLV5614數(shù)模轉(zhuǎn)換器的自動(dòng)調(diào)零應(yīng)變信號(hào)調(diào)理電路，以逐次逼近的方式控制調(diào)零電壓的輸出，成功代替了人工調(diào)零操作，提高了調(diào)零精度，節(jié)省了時(shí)間，提高了測試效率。

1整體方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)調(diào)零應(yīng)變信號(hào)調(diào)理器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由應(yīng)變傳感器、高精度電橋、儀表放大器組成的信號(hào)調(diào)理電路、微控制單元、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器、后端輸出電路等組成。

圖1　硬件結(jié)構(gòu)框圖

儀器上電后，STM32微控制器首先通過DAC輸出一個(gè)初始基準(zhǔn)電壓給前端放大器。橋路信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后一方面通過后端輸出電路輸出，另一方面通過電壓跟隨器由STM32控制器自帶的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入控制器。經(jīng)內(nèi)部計(jì)算后得出調(diào)零電壓，利用DAC輸出到前端放大電路，通過改變放大電路的基準(zhǔn)電壓使得信號(hào)調(diào)理電路的輸出調(diào)零，最后經(jīng)過后端輸出電路的調(diào)理后使得最終輸出結(jié)果滿足零位要求。

圖3　信號(hào)調(diào)理電路

1.1核心控制器

微控制器選用的是STM32F105RBT6作為主控制器，該芯片是基于32位ARM Cortex-M3核心，最高工作頻率72 MHz[6]，自帶128 KB閃存，并有64 KB的SRAM的微控制器。同時(shí)，片上集成了10個(gè)定時(shí)器，14個(gè)通信接口，51個(gè)通用I/O端口，支持12通道DMA控制器，2個(gè)12位ADC(16通道)。利用STM32F105RBT6自帶的ADC可以對輸入信號(hào)進(jìn)行多通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.2高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換

圖2　電橋電路

2電路設(shè)計(jì)

電路部分主要包括了電橋電路、信號(hào)調(diào)理電路和后端輸出電路。

2.1電橋電路

本文采用的電橋電路如圖2所示，MC1403 是高精度低漂移能隙基準(zhǔn)電源，它提供2.5 V基準(zhǔn)電壓。通過運(yùn)放LM258輸出一個(gè)4 V 基準(zhǔn)電壓供給橋路，并增加一級(jí)三極管來驅(qū)動(dòng)，以確保4 V的穩(wěn)定精確電壓。

2.2信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路由二級(jí)放大器構(gòu)成，如圖3所示。第一級(jí)放大電路輸出的電壓經(jīng)后端輸出電路調(diào)理后輸出，同時(shí)，通過第二級(jí)運(yùn)放形成的電壓跟隨器，經(jīng)AD變換后輸入到控制器內(nèi)部。前端濾波電路采用RC低通濾波，濾除高頻信號(hào)，RC濾波的截止頻率為：f=1/(2πRC)。

本文采用的INA128U是低功耗、高精度的通用儀表放大器。INA128U提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增益等式。INA128U具有非常低的偏置電壓(50 mV)、溫度漂移(0.5 μV/℃)和高共模抑制(G=100時(shí)為120 dB)。其電源電壓低至±2.25 V，且靜態(tài)電流只有700 μA。INA128U的放大倍數(shù)可由配置電阻Rg控制，如圖3所示，放大倍數(shù)為G=1+50 kΩ/Rg ，輸出為VO=(V+-V-)·G+VDAC，其中，VDAC是微控制器輸出的調(diào)零電壓經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后輸出到REF引腳的電壓。第二級(jí)放大電路采用LM258的第二個(gè)運(yùn)放，起到電壓跟隨器的作用。電壓跟隨器能起到緩沖、隔離、提高帶載能力的作用[7]。

2.3后端輸出電路

后端輸出電路采用XTR111將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA 電流信號(hào)。測試現(xiàn)場如果采集的信號(hào)經(jīng)調(diào)理后是電壓信號(hào)，長線傳輸會(huì)產(chǎn)生以下問題：電壓信號(hào)在傳輸線中很容易受到噪聲干擾；傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降。為了解決這些問題，工業(yè)現(xiàn)場大量采用電流來傳輸信號(hào)。在應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)測試中，也面臨同樣的問題，因此需要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。

XTR111是美國德州儀器公司(TI)的精密電壓至電流轉(zhuǎn)換器，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的0～20 mA或4～20 mA模擬電流信號(hào)，還能提供高達(dá)36 mA的電流。XTR111可以用于通用的電壓可控電流源、針對3線傳感器系統(tǒng)的電流或電壓輸出和電流模式傳感器激發(fā)等。其原理圖如圖4所示。

2.4調(diào)零公式

在調(diào)零電路中，STM32控制器接收到信號(hào)之后，經(jīng)內(nèi)部計(jì)算，通過TLV5614輸出到INA128U，通過改變基準(zhǔn)電壓，將INA128U的輸

圖4　XTR111原理圖

圖6　應(yīng)力動(dòng)載測試信號(hào)

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32微控制器開發(fā)的自動(dòng)調(diào)零應(yīng)變信號(hào)調(diào)理器。依托嵌入式技術(shù)，該調(diào)理器具有制作簡單、工作穩(wěn)定、硬件成本低、可進(jìn)行通道擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。通過程序控制，取代了人工調(diào)零的繁瑣，提高了調(diào)零精度，大大提升了應(yīng)力應(yīng)變測試中的便捷性和實(shí)時(shí)性。在起重機(jī)的應(yīng)力測試中，取得了較好的應(yīng)用效果，節(jié)省了測試時(shí)間，提高了測試效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊詩波，黃長藝. 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2] (美)楊·布迪納斯.羅氏應(yīng)力應(yīng)變公式手冊[M].岳珠峰，高行山，王峰會(huì)，等譯. 北京：科學(xué)出版社，2005.

[3] 劉國忠，王鳳梅. 自動(dòng)調(diào)零應(yīng)變測量電路的設(shè)計(jì)[J].傳感器世界，2003(9)：15-17.

[4] 劉嘉.數(shù)字電位器DS1267在應(yīng)變測量調(diào)理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].測控技術(shù)，2010, 29(5): 97-98

[5] 王冰，林建輝，張兵. 基于STM32 的自動(dòng)調(diào)零8通道應(yīng)變信號(hào)調(diào)理器[J].中國測試, 2012, 38(5): 55-58.

[6] 范書瑞，李琦，趙燕飛. Cortex-M3嵌入式處理器原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[7] 郭建平，王亮. 單通道信號(hào)處理的前端信號(hào)調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008(9)：99-101.

*基金項(xiàng)目：上海海事大學(xué)學(xué)術(shù)新人基金項(xiàng)目(YXR2015122)

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.13.012

(收稿日期：2016-03-13)

作者簡介：

倪培峰(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)電系統(tǒng)故障診斷。E-mail: summitnpf@163.com。

胡雄(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：機(jī)電設(shè)備故障診斷與系統(tǒng)集成。

李希壘(1983-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：電子電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

出調(diào)零。經(jīng)后端輸出電路調(diào)理后，輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20 mA電流信號(hào)。零位時(shí)，輸出電流為12 mA，此時(shí)，INA128U的輸出零位電壓為2.5 V。所以，調(diào)零電路的公式為：

VO=(V+-V-)·G+VDAC=2.5 V

式中：V+、V-分別為差分輸入的正負(fù)端電壓；G為儀表放大器INA128U的放大倍數(shù)；VDAC為調(diào)零輸出的電壓。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要由應(yīng)變信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理部分組成。在應(yīng)力應(yīng)變測試過程中，儀器上電以后，STM32控制器首先通過DAC將參考基準(zhǔn)電壓輸出到前端儀表放大器，由于橋路的不平衡、溫度漂移等原因，輸出不在零位。這時(shí)，應(yīng)變信號(hào)通過儀表放大器放大后由STM32F105RBT6自帶的ADC采集后進(jìn)入控制器內(nèi)部，由控制器進(jìn)行計(jì)算分析，算出調(diào)零信號(hào)，再通過SPI協(xié)議將調(diào)零信號(hào)傳送到DAC上，對前端放大的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行更改。信號(hào)采集時(shí)，采用均值濾波進(jìn)行數(shù)字濾波，以減小數(shù)據(jù)采集引起的誤差。

數(shù)據(jù)處理部分，采用逐次逼近的方式。首先，計(jì)算零位時(shí)的理想電壓與采集到的調(diào)理電路實(shí)際輸出電壓的差值，每次調(diào)整取差值的一半，逐步減小輸出電壓與理想零位電壓之間的差距。每次輸出的調(diào)零電壓為：

式中：Vnow為此次輸出的調(diào)零電壓；Vlast為上一次輸出的調(diào)零電壓；VO為采集到的調(diào)理電路實(shí)際輸出電壓；Vref為調(diào)理電路輸出的理想零位電壓。

控制器不斷接受信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，直至調(diào)理電路輸出電壓進(jìn)入零位的范圍，零位的范圍可以在程序中設(shè)定。此時(shí)控制器更改標(biāo)志位指示調(diào)零結(jié)束，并且鎖定DAC輸出。本系統(tǒng)有4個(gè)LED燈，每個(gè)LED燈對應(yīng)一個(gè)通道，LED閃爍表明正在調(diào)零過程中，常亮表明調(diào)零結(jié)束，可以開始采集。程序流程如圖5所示。

圖5　程序流程圖

4實(shí)踐應(yīng)用

在港口起重機(jī)的健康狀況評(píng)估測試中，應(yīng)力應(yīng)變測試十分重要，對關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力測試可以檢測起重機(jī)關(guān)鍵受力點(diǎn)的金屬結(jié)構(gòu)有無損傷。本文設(shè)計(jì)的調(diào)理采集模塊已經(jīng)應(yīng)用于起重機(jī)應(yīng)力應(yīng)變測試中。某港區(qū)某起重機(jī)上大梁前端4個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力動(dòng)載測試信號(hào)如圖6所示。經(jīng)測試分析評(píng)估后得出結(jié)論：該起重機(jī)應(yīng)力符合規(guī)范要求。

Design of a strain signal conditioner with automatic zero module

Ni Peifeng, Hu Xiong, Li Xilei

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Abstract:Using a resistance strain gauge to measure the load bearing conditions of the object, is the most commonly used method of measurement. Due to individual difference of strain gauge operation, transmission line loss, the influence of temperature drift, the fixed position of the initial zero is of great significance for reading the actual measurement data. Based on STM32 microcontroller with a variety of electronic components, this paper designed one kind of strain signal conditioning circuit with automatic zero module, which is fully automated, fast and convenient, also improved the precision of zero.

Key words:strain test; automatic zero module; conditioning circuit; STM32