專利名稱:柔性化應(yīng)變信號現(xiàn)場采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于測試測量技術(shù)、通信技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種柔性化應(yīng)變信號現(xiàn)場采集系統(tǒng),具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現(xiàn)場總線接口。
背景技術(shù):
應(yīng)變測量是結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用最廣泛和實用性最強的實驗方法之一,金屬箔式應(yīng)變片廣泛應(yīng)用于各種場合,如力學(xué)實驗、公路橋梁檢測、稱重技術(shù),飛機全機試驗,以及動態(tài)應(yīng)變測量,甚至沖擊與加速度測量。對應(yīng)變片的測量一般需要組成電橋(如直流惠斯登電橋)來進行,一般,應(yīng)變儀均采用精密測量電阻組成橋臂,并手動調(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,必須重新調(diào)整電橋。這在應(yīng)變信號采集規(guī)模較大時,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)變測試測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。
在測量電路中,常常需要將傳感器檢測到的信號進行放大,但兼顧大的動態(tài)范圍和較高的信號精度的情況下,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。既不會因為輸入信號太小,放大器“欠量程”,造成在模數(shù)轉(zhuǎn)換時丟失較多的有效數(shù)據(jù)位,影響測量精度,也不會由于輸入信號較大,致使放大器“過量程”,引起信號失真。這在智能儀表中尤為重要。
信號采集和處理的硬件體系架構(gòu)方式基本采用的是“測控卡+工控機”的方案,即用現(xiàn)成的信號采集板卡插入工控機中。這種方式具有穩(wěn)定性好,通用性強等優(yōu)點。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,設(shè)備體積很多,系統(tǒng)復(fù)雜,且費用較高。
現(xiàn)場總線是計算機網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的產(chǎn)物?,F(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,用總線連接,實現(xiàn)信息互換,是新一代全數(shù)字、全分散和全開放的現(xiàn)場測控系統(tǒng)?,F(xiàn)場總線技術(shù)具有布局網(wǎng)絡(luò)化、傳輸數(shù)字化、儀表智能化、測控分散化等特點,受到世界范圍的關(guān)注,成為工業(yè)測控領(lǐng)域中發(fā)展的熱點。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為一種柔性化應(yīng)變信號現(xiàn)場采集系統(tǒng),具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現(xiàn)場總線接口。本發(fā)明針對電阻應(yīng)變片的測試測量而設(shè)計,目的是實現(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、全橋形式的測量與信號采集方法及系統(tǒng)。通過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的采集。其現(xiàn)場總線接口,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)變信號現(xiàn)場采集系統(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、第一級程控放大器及第二級程控放大器相連,接收應(yīng)變信號或電壓信號等輸入信號的柔性化電橋配置模塊連于第一級程控放大器輸入端,第一級程控放大器的輸出端連于第二級程控放大器的輸入端,第二級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準電阻和干簧管繼電器組成,其中標準電阻為高精度測量用電阻,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準電阻,實現(xiàn)多種阻值多種電橋形式下的測量。兩級程控放大器用于使電橋輸出的微弱信號調(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的采集。
本系統(tǒng)的工作原理是,被采集的應(yīng)變信號或其他形式的電壓信號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進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入DSP模塊,經(jīng)DSP模塊處理后,通過CAN總線接口發(fā)送給上位機。
本發(fā)明為一種柔性化應(yīng)變信號現(xiàn)場采集系統(tǒng),具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現(xiàn)場總線接口,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、全橋形式的測量與信號采集,以及其他形式電壓信號的采集。由于該單元具備現(xiàn)場總線(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)。和測控卡+工控機”的方案相比,該單元還有體積小重量輕的優(yōu)勢。
圖1柔性化應(yīng)變信號現(xiàn)場采集系統(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中符號名稱分別為+E、-E為電橋電源的正負電壓,+Uo、-Uo為電橋輸出正負電壓,R2A、R2B、R2C、R2D為不同阻值的標準電阻,R3、R4為同阻值的標準電阻,S1~S9為干簧管繼電器。
圖5兩級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為不同阻值的標準電阻,R3、R4為同阻值的標準電阻,R5、R6為電阻,Q51為三極管,U51為高性能運算放大器,U52為基準電壓源。
圖8兩級程控放大模塊實施例電路圖。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為相同的高性能運算放大器。
圖9高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實施例電路圖。圖中U31為模數(shù)轉(zhuǎn)換器,U32為基準電壓源,Y2為晶體振蕩器。
具體實施例方式
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,或電壓信號接入電橋配置模塊,然后進入程控放大器,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后由DSP進行處理,并將數(shù)據(jù)打包后經(jīng)CAN總線傳輸給上位機。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總線接口實現(xiàn)本發(fā)明所述單元與PC機間的數(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來實現(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經(jīng)放大后進行測量。圖中的符號+E、-E分別表示電橋的供橋(激勵)正電壓和負電壓,+Uo、-Uo為電橋輸出正電壓和負電壓,S1~S9為干簧管繼電器。R3、R4為相同阻值的標準電阻,在單臂電橋測量和半橋測量時使用,組成半等臂電橋。R2A、R2B、R2C、R2D為不同阻值的標準電阻,單臂電橋測量時使用,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)成兩個并聯(lián)回路一路由正極+E經(jīng)兩個串聯(lián)的同阻值電阻R3與R4后與負極-E相連形成一個回路;另一路由正極+E經(jīng)應(yīng)變片連于四個干簧管繼電器(S3~S6)之一,經(jīng)對應(yīng)的四個不同阻值標準電阻(R2A、R2B、R2C、R2D)之一后,與負極-E相連形成另一個回路。在兩個同阻值電阻的串接點上接一個干簧管繼電器S1,電橋輸出正端與電橋輸出負端各自經(jīng)一個干簧管繼電器連于第一級程控放大器。S1~S9的開啟或閉合狀態(tài)見表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回路中應(yīng)變片改成兩個串聯(lián)的應(yīng)變片組成半橋形式的測量電路,其次是去掉了圖中虛線框內(nèi)的不同阻值標準電阻的四個并聯(lián)電阻,且S1~S9的開啟或閉合狀態(tài)見表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回路中不再經(jīng)過兩個串聯(lián)的同阻值電阻R3與R4,而是經(jīng)過兩個串聯(lián)的應(yīng)變片3和應(yīng)變片4;第二個回路中經(jīng)過另兩個串聯(lián)的應(yīng)變片1和應(yīng)變片2后,與第一個回路匯合,經(jīng)干簧管繼電器S2連于電橋負極,因此,本電路不僅去掉了由兩個同阻值標準電阻R3與R4(圖中虛線框內(nèi)的R3與R4)串聯(lián)后組成的回路,同時還去掉了圖中虛線框內(nèi)的不同阻值標準電阻的并聯(lián)電路,且S1~S9的開啟或閉合狀態(tài)見表1。
上述圖中通過控制模擬開關(guān)的開啟與關(guān)閉,可以實現(xiàn)對不同電橋形式的多種阻值電阻應(yīng)變片的應(yīng)變測量,及其他電壓信號的測量。如圖2的單臂電橋測量時,從外部接入1個應(yīng)變片,設(shè)與其阻值匹配的標準電阻是R2A,則干簧管繼電器S1、S3、S7、S8閉合,其他開啟。如進行的不是應(yīng)變片傳感器信號采集,或其他類型傳感器的電橋形式信號采集,而是直接接入電壓型信號,則干簧管繼電器S7、S8閉合,S1、S9開啟。
表1測量類型與模擬開關(guān)的狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系(“1”--關(guān)閉狀態(tài),“0”--開啟狀態(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為相同阻值的標準電阻,R2A、R2B、R2C、R2D為不同阻值的標準電阻,R5、R6為電阻,Q51為三極管,U51為高性能運算放大器,U52為基準電壓源。
3)兩級程控放大器分別與DSP模塊相連的第一級與第二級程控放大器使用數(shù)字式可編程增益儀表放大器PGAxxx組成兩級放大器,其增益在1~8000V/V范圍內(nèi)多級變化,電橋的輸出信號接入第一級程控放大器(圖2~圖4),放大后的信號經(jīng)低通濾波后進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。組成的兩級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)動后控制。
圖8是兩級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。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。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)變信號現(xiàn)場采集單元,具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現(xiàn)場總線接口,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、全橋形式的測量與信號采集,以及其他形式電壓信號的采集。由于該單元具備現(xiàn)場總線(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)。和測控卡+工控機”的方案相比,該單元還有體積小重量輕的優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種柔性化應(yīng)變信號現(xiàn)場采集系統(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、第一級程控放大器及第二級程控放大器,接收應(yīng)變信號或電壓信號的輸入信號的柔性化電橋配置模塊連于第一級程控放大器輸入端,第一級程控放大器的輸出端連于第二級程控放大器的輸入端,第二級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)變信號現(xiàn)場采集系統(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)成兩個并聯(lián)回路一路由電源正極經(jīng)兩個串聯(lián)的同阻值電阻后與電源負極相連形成一個回路;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不同阻值標準電阻各自串聯(lián)于簧管繼電器的四個串聯(lián)電路相并聯(lián)的并聯(lián)電路再與電源負極相連形成另一個回路;在兩個同阻值電阻的串接點上接一個干簧管繼電器,電橋輸出正端與電橋輸出負端各自經(jīng)一個干簧管繼電器連于第一級程控放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性化應(yīng)變信號現(xiàn)場采集系統(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)成兩個并聯(lián)回路一路由電源正極經(jīng)兩個串聯(lián)的同阻值電阻后與電源負極相連形成一個回路;另一路由電源正極經(jīng)兩個串聯(lián)的應(yīng)變片連于一個簧管繼電器后與電源負極相連形成另一個回路;在兩個同阻值電阻的串接點上接一個干簧管繼電器,電橋輸出正端與電橋輸出負端各自經(jīng)一個干簧管繼電器連于第一級程控放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性化應(yīng)變信號現(xiàn)場采集系統(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)成兩個并聯(lián)回路一個回路中不再經(jīng)過兩個串聯(lián)的同阻值電阻,而是經(jīng)過兩個串聯(lián)的應(yīng)變片;另一個回路中經(jīng)過另兩個串聯(lián)的應(yīng)變片后,與第一個回路匯合,經(jīng)一個干簧管繼電器連于電橋負極;在兩個同阻值電阻的串接點上接一個干簧管繼電器,電橋輸出正端與電橋輸出負端各自經(jīng)一個干簧管繼電器連于第一級程控放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性化應(yīng)變信號現(xiàn)場采集系統(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)變信號現(xiàn)場采集系統(tǒng),屬于測試測量技術(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)場總線接口。主要組成為由若干標準電阻和干簧管繼電器組成的柔性化電橋配置模塊、兩級程控放大器、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP、現(xiàn)場總線等模塊。被采集的應(yīng)變信號或其他形式電壓信號接入柔性化電橋配置模塊,經(jīng)電橋及放大后的信號進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,經(jīng)DSP模塊處理后,通過現(xiàn)場總線接口發(fā)送給上位機。本發(fā)明技術(shù)先進,體積小巧,適用性好,用于多種阻值應(yīng)變片的測量與信號采集,還可用于其他形式電壓信號的采集,并可利用現(xiàn)場總線接口組成數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號G01B7/16GK1693838SQ200510040270
公開日2005年11月9日 申請日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月27日
發(fā)明者郭萬林, 馮謙 申請人:南京航空航天大學(xué)