王 冰，林建輝，張 兵

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

0 引 言

由于礦產(chǎn)開采、水利水電業(yè)以及鐵路行業(yè)的飛速發(fā)展[1-3]，這些行業(yè)中幾乎必備的一項(xiàng)測試內(nèi)容就是關(guān)鍵部件或者關(guān)鍵位置的應(yīng)力應(yīng)變，而且當(dāng)前用于應(yīng)力應(yīng)變測試的應(yīng)變片還能測試彈性部件的其他參數(shù)，如加速度、力、力矩、位移等參數(shù)；因此，應(yīng)力應(yīng)變測量儀器的開發(fā)與應(yīng)用一直是一個(gè)熱門的話題。在應(yīng)變測試系統(tǒng)中，由于原始信號(hào)比較小，只有μV～mV級(jí)別的電壓輸出，甚至即使采用相同廠商同一型號(hào)的應(yīng)力應(yīng)變傳感器來采集信號(hào)，也會(huì)因?yàn)闇y試現(xiàn)場的信號(hào)傳輸線路損耗或者溫度漂移，使信號(hào)超出可調(diào)理范圍?；谝陨显?，應(yīng)變信號(hào)在采集之前必須對(duì)測量電橋進(jìn)行調(diào)零，并對(duì)放大倍數(shù)也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。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)大阻值的可變電位器，通過人工調(diào)零使得應(yīng)變片的輸出達(dá)到初始零電位[4]。這樣調(diào)零有兩個(gè)缺陷：（1）手工調(diào)節(jié)太麻煩，而且安裝位置很有可能不允許進(jìn)行手工調(diào)零；（2）手工調(diào)節(jié)的精度偏低，對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)的采集也會(huì)造成不可挽回的影響。隨著科技的發(fā)展，芯片的集成度大幅度提高，通過微處理器來進(jìn)行的自動(dòng)控制越來越多地應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域，而在本文中，以STM32微處理器為基礎(chǔ)[5-9]，結(jié)合多個(gè)電子元件，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)采集8路信號(hào)，初始化時(shí)自動(dòng)調(diào)零，并能夠靈活調(diào)節(jié)增益衰減和濾波的調(diào)理電路。

1 調(diào)理器的硬件結(jié)構(gòu)

硬件架構(gòu)如圖1所示，整個(gè)電路主要由調(diào)理電路和采集電路組成。本文主要介紹調(diào)理電路，該電路主要由應(yīng)力應(yīng)變傳感器、高精度電橋、可編程儀表增益組成的二級(jí)放大電路、自動(dòng)調(diào)零電路、可編程低通濾波器以及輸出匹配電路等組成。

圖1 硬件架構(gòu)

1.1 精密電橋信號(hào)

在本項(xiàng)目中，采用的高精度橋壓電路如圖2所示，REF2925是一個(gè)精密的2V基準(zhǔn)電壓，以這個(gè)基準(zhǔn)電壓供給橋路，然后通過將橋路產(chǎn)生電壓和2 V的基準(zhǔn)電壓分別接到精密運(yùn)放OPA2347的正負(fù)輸入，通過運(yùn)放輸出到場效應(yīng)管的G極，以此產(chǎn)生2V的穩(wěn)定精確電壓。

圖2 精密電橋應(yīng)變電

1.2 二級(jí)放大和調(diào)零電路

前端放大電路由于輸入信號(hào)采用差分形式，差分放大器的采用是不可避免的。差分放大器有如下優(yōu)勢：（1）相對(duì)于單端輸入的信號(hào)來說，差分放大器的抗噪聲能力有顯著地提高；（2）使用差分放大器，可以增加差分輸出的信號(hào)擺幅；（3）差分放大器有偶數(shù)階的信號(hào)失真。所以，使用差分放大器作為ADC的前驅(qū)方案，可以有效地解決共模電壓的干擾和降低噪聲對(duì)原始信號(hào)的影響，同時(shí)還能優(yōu)化輸出阻抗，使得原始信號(hào)能夠完整而準(zhǔn)確地被放大。

本文采用Analog Device的AD8253作為前驅(qū)放大，這是一款可編程的增益放大器，具有GΩ輸入阻抗，10MHz帶寬，-110dB的低總諧波失真（THD）以及780 ns的快速建立時(shí)間和0.000 1%的精度，并且可靈活選擇1，10，100，1 000四種增益倍率。

采用凌特（LT）公司的LTC-6910-1可編程反相放大器作為第二級(jí)反向放大器，該放大器支持軌到軌輸入輸出，有11MHz的增益帶寬乘積，輸入噪聲低，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍至 120 dB，有 0，1，2，5，10，20，50和100V/V共8種增益。

調(diào)零電路由STM32和DAC7513共同組成，其中微控制器選用的是STM32F103ZET6作為主控制器，該芯片是基于32位ARM CortexTM-M3核心，最高工作頻率為72 MHz，自帶512KB閃存的微控制器，并有高達(dá)64KB的SRAM。同時(shí)，片上集成了多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，13個(gè)通信接口，112個(gè)快速I/O端口，支持12通道DMA控制器。放大調(diào)零電路見圖3。

圖3 放大調(diào)零電路

DAC7513是德州儀器（TI）公司的一款低功耗、12位帶緩沖的電壓輸出數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器。片上內(nèi)置的精確輸出放大器可以實(shí)現(xiàn)軌到軌輸出電壓擺幅。而且該芯片使用了多樣化的3線制串行接口，最大支持時(shí)鐘頻率高達(dá)30 MHz，兼容SPI、QSPI、Microwire和DSP接口。

在調(diào)零電路中，初始化信號(hào)發(fā)出以后，STM32核心接收到電壓信號(hào)，并通過DAC7513發(fā)送到AD8253，通過改變基準(zhǔn)電壓將AD8253的輸出調(diào)零。調(diào)零電路公式為

式中：V+，V-——差分輸入的正負(fù)端；

G1——AD8253的放大倍數(shù)；

Vzeromodulation——調(diào)零電路輸出電壓。

1.3 濾波電路

濾波器采用的是LTC1062，這是一個(gè)5階全極低通濾波器，這個(gè)濾波器最大的優(yōu)點(diǎn)就在于它非同尋常的結(jié)構(gòu)，使得濾波器是置于直流電路之外，這樣就徹底消除了直流偏移和低頻率噪聲的干擾。這就使得LTC1062非常適用于直流精度要求較高電路的低通濾波器。LTC1062工作原理圖如圖4所示，將V+以及截止頻率設(shè)定管腳（DIVIDER RATIO）都接在+5 V電源上，當(dāng)輸入端電阻為選定為50 kΩ，電容為100nF時(shí)，根據(jù)單片機(jī)輸出到Cosc管腳的時(shí)鐘信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)：

式中：fc——濾波器的低通截止頻率；

fclk——LTC1062的Cosc管腳接收到的時(shí)鐘信號(hào)。

圖4 LTC1062工作原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要由應(yīng)變數(shù)據(jù)調(diào)理和采集2部分組成。在應(yīng)力應(yīng)變的測試過程中，板子上電以后，由于精確橋路的不平衡，所以輸出的電壓不等于零。這時(shí)通過二級(jí)放大和濾波后再通過A/D轉(zhuǎn)換輸出到單片機(jī)上，由單片機(jī)進(jìn)行比對(duì)分析，再通過將信號(hào)傳送到DAC上，對(duì)前段放大的調(diào)零偏置電壓進(jìn)行更改，將輸出的電位重新調(diào)整至零位；與此同時(shí)，單片機(jī)會(huì)不斷收到經(jīng)過濾波放大的應(yīng)變信號(hào)，如果不為零，則對(duì)AD8253的參考電位再次進(jìn)行調(diào)整，一直進(jìn)行到輸出的電壓進(jìn)入零電位的范圍，這時(shí)，單片機(jī)將會(huì)更改標(biāo)志位并指示調(diào)零結(jié)束。本系統(tǒng)有2個(gè)LED燈，專門用于顯示電路的工作狀態(tài)，如果紅燈閃爍，即是正在調(diào)零，綠燈常亮，即為調(diào)零結(jié)束，可以開始采集，程序流程如圖5所示。

3 實(shí)踐與現(xiàn)場試驗(yàn)

該調(diào)理采集系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于大秦重載鐵路線試驗(yàn)中，眾所周知，大秦鐵路乃是我國西煤東運(yùn)的主干道。本文主要測量的車型為C80型煤礦專用敞車，該車型是我國專門為大秦線而設(shè)計(jì)制造的專用敞車，其主要職能是運(yùn)載煤礦，設(shè)計(jì)載重高達(dá)80t。基于大秦線上的貨運(yùn)列車的服役環(huán)境的惡劣和負(fù)載的強(qiáng)度，輪對(duì)的運(yùn)行狀況是整列車的運(yùn)行安全的核心因素，為保證萬噸級(jí)貨車安全運(yùn)營，通過在鐵軌上布設(shè)的應(yīng)變傳感器，對(duì)路過鐵軌的C80貨車輪對(duì)的實(shí)時(shí)應(yīng)力進(jìn)行測量。

圖5 程序流程圖

圖6、圖7分別顯示為空車正常輪對(duì)和擦傷輪對(duì)經(jīng)過軌道上所布的測點(diǎn)時(shí)所測得的應(yīng)力數(shù)據(jù)。在圖6中，正常輪對(duì)的輪軌垂向力在18~35kN內(nèi)呈近似正弦變化；而圖7中，由于輪面的不平順，輪軌的垂向力就會(huì)隨著不平順處與軌面接觸時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)超過50kN甚至60kN的應(yīng)力，這對(duì)列車的長時(shí)間高負(fù)荷安全運(yùn)行是一個(gè)隱患，所以對(duì)檢測出有擦傷的輪對(duì)應(yīng)予以盡快修復(fù)。最后得出了的結(jié)果符合預(yù)期，成功地對(duì)正常的輪對(duì)和有擦傷的輪對(duì)進(jìn)行了區(qū)分，測試獲得了較好的效果。

圖6 空車正常車輪應(yīng)力

圖7 空車擦傷車輪應(yīng)力

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于STM32單片機(jī)的8路自動(dòng)調(diào)零應(yīng)變信號(hào)調(diào)理電路，依靠日新月異的嵌入式技術(shù)，通過微處理器的控制，在根本上剝離了對(duì)人工調(diào)理的依賴，很大程度上提升了應(yīng)變測試時(shí)信號(hào)調(diào)理的便捷性和實(shí)時(shí)性。而且利用單片機(jī)的程序可復(fù)用性，可以非常方便地調(diào)節(jié)采集不同應(yīng)變信號(hào)時(shí)需要的放大倍數(shù)和濾波器的截止頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)大量程、高適應(yīng)性的信號(hào)調(diào)理和采集任務(wù)，是一種比較高效新穎的解決方案。目前，該采集板已經(jīng)在大秦線重載列車的輪軌力的測試項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用，獲得了較為良好的效果。同時(shí)，在實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)了一些局限，由于測試條件比較惡劣，布線等花費(fèi)了太多精力且存在一些隱患，所以下一步就需要開發(fā)出一種高可靠性的無線傳輸裝置以消除有效傳輸在測試中存在的隱患。

[1]陳文智，王總輝.嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：3-11.

[2]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理及實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：318-338.

[3]沈觀林.應(yīng)變電測與傳感技術(shù)在各種工程和領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].傳感器世界，1996，9（2）：26-34.

[4]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.

[5]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.

[6]馮艷波，陳建政，舒叢叢.基于Zigbee的無線動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量[J].中國測試，2009，35（4）：107-110.

[7]林濤，鄒黎華，耿勇男.多類型多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測量與儀表學(xué)報(bào)，2009，23（S1）：236-239.

[8]岳連德，李軍顯.單片機(jī)控制的高精密靜態(tài)數(shù)字電阻應(yīng)變儀[J].自動(dòng)化與儀表，2000（4）：10-14.

[9]潘嶙，張欣豫，王國華.基于STM32的脈沖峰值功率測量核心設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（6）：79-81.