利用A/D+CPLD設(shè)計(jì)光纖應(yīng)變信號(hào)采集系統(tǒng)

電阻應(yīng)變式傳感器是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測(cè)量微小變化量的傳感器。應(yīng)變式傳感器是基于測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器。電阻應(yīng)變片是電阻應(yīng)變式傳感器的核心部分，直接影響傳感器的各種性能指標(biāo)。電阻應(yīng)變片的工作原理是金屬的應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻隨著它所受機(jī)械變形的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。

在現(xiàn)有飛機(jī)強(qiáng)度測(cè)試中，普遍采用電阻應(yīng)變片式的測(cè)量原理，對(duì)每個(gè)強(qiáng)度考核點(diǎn)粘貼一只電阻應(yīng)變片，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)讀取應(yīng)變值來(lái)獲取飛機(jī)機(jī)體節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度情況。普通飛機(jī)每架約采用6 000~12 000只應(yīng)變片，大型飛機(jī)會(huì)更多，而每只應(yīng)變片有3根電導(dǎo)線，這樣共有數(shù)萬(wàn)根導(dǎo)線，占用較大面積、布線繁雜，線路纏繞比較嚴(yán)重，造成測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)混亂。一旦某一只應(yīng)變片出現(xiàn)問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)查找將非常困難，大幅增加了強(qiáng)度測(cè)試的復(fù)雜性和周期。

本文采用光纖進(jìn)行應(yīng)變信號(hào)的傳輸，以模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)模塊間級(jí)聯(lián)的方式，使得可采集的應(yīng)變片路數(shù)呈幾何倍數(shù)增加，將上萬(wàn)根電信號(hào)轉(zhuǎn)換成一路或幾路光信號(hào)進(jìn)行傳輸，從測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)到監(jiān)控室僅有一根光纜。

而且由于采用模塊化設(shè)計(jì)，一旦某一路信號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題，可以直接帶電插拔更換，大幅縮短監(jiān)測(cè)過(guò)程中查找問(wèn)題源的周期。通過(guò)光纖技術(shù)的引入，促進(jìn)飛機(jī)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。組件分為發(fā)射端、光纖和接收端3部分。發(fā)射端由1級(jí)模塊、2級(jí)模塊、3級(jí)模塊組成。1級(jí)模塊用于采集應(yīng)變信號(hào)，每個(gè)1級(jí)模塊最多可以采集16路應(yīng)變信號(hào)；2級(jí)模塊、3級(jí)模塊用于數(shù)據(jù)復(fù)接和通信，每個(gè)2級(jí)模塊最多可以接16只1級(jí)模塊，最多可以采集256路應(yīng)變信號(hào)；每個(gè)3級(jí)模塊最多可以接16只二級(jí)模塊，最多可采集4 096路應(yīng)變信號(hào)。一架飛機(jī)最多需要3只3級(jí)模塊就可以達(dá)到采集所有節(jié)點(diǎn)的目的，3級(jí)模塊把采集到的4 096路應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端，在遠(yuǎn)端再通過(guò)光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并接收、解碼、提取、送到上位機(jī)進(jìn)行處理。而且本產(chǎn)品可以根據(jù)要采集的應(yīng)變路數(shù)隨意增減模塊數(shù)量，如果要采集幾百路應(yīng)變信號(hào)，只需要若干個(gè)1級(jí)、2級(jí)模塊，如果采集幾十路應(yīng)變信號(hào)，則幾個(gè)1級(jí)模塊就可以滿足要求，組合自由。如果其中某一模塊不能正常工作，可以直接更換而不影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 部件設(shè)計(jì)

16路應(yīng)變信號(hào)通過(guò)惠斯通橋轉(zhuǎn)換成mV級(jí)的電壓信號(hào)，送到應(yīng)變信號(hào)調(diào)理電路，進(jìn)行線性放大和濾波。多路選擇器選擇16路中的某一路送到精度為24 bit的高精度A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)數(shù)字化，CPLD接收來(lái)自A/D的數(shù)字信號(hào)，然后發(fā)給多路選擇器指令，轉(zhuǎn)換到下一路應(yīng)變信號(hào)繼續(xù)采集，依次循環(huán)，直接將所有16路應(yīng)變信號(hào)采集完，完成一個(gè)采集周期。CPLD將采集到的16路應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)，送到數(shù)據(jù)發(fā)送單元，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸處理，送給下一級(jí)模塊。1級(jí)模塊示意框圖如圖2所示。

圖2 一級(jí)模塊示意框圖

微弱信號(hào)的檢測(cè)，存在以下難點(diǎn)：（1）電橋電壓的波動(dòng)，引起輸出的波動(dòng)。（2）應(yīng)變片阻值一致性差，造成測(cè)量誤差。（3）應(yīng)變片由于溫度的補(bǔ)償不解決，影響電橋輸出量不精確。（4）A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)影響，A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)多，則轉(zhuǎn)換精度高、速率低。反之，則轉(zhuǎn)換精度低、速率高。（5）濾波器設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確與否，將決定能否將噪聲信號(hào)濾除。（6）由于開始懸掛重物時(shí)，懸梁臂的抖動(dòng)，會(huì)使輸出電壓不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生誤差。

針對(duì)以上問(wèn)題，文中提出的改進(jìn)方法如下：（1）采用高精度穩(wěn)壓電源。（2）對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行篩選，采用物理性能相同的應(yīng)變片。（3）對(duì)應(yīng)變片采用溫度補(bǔ)償裝置，并在軟件上進(jìn)行補(bǔ)償，使溫度對(duì)應(yīng)變片的影響降到最低。（4）在滿足速率性能指標(biāo)的前提下盡可能提高A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，減小量化誤差。（5）進(jìn)一步準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)濾波器，將噪聲信號(hào)充分濾除。（6）延遲一定的時(shí)間，等信號(hào)穩(wěn)定后再進(jìn)行采樣。

16路串行數(shù)據(jù)送到2級(jí)模塊，CPLD把16路串行信號(hào)接收過(guò)來(lái)，因?yàn)槊恳宦反行盘?hào)包含16路應(yīng)變信號(hào)，16路串行信號(hào)總共含有256路應(yīng)變數(shù)據(jù)，CPLD把256路應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)接、數(shù)據(jù)編碼、并串轉(zhuǎn)換等一系列處理，轉(zhuǎn)換成按一定次數(shù)排列的串行信號(hào)，發(fā)送到下一級(jí)模塊。2級(jí)模塊原理框圖如圖3所示。

圖3 二級(jí)模塊示意框圖

圖4 三級(jí)模塊示意框圖

3級(jí)模塊原理框圖如圖4所示。3級(jí)模塊的原理同2級(jí)模塊，接收16路2級(jí)模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的應(yīng)變信號(hào)，共有4 096路應(yīng)變信號(hào)，然后通過(guò)光模塊轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光纖發(fā)送到遠(yuǎn)端，在遠(yuǎn)端由接收端進(jìn)行接收。

接收端原理框圖如圖5所示。接收端由光模塊接收遠(yuǎn)端發(fā)送過(guò)來(lái)的光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送到后續(xù)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、解碼等處理，將4 096路應(yīng)變信號(hào)接收，然后根據(jù)上位機(jī)要求的數(shù)據(jù)擺放次數(shù)依次擺放，在通信接口芯片把應(yīng)變數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行應(yīng)變信號(hào)的存儲(chǔ)、處理和顯示等。

圖5 接收端示意框圖

2 主要器件選型

2.1 ADC轉(zhuǎn)換器的選擇

對(duì)于ADC轉(zhuǎn)換器，選取的標(biāo)準(zhǔn)主要取決于采樣頻率和位數(shù)，以及價(jià)格、供貨周期、應(yīng)用情況等因素。由于系統(tǒng)模擬信號(hào)的通道數(shù)比較多，需要選擇多通道A/D。系統(tǒng)采用AD公司的AD7490.AD7490是一款12 bit的高速、低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入信號(hào)可以達(dá)到1 MHz，有16個(gè)通道，單電源2.7~5.25 V供電。采樣率可達(dá)1 MSample·s-1，在5 V的工作電壓下工作頻率可達(dá)20 MHz，通信接口為高速串行接口SPI。

2.2 CPLD的選擇

Altera公司的MAX V系列CPLD具有低電壓、低消耗等特點(diǎn)。MAX V系列的特性如表1所示，根據(jù)實(shí)際需要，選擇5M570Z作為產(chǎn)品的控制核心。

3 仿真結(jié)果

通過(guò)數(shù)據(jù)采集功能仿真，即AD7490控制器驅(qū)動(dòng)仿真。驗(yàn)證了代碼設(shè)計(jì)滿足了設(shè)計(jì)功能，具體過(guò)程如下：模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7490，正常工作前需要初始化，有3個(gè)DUMMY周期。AD7490寫周期包括16個(gè)ADC時(shí)鐘，ADC時(shí)鐘通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘分頻得到，設(shè)定ADC工作時(shí)鐘為10 MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘為20 MHz。

CPLD引腳分配說(shuō)明如表2所示。

AD7490初始化結(jié)果如圖6所示。由圖6可看出，AD7490在系統(tǒng)時(shí)鐘有效以后，先進(jìn)行了3個(gè)初始化周期，然后根據(jù)需要進(jìn)行模式設(shè)置和采集等操作。

圖6 AD7490初始化過(guò)程仿真圖

AD7490初始化后，會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，16通道的AD7490分為3個(gè)采集模式，分別是00模式、01模式和11模式。設(shè)計(jì)采用模式，3個(gè)模式都有仿真，ad_mode為模式選擇輸入管腳。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 AD7490整個(gè)工作過(guò)程仿真圖

如圖7所示，AD7490在初始化后，依次選擇3個(gè)模式進(jìn)行仿真，驗(yàn)證結(jié)果是正確的，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用A/D+CPLD設(shè)計(jì)了一種應(yīng)變信號(hào)采集系統(tǒng)，用于飛機(jī)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中，利用光纖作為傳輸介質(zhì)，可以長(zhǎng)距離傳輸。得到結(jié)論如下：

（1）完成了系統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì)和PCB的繪制，制作了系統(tǒng)的硬件電路板。經(jīng)過(guò)硬件系統(tǒng)的調(diào)試，硬件部分達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊之間的連接功能。

（2）CPLD采用自頂向下的設(shè)計(jì)思想，從頂層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖入手，將系統(tǒng)分為ADC控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊。設(shè)計(jì)中從每一個(gè)子模塊仿真與測(cè)試可知，軟件實(shí)現(xiàn)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，CPLD芯片起到主控制器的作用。整個(gè)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、發(fā)送期間數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

（3）在軟件設(shè)計(jì)部分，遵循了CPLD設(shè)計(jì)的基本原則和硬件原則，利用常用的設(shè)計(jì)技巧，比如：調(diào)用雙口RAM進(jìn)行乒乓操作、串并轉(zhuǎn)換以及流水線等操作，以免數(shù)據(jù)在采集或傳輸過(guò)程中溢出時(shí)序邏輯中的競(jìng)爭(zhēng)和冒險(xiǎn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。處理好時(shí)序關(guān)系是高速采集系統(tǒng)的中關(guān)鍵，設(shè)計(jì)中對(duì)每個(gè)不同的模塊添加時(shí)序約束，以滿足綜合布局布線后能達(dá)到時(shí)序收斂，并處理關(guān)鍵路徑的延時(shí)處理等。