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(cè)量物體的承受載荷情況是最常用的測(cè)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(duì)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取有重要的意義?；?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/STM32" title="STM32" target="_blank">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(cè)試；自動(dòng)調(diào)零；調(diào)理電路；STM32

0引言

　　電阻應(yīng)變片式傳感器可以用于測(cè)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(cè)量精確度高、使用簡(jiǎn)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(cè)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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(cè)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。

　　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。

       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(duì)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

　　本設(shè)計(jì)外部的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器選用TLV5614。TLV5614 是美國德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的四路12位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，具有靈活的四線串行接口，可以與TMS320、SPI、QSPI和Microwire 串行口實(shí)現(xiàn)無縫連接。TLV5614 可以通過改變LDAC引腳的電位鎖定DA輸出。設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際使用需求增加芯片數(shù)量，利用片選信號(hào)實(shí)現(xiàn)多路應(yīng)變信號(hào)的調(diào)理。

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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)大量采用電流來傳輸信號(hào)。在應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)測(cè)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(duì)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4XTR111原理圖圖6應(yīng)力動(dòng)載測(cè)試信號(hào)（下轉(zhuǎn)第42頁）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(cè)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(duì)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(duì)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。

4實(shí)踐應(yīng)用

　　在港口起重機(jī)的健康狀況評(píng)估測(cè)試中，應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試十分重要，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力測(cè)試可以檢測(cè)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(cè)試中。某港區(qū)某起重機(jī)上大梁前端4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力動(dòng)載測(cè)試信號(hào)如圖6所示。經(jīng)測(cè)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。

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(jiǎn)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(cè)試中的便捷性和實(shí)時(shí)性。在起重機(jī)的應(yīng)力測(cè)試中，取得了較好的應(yīng)用效果，節(jié)省了測(cè)試時(shí)間，提高了測(cè)試效率。

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