專利名稱：柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)試測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)，具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現(xiàn)場(chǎng)總線接口。
背景技術(shù)：
應(yīng)變測(cè)量是結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用最廣泛和實(shí)用性最強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)方法之一，金屬箔式應(yīng)變片廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合，如力學(xué)實(shí)驗(yàn)、公路橋梁檢測(cè)、稱重技術(shù)，飛機(jī)全機(jī)試驗(yàn)，以及動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，甚至沖擊與加速度測(cè)量。對(duì)應(yīng)變片的測(cè)量一般需要組成電橋(如直流惠斯登電橋)來(lái)進(jìn)行，一般，應(yīng)變儀均采用精密測(cè)量電阻組成橋臂，并手動(dòng)調(diào)整與選擇電阻組成所需要的電橋形式。當(dāng)應(yīng)變片阻值或電橋形式發(fā)生變化時(shí)，必須重新調(diào)整電橋。這在應(yīng)變信號(hào)采集規(guī)模較大時(shí)，組橋、調(diào)整工作量大，一旦出現(xiàn)故障排查也較困難。傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)試測(cè)量手段還存在體積較大、不利于組網(wǎng)形成分布式采集的缺點(diǎn)。
在測(cè)量電路中，常常需要將傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行放大，但兼顧大的動(dòng)態(tài)范圍和較高的信號(hào)精度的情況下，使用固定增益的放大器很難滿足預(yù)期的要求，使用程控增益放大器則可以很好地滿足這種要求。既不會(huì)因?yàn)檩斎胄盘?hào)太小，放大器“欠量程”，造成在模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)丟失較多的有效數(shù)據(jù)位，影響測(cè)量精度，也不會(huì)由于輸入信號(hào)較大，致使放大器“過(guò)量程”，引起信號(hào)失真。這在智能儀表中尤為重要。
信號(hào)采集和處理的硬件體系架構(gòu)方式基本采用的是“測(cè)控卡+工控機(jī)”的方案，即用現(xiàn)成的信號(hào)采集板卡插入工控機(jī)中。這種方式具有穩(wěn)定性好，通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是這種方式的設(shè)備體積一般較大，且采集規(guī)模即通道數(shù)一般較少。當(dāng)采集規(guī)模較大時(shí)，設(shè)備體積很多，系統(tǒng)復(fù)雜，且費(fèi)用較高。
現(xiàn)場(chǎng)總線是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的產(chǎn)物。現(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線連接，實(shí)現(xiàn)信息互換，是新一代全數(shù)字、全分散和全開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有布局網(wǎng)絡(luò)化、傳輸數(shù)字化、儀表智能化、測(cè)控分散化等特點(diǎn)，受到世界范圍的關(guān)注，成為工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中發(fā)展的熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為一種柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)，具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現(xiàn)場(chǎng)總線接口。本發(fā)明針對(duì)電阻應(yīng)變片的測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)，目的是實(shí)現(xiàn)可靈活、柔性地適用于常用的多種阻值應(yīng)變片的直流惠斯登單臂電橋、半橋、全橋形式的測(cè)量與信號(hào)采集方法及系統(tǒng)。通過(guò)控制電橋形式和程控放大器增益，該系統(tǒng)還可用于其他形式電壓信號(hào)的采集。其現(xiàn)場(chǎng)總線接口，使其可方便地組成采集網(wǎng)絡(luò)，如大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
本發(fā)明的柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)，包括DSP模塊分別雙向連于CAN總線接口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，DSP模塊的輸出還分別與控制柔性化電橋配置模塊、第一級(jí)程控放大器及第二級(jí)程控放大器相連，接收應(yīng)變信號(hào)或電壓信號(hào)等輸入信號(hào)的柔性化電橋配置模塊連于第一級(jí)程控放大器輸入端，第一級(jí)程控放大器的輸出端連于第二級(jí)程控放大器的輸入端，第二級(jí)程控放大器的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連。柔性化電橋配置模塊由若干標(biāo)準(zhǔn)電阻和干簧管繼電器組成，其中標(biāo)準(zhǔn)電阻為高精度測(cè)量用電阻，其阻值與幾種常用應(yīng)變片的阻值相同，干簧管繼電器用于選通不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻，實(shí)現(xiàn)多種阻值多種電橋形式下的測(cè)量。兩級(jí)程控放大器用于使電橋輸出的微弱信號(hào)調(diào)理至后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器允許范圍之內(nèi)，其中，要求兩級(jí)程控放大器的增益組合至少有一種為“1”，以使該單元還可用于其他形式電壓信號(hào)的采集。
本系統(tǒng)的工作原理是，被采集的應(yīng)變信號(hào)或其他形式的電壓信號(hào)接入柔性化電橋配置模塊，經(jīng)電橋和程控放大器放大后的信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入DSP模塊，經(jīng)DSP模塊處理后，通過(guò)CAN總線接口發(fā)送給上位機(jī)。
本發(fā)明為一種柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)，具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現(xiàn)場(chǎng)總線接口，適于常用的多種阻值應(yīng)變片的直流惠斯登單臂電橋、半橋、全橋形式的測(cè)量與信號(hào)采集，以及其他形式電壓信號(hào)的采集。由于該單元具備現(xiàn)場(chǎng)總線(CAN總線)接口，因而可方便地組成大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。和測(cè)控卡+工控機(jī)”的方案相比，該單元還有體積小重量輕的優(yōu)勢(shì)。


圖1柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2柔性化單臂電橋配置模塊的電路原理圖。
圖3柔性化半橋電橋配置模塊的電路原理圖。
圖4柔性化全橋電橋配置模塊的電路原理圖。
圖2～圖4中符號(hào)名稱分別為+E、-E為電橋電源的正負(fù)電壓，+Uo、-Uo為電橋輸出正負(fù)電壓，R2A、R2B、R2C、R2D為不同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，R3、R4為同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，S1～S9為干簧管繼電器。
圖5兩級(jí)程控放大模塊原理框6模數(shù)轉(zhuǎn)換器與DSP的接口原理7柔性化電橋配置模塊實(shí)施例電路圖。圖中RL4_1～RL4_9為干簧管繼電器，R2A、R2B、R2C、R2D為不同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，R3、R4為同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，R5、R6為電阻，Q51為三極管，U51為高性能運(yùn)算放大器，U52為基準(zhǔn)電壓源。
圖8兩級(jí)程控放大模塊實(shí)施例電路圖。圖中U21、U22為結(jié)構(gòu)相同而參數(shù)不同的儀表放大器，U23、U24為相同的高性能運(yùn)算放大器。
圖9高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)施例電路圖。圖中U31為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，U32為基準(zhǔn)電壓源，Y2為晶體振蕩器。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，采用德州儀器公司的DSP芯片TMS320LF2407A作控制核心，外圍電路有柔性化電橋配置、兩級(jí)程控放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、CAN總線接口等模塊。外部接入的應(yīng)變片，或電壓信號(hào)接入電橋配置模塊，然后進(jìn)入程控放大器，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后由DSP進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)打包后經(jīng)CAN總線傳輸給上位機(jī)。柔性化電橋以及程控放大器的工作模式和參數(shù)均由DSP控制，而DSP可接受上位機(jī)的控制指令。
1)CAN總線接口與DSP模塊雙向相連的CAN總線接口實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述單元與PC機(jī)間的數(shù)據(jù)、控制指令和狀態(tài)信息的傳送，并組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高的采集網(wǎng)絡(luò)。CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用DSP內(nèi)部集成的CAN2.0B總線控制器與TI公司的CAN總線收發(fā)器SN65HVD230來(lái)實(shí)現(xiàn)。
SN65HVD230芯片是TI公司的一款CAN總線收發(fā)器，3.3V工作電壓，適于用在TI的DSP系統(tǒng)中。SN65HVD230主要有三種工作模式高速模式，待機(jī)模式，斜率控制模式。在本發(fā)明中采用了低成本的斜率控制模式。
2)柔性化電橋配置分別連于DSP模塊和程控放大器的柔性化電橋配置模塊，利用精密電阻和干簧管繼電器組成如圖2、圖3、圖4所示的電橋，電橋輸出的微弱信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)行測(cè)量。圖中的符號(hào)+E、-E分別表示電橋的供橋(激勵(lì))正電壓和負(fù)電壓，+Uo、-Uo為電橋輸出正電壓和負(fù)電壓，S1～S9為干簧管繼電器。R3、R4為相同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，在單臂電橋測(cè)量和半橋測(cè)量時(shí)使用，組成半等臂電橋。R2A、R2B、R2C、R2D為不同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，單臂電橋測(cè)量時(shí)使用，所接入的應(yīng)變片阻值必須是其中的一種，如120Ω、350Ω等。
圖2所示的是柔性化單臂電橋配置模塊的電路原理圖，其電路的組成是，電橋電源輸出構(gòu)成兩個(gè)并聯(lián)回路一路由正極+E經(jīng)兩個(gè)串聯(lián)的同阻值電阻R3與R4后與負(fù)極-E相連形成一個(gè)回路；另一路由正極+E經(jīng)應(yīng)變片連于四個(gè)干簧管繼電器(S3～S6)之一，經(jīng)對(duì)應(yīng)的四個(gè)不同阻值標(biāo)準(zhǔn)電阻(R2A、R2B、R2C、R2D)之一后，與負(fù)極-E相連形成另一個(gè)回路。在兩個(gè)同阻值電阻的串接點(diǎn)上接一個(gè)干簧管繼電器S1，電橋輸出正端與電橋輸出負(fù)端各自經(jīng)一個(gè)干簧管繼電器連于第一級(jí)程控放大器。S1～S9的開(kāi)啟或閉合狀態(tài)見(jiàn)表1。
圖3所示的是柔性化半橋配置模塊的電路原理圖，與圖2的不同之處是第二個(gè)回路中應(yīng)變片改成兩個(gè)串聯(lián)的應(yīng)變片組成半橋形式的測(cè)量電路，其次是去掉了圖中虛線框內(nèi)的不同阻值標(biāo)準(zhǔn)電阻的四個(gè)并聯(lián)電阻，且S1～S9的開(kāi)啟或閉合狀態(tài)見(jiàn)表1。
圖4所示的是柔性化全橋配置模塊的電路原理圖，與圖2和圖3的不同之處是第一個(gè)回路中不再經(jīng)過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的同阻值電阻R3與R4，而是經(jīng)過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的應(yīng)變片3和應(yīng)變片4；第二個(gè)回路中經(jīng)過(guò)另兩個(gè)串聯(lián)的應(yīng)變片1和應(yīng)變片2后，與第一個(gè)回路匯合，經(jīng)干簧管繼電器S2連于電橋負(fù)極，因此，本電路不僅去掉了由兩個(gè)同阻值標(biāo)準(zhǔn)電阻R3與R4(圖中虛線框內(nèi)的R3與R4)串聯(lián)后組成的回路，同時(shí)還去掉了圖中虛線框內(nèi)的不同阻值標(biāo)準(zhǔn)電阻的并聯(lián)電路，且S1～S9的開(kāi)啟或閉合狀態(tài)見(jiàn)表1。
上述圖中通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟與關(guān)閉，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電橋形式的多種阻值電阻應(yīng)變片的應(yīng)變測(cè)量，及其他電壓信號(hào)的測(cè)量。如圖2的單臂電橋測(cè)量時(shí)，從外部接入1個(gè)應(yīng)變片，設(shè)與其阻值匹配的標(biāo)準(zhǔn)電阻是R2A，則干簧管繼電器S1、S3、S7、S8閉合，其他開(kāi)啟。如進(jìn)行的不是應(yīng)變片傳感器信號(hào)采集，或其他類型傳感器的電橋形式信號(hào)采集，而是直接接入電壓型信號(hào)，則干簧管繼電器S7、S8閉合，S1、S9開(kāi)啟。
表1測(cè)量類型與模擬開(kāi)關(guān)的狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系(“1”--關(guān)閉狀態(tài)，“0”--開(kāi)啟狀態(tài)，“X”--兩種狀態(tài)均可。)

圖7所示的是柔性化電橋配置模塊的實(shí)施例的電路圖，圖中RL4_1～RL4_9為干簧管繼電器，R3、R4為相同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，R2A、R2B、R2C、R2D為不同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，R5、R6為電阻，Q51為三極管，U51為高性能運(yùn)算放大器，U52為基準(zhǔn)電壓源。
3)兩級(jí)程控放大器分別與DSP模塊相連的第一級(jí)與第二級(jí)程控放大器使用數(shù)字式可編程增益儀表放大器PGAxxx組成兩級(jí)放大器，其增益在1～8000V/V范圍內(nèi)多級(jí)變化，電橋的輸出信號(hào)接入第一級(jí)程控放大器(圖2～圖4)，放大后的信號(hào)經(jīng)低通濾波后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。組成的兩級(jí)程控放大器原理框圖如圖5所示。
PGAxxx為數(shù)字式可編增益儀用放大器，具有低失調(diào)電壓、高輸入阻抗、高共模抑制比和低噪聲，是高性能的程控儀表放大器，應(yīng)用于工作環(huán)境惡劣且精度要求很高的多位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，特別適合于過(guò)程控制、儀表，數(shù)據(jù)處理及醫(yī)療儀器。其增益由A0、A1兩管腳的邏輯電平?jīng)Q定，在本發(fā)明中由DSP的數(shù)字輸入輸出(I/O)端口經(jīng)驅(qū)動(dòng)后控制。
圖8是兩級(jí)程控放大器的電路圖，圖中U21、U22為數(shù)字式可編程增益儀表放大器，U23、U24為相同的高性能運(yùn)算放大器。即儀表放大器串聯(lián)后，其輸出經(jīng)低通濾波電路輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
4)模數(shù)轉(zhuǎn)換器放大及濾波電路輸出的信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)镈SP所能接受的數(shù)字信號(hào)。本單元選用ADxxxx，它為帶SPI(Serial Peripheral Interface)串行接口的4通道24位高精度∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將其RDY引腳接入DSP的外部中斷1(XINT1)引腳，并由DSP的周期中斷控制轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)。其原理框圖如圖6所示，電路圖如圖9所示。圖中的U31為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用ADxxxx芯片，U32為基準(zhǔn)電壓源，Y2為晶體振蕩器。DSP選擇TMS320LF2407A芯片本發(fā)明為一種柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集單元，具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現(xiàn)場(chǎng)總線接口，適于常用的多種阻值應(yīng)變片的直流惠斯登單臂電橋、半橋、全橋形式的測(cè)量與信號(hào)采集，以及其他形式電壓信號(hào)的采集。由于該單元具備現(xiàn)場(chǎng)總線(CAN總線)接口，因而可方便地組成大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。和測(cè)控卡+工控機(jī)”的方案相比，該單元還有體積小重量輕的優(yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求
1.一種柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)，其特征在于，包括DSP模塊分別雙向連于CAN總線接口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，DSP模塊還分別控制并連于柔性化電橋配置模塊、第一級(jí)程控放大器及第二級(jí)程控放大器，接收應(yīng)變信號(hào)或電壓信號(hào)的輸入信號(hào)的柔性化電橋配置模塊連于第一級(jí)程控放大器輸入端，第一級(jí)程控放大器的輸出端連于第二級(jí)程控放大器的輸入端，第二級(jí)程控放大器的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)，其特征在于，柔性化電橋配置模塊的單臂電橋電路，電橋電源輸出構(gòu)成兩個(gè)并聯(lián)回路一路由電源正極經(jīng)兩個(gè)串聯(lián)的同阻值電阻后與電源負(fù)極相連形成一個(gè)回路；另一路由電源正極經(jīng)應(yīng)變片連于干簧管繼電器與四個(gè)不同阻值標(biāo)準(zhǔn)電阻各自串聯(lián)于簧管繼電器的四個(gè)串聯(lián)電路相并聯(lián)的并聯(lián)電路再與電源負(fù)極相連形成另一個(gè)回路；在兩個(gè)同阻值電阻的串接點(diǎn)上接一個(gè)干簧管繼電器，電橋輸出正端與電橋輸出負(fù)端各自經(jīng)一個(gè)干簧管繼電器連于第一級(jí)程控放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)，其特征在于，柔性化電橋配置模塊的半橋電路，電橋電源輸出構(gòu)成兩個(gè)并聯(lián)回路一路由電源正極經(jīng)兩個(gè)串聯(lián)的同阻值電阻后與電源負(fù)極相連形成一個(gè)回路；另一路由電源正極經(jīng)兩個(gè)串聯(lián)的應(yīng)變片連于一個(gè)簧管繼電器后與電源負(fù)極相連形成另一個(gè)回路；在兩個(gè)同阻值電阻的串接點(diǎn)上接一個(gè)干簧管繼電器，電橋輸出正端與電橋輸出負(fù)端各自經(jīng)一個(gè)干簧管繼電器連于第一級(jí)程控放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)，其特征在于，柔性化電橋配置模塊的全橋電路，電橋電源輸出構(gòu)成兩個(gè)并聯(lián)回路一個(gè)回路中不再經(jīng)過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的同阻值電阻，而是經(jīng)過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的應(yīng)變片；另一個(gè)回路中經(jīng)過(guò)另兩個(gè)串聯(lián)的應(yīng)變片后，與第一個(gè)回路匯合，經(jīng)一個(gè)干簧管繼電器連于電橋負(fù)極；在兩個(gè)同阻值電阻的串接點(diǎn)上接一個(gè)干簧管繼電器，電橋輸出正端與電橋輸出負(fù)端各自經(jīng)一個(gè)干簧管繼電器連于第一級(jí)程控放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的DSP模塊連接了用于現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通信的CAN(Controller Area Network)總線。
全文摘要
一種柔性化應(yīng)變信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)，屬于測(cè)試測(cè)量技術(shù)及通信技術(shù)領(lǐng)域。本系統(tǒng)具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現(xiàn)場(chǎng)總線接口。主要組成為由若干標(biāo)準(zhǔn)電阻和干簧管繼電器組成的柔性化電橋配置模塊、兩級(jí)程控放大器、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP、現(xiàn)場(chǎng)總線等模塊。被采集的應(yīng)變信號(hào)或其他形式電壓信號(hào)接入柔性化電橋配置模塊，經(jīng)電橋及放大后的信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)DSP模塊處理后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接口發(fā)送給上位機(jī)。本發(fā)明技術(shù)先進(jìn)，體積小巧，適用性好，用于多種阻值應(yīng)變片的測(cè)量與信號(hào)采集，還可用于其他形式電壓信號(hào)的采集，并可利用現(xiàn)場(chǎng)總線接口組成數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)G01B7/16GK1693838SQ200510040270
公開(kāi)日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月27日
發(fā)明者郭萬(wàn)林, 馮謙 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)