CN1321315C - 柔性化应变信号现场采集*** - Google Patents
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Abstract
一种柔性化应变信号现场采集***，属于测试测量技术及通信技术领域。本***具有柔性化的惠斯登电桥配置功能和现场总线接口。主要组成为：由若干标准电阻和干簧管继电器组成的柔性化电桥配置模块、两级程控放大器、高精度模数转换器、DSP、现场总线等模块。被采集的应变信号或其他形式电压信号接入柔性化电桥配置模块，经电桥及放大后的信号进入模数转换器转换成数字信号，经DSP模块处理后，通过现场总线接口发送给上位机。本发明技术先进，体积小巧，适用性好，用于多种阻值应变片的测量与信号采集，还可用于其他形式电压信号的采集，并可利用现场总线接口组成数据采集网络。
Description
技术领域
本发明属于测试测量技术、通信技术领域，具体涉及一种柔性化应变信号现场采集***，具有柔性化的惠斯登电桥配置功能和现场总线接口。
背景技术
应变测量是结构分析中应用最广泛和实用性最强的实验方法之一，金属箔式应变片广泛应用于各种场合，如力学实验、公路桥梁检测、称重技术，飞机全机试验，以及动态应变测量，甚至冲击与加速度测量。对应变片的测量一般需要组成电桥(如直流惠斯登电桥)来进行，一般，应变仪均采用精密测量电阻组成桥臂，并手动调整与选择电阻组成所需要的电桥形式。当应变片阻值或电桥形式发生变化时，必须重新调整电桥。这在应变信号采集规模较大时，组桥、调整工作量大，一旦出现故障排查也较困难。传统的应变测试测量手段还存在体积较大、不利于组网形成分布式采集的缺点。
在测量电路中，常常需要将传感器检测到的信号进行放大，但兼顾大的动态范围和较高的信号精度的情况下，使用固定增益的放大器很难满足预期的要求，使用程控增益放大器则可以很好地满足这种要求。既不会因为输入信号太小，放大器“欠量程”，造成在模数转换时丢失较多的有效数据位，影响测量精度，也不会由于输入信号较大，致使放大器“过量程”，引起信号失真。这在智能仪表中尤为重要。
信号采集和处理的硬件体系架构方式基本采用的是“测控卡+工控机”的方案，即用现成的信号采集板卡***工控机中。这种方式具有稳定性好，通用性强等优点。但是这种方式的设备体积一般较大，且采集规模即通道数一般较少。当采集规模较大时，设备体积很多，***复杂，且费用较高。
现场总线是计算机网络适应工业现场环境的产物。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线连接，实现信息互换，是新一代全数字、全分散和全开放的现场测控***。现场总线技术具有布局网络化、传输数字化、仪表智能化、测控分散化等特点，受到世界范围的关注，成为工业测控领域中发展的热点。
发明内容
本发明为一种柔性化应变信号现场采集***，具有柔性化的惠斯登电桥配置功能和现场总线接口。本发明针对电阻应变片的测试测量而设计，目的是实现可灵活、柔性地适用于常用的多种阻值应变片的直流惠斯登单臂电桥、半桥、全桥形式的测量与信号采集方法及***。通过控制电桥形式和程控放大器增益，该***还可用于其他形式电压信号的采集。其现场总线接口，使其可方便地组成采集网络，如大规模分布式数据采集***。
本发明的柔性化应变信号现场采集***，包括DSP模块分别双向连于CAN总线接口和模数转换器，DSP模块的输出还分别与控制柔性化电桥配置模块、第一级程控放大器及第二级程控放大器相连，接收应变信号或电压信号等输入信号的柔性化电桥配置模块连于第一级程控放大器输入端，第一级程控放大器的输出端连于第二级程控放大器的输入端，第二级程控放大器的输出端与模数转换器相连。柔性化电桥配置模块由若干标准电阻和干簧管继电器组成，其中标准电阻为高精度测量用电阻，其阻值与几种常用应变片的阻值相同，干簧管继电器用于选通不同的标准电阻，实现多种阻值多种电桥形式下的测量。两级程控放大器用于使电桥输出的微弱信号调理至后续的模数转换器允许范围之内，其中，要求两级程控放大器的增益组合至少有一种为“1”，以使该单元还可用于其他形式电压信号的采集。
本***的工作原理是，被采集的应变信号或其他形式的电压信号接入柔性化电桥配置模块，经电桥和程控放大器放大后的信号进入模数转换器转换成数字信号送入DSP模块，经DSP模块处理后，通过CAN总线接口发送给上位机。
本发明为一种柔性化应变信号现场采集***，具有柔性化的惠斯登电桥配置功能和现场总线接口，适于常用的多种阻值应变片的直流惠斯登单臂电桥、半桥、全桥形式的测量与信号采集，以及其他形式电压信号的采集。由于该单元具备现场总线(CAN总线)接口，因而可方便地组成大规模分布式数据采集网络。和测控卡+工控机”的方案相比，该单元还有体积小重量轻的优势。
附图说明
图1柔性化应变信号现场采集***结构框图。
图2柔性化单臂电桥配置模块的电路原理图。
图3柔性化半桥电桥配置模块的电路原理图。
图4柔性化全桥电桥配置模块的电路原理图。
图2～图4中符号名称分别为：+E、-E为电桥电源的正负电压，+Uo、-Uo为电桥输出正负电压，R2A、R2B、R2C、R2D为不同阻值的标准电阻，R3、RX为同阻值的标准电阻，S1～S9为干簧管继电器。
图5两级程控放大模块原理框图
图6模数转换器与DSP的接口原理图
图7柔性化电桥配置模块实施例电路图。图中：RL4_1～RL4_9为干簧管继电器，R2A、R2B、R2C、R2D为不同阻值的标准电阻，R3、R4为同阻值的标准电阻，R5、R6为电阻，Q51为三极管，U51为高性能运算放大器，U52为基准电压源。
图8两级程控放大模块实施例电路图。图中：U21、U22为结构相同而参数不同的仪表放大器，U23、U24为相同的高性能运算放大器。
图9高精度模数转换模块实施例电路图。图中：U31为模数转换器，U32为基准电压源，Y2为晶体振荡器。
具体实施方式
本发明的结构框图如图1所示，采用德州仪器公司的DSP芯片TMS320LF2407A作控制核心，***电路有柔性化电桥配置、两级程控放大、模数转换、CAN总线接口等模块。外部接入的应变片，或电压信号接入电桥配置模块，然后进入程控放大器，经模数转换后由DSP进行处理，并将数据打包后经CAN总线传输给上位机。柔性化电桥以及程控放大器的工作模式和参数均由DSP控制，而DSP可接受上位机的控制指令。
1)CAN总线接口
与DSP模块双向相连的CAN总线接口实现本发明所述单元与PC机间的数据、控制指令和状态信息的传送，并组成结构简单、成本低、可靠性高的采集网络。CAN总线网络采用DSP内部集成的CAN2.0B总线控制器与TI公司的CAN总线收发器SN65HVD230来实现。
SN65HVD230芯片是TI公司的一款CAN总线收发器，3.3V工作电压，适于用在TI的DSP***中。SN65HVD230主要有三种工作模式：高速模式，待机模式，斜率控制模式。在本发明中采用了低成本的斜率控制模式。
2)柔性化电桥配置
分别连于DSP模块和程控放大器的柔性化电桥配置模块，利用精密电阻和干簧管继电器组成如图2、图3、图4所示的电桥，电桥输出的微弱信号经放大后进行测量。图中的符号：+E、-E分别表示电桥的供桥(激励)正电压和负电压，+Uo、-Uo为电桥输出正电压和负电压，S1～S9为干簧管继电器。R3、R4为相同阻值的标准电阻，在单臂电桥测量和半桥测量时使用，组成半等臂电桥。R2A、R2B、R2C、R2D为不同阻值的标准电阻，单臂电桥测量时使用，所接入的应变片阻值必须是其中的一种，如120Ω、350Ω等。
图2所示的是柔性化单臂电桥配置模块的电路原理图，其电路的组成是，电桥电源输出构成两个并联回路；一路由电源正极+E经两个串联的同阻值电阻R3与R4后与电源负极-E相连形成一个回路；另一路由电源正极+E经应变片连于一个干簧管继电器S2后再与电源负极-E相连形成另一回路，四个不同阻值标准电阻R2A、R2B、R2C、R2D各自串联一个干簧管继电器组成的四个串联电路各自并联在干簧管继电器S2两端；在两个同阻值电阻的串接点上接一个干簧管继电器S1，电桥输出正端与电桥输出负端各自经一个干簧管继电器连于第一级程控放大器。S1～S9的开启或闭合状态见表1。
图3所示的是柔性化半桥配置模块的电路原理图，与图2的不同之处是第二个回路中应变片改成两个串联的应变片组成半桥形式的测量电路，其次是去掉了图中虚线框内的不同阻值标准电阻的四个并联电阻，且S1～S9的开启或闭合状态见表1。
图4所示的是柔性化全桥配置模块的电路原理图，与图2和图3的不同之处是第一个回路中不再经过两个串联的同阻值电阻R3与R4，而是经过两个串联的应变片3和应变片4；第二个回路中经过另两个串联的应变片1和应变片2后，与第一个回路汇合，经干簧管继电器S2连于电桥负极，因此，本电路不仅去掉了由两个同阻值标准电阻R3与R4(图中虚线框内的R3与R4)串联后组成的回路，同时还去掉了图中虚线框内的不同阻值标准电阻的并联电路，且S1～S9的开启或闭合状态见表1。
上述图中通过控制模拟开关的开启与关闭，可以实现对不同电桥形式的多种阻值电阻应变片的应变测量，及其他电压信号的测量。如图2的单臂电桥测量时，从外部接入1个应变片，设与其阻值匹配的标准电阻是R2A，则干簧管继电器S1、S3、S7、S8闭合，其他开启。如进行的不是应变片传感器信号采集，或其他类型传感器的电桥形式信号采集，而是直接接入电压型信号，则干簧管继电器S7、S8闭合，S1、S9开启。
表1测量类型与模拟开关的状态的对应关系
(“1”——关闭状态，“0”——开启状态，“X”——两种状态均可。)
| 测量类型 | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 | S7 | S8 | S9 |
| 全桥 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 半桥 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 单臂R2A | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 单臂R2B | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 单臂R2C | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 单臂R2D | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
图7所示的是柔性化电桥配置模块的实施例的电路图，图中RL4_1～RL4_9为干簧管继电器，R3、R4为相同阻值的标准电阻，R2A、R2B、R2C、R2D为不同阻值的标准电阻，R5、R6为电阻，Q51为三极管，U51为高性能运算放大器，U52为基准电压源。
3)两级程控放大器
分别与DSP模块相连的第一级与第二级程控放大器使用数字式可编程增益仪表放大器PGAxxx组成两级放大器，其增益在1～8000V/V范围内多级变化，电桥的输出信号接入第一级程控放大器(图2～图4)，放大后的信号经低通滤波后进入模数转换器进行转换。组成的两级程控放大器原理框图如图5所示。
PGAxxx为数字式可编增益仪用放大器，具有低失调电压、高输入阻抗、高共模抑制比和低噪声，是高性能的程控仪表放大器，应用于工作环境恶劣且精度要求很高的多位数据采集***，特别适合于过程控制、仪表，数据处理及医疗仪器。其增益由A0、A1两管脚的逻辑电平决定，在本发明中由DSP的数字输入输出(I/O)端口经驱动后控制。
图8是两级程控放大器的电路图，图中U21、U22为数字式可编程增益仪表放大器，U23、U24为相同的高性能运算放大器。即仪表放大器串联后，其输出经低通滤波电路输出至模数转换器。
4)模数转换器
放大及滤波电路输出的信号经模数转换器转变为DSP所能接受的数字信号。本单元选用ADxxxx，它为带SPI(Setial Peripheral Interface)串行接口的4通道24位高精度∑-Δ型模数转换器，将其
引脚接入DSP的外部中断1(XINT1)引脚，并由DSP的周期中断控制转换的启动。其原理框图如图6所示，电路图如图9所示。图中的U31为模数转换器，采用ADxxxx芯片，U32为基准电压源，Y2为晶体振荡器。DSP选择TMS320LF2407A芯片
本发明为一种柔性化应变信号现场采集单元，具有柔性化的惠斯登电桥配置功能和现场总线接口，适于常用的多种阻值应变片的直流惠斯登单臂电桥、半桥、全桥形式的测量与信号采集，以及其他形式电压信号的采集。由于该单元具备现场总线(CAN总线)接口，因而可方便地组成大规模分布式数据采集网络。和测控卡+工控机”的方案相比，该单元还有体积小重量轻的优势。
Claims (5)
1.一种柔性化应变信号现场采集***，其特征在于，包括DSP模块分别双向连于CAN总线接口和模数转换器，DSP模块还分别控制并连于柔性化电桥配置模块、第一级程控放大器及第二级程控放大器，接收应变信号或电压信号的输入信号的柔性化电桥配置模块连于第一级程控放大器输入端，第一级程控放大器的输出端连于第二级程控放大器的输入端，第二级程控放大器的输出端与模数转换器相连。
2.根据权利要求1所述的柔性化应变信号现场采集***，其特征在于，柔性化电桥配置模块的单臂电桥电路，电桥电源输出构成两个并联回路：一路由电源正极经两个串联的同阻值电阻后与电源负极相连形成一个回路；另一路由电源正极经应变片连于一个干簧管继电器S2后再与电源负极相连形成另一个回路；由四个不同阻值的标准电阻组成的四个串联支路均并联在上述干簧管继电器S2两端，该四个串联支路的组成分别是：标准电阻R2A串联干簧管继电器S3；标准电阻R2B串联干簧管继电器S4；标准电阻R2C串联干簧管继电器S5；标准电阻R2D串联干簧管继电器S6，在两个同阻值电阻的串接点经一个干簧管继电器S1连于电桥输出正端，电桥输出正端经干簧管继电器S7后连于第一级程控放大器，电桥输出负端经干簧管继电器S8后同样连于第一级程控放大器。
3.根据权利要求1所述的柔性化应变信号现场采集***，其特征在于，柔性化电桥配置模块的半桥电路，电桥电源输出构成两个并联回路：一路由电源正极经两个串联的同阻值电阻后与电源负极相连形成一个回路；另一路由电源正极经两个串联的应变片连于一个干簧管继电器S2后与电源负极相连形成另一个回路；在两个同阻值电阻的串接点经一个干簧管继电器S1连于电桥输出正端，电桥输出正端经干簧管电器S7后连于第一级程控放大器；电桥输出负端经干簧管继电器S8后同样连于第一级程控放大器。
4.根据权利要求1所述的柔性化应变信号现场采集***，其特征在于，柔性化电桥配置模块的全桥电路，电桥电源输出构成两个并联回路：一个回路是经过两个串联的应变片；另一个回路中经过另两个串联的应变片后，与第一个回路汇合，经一个干簧管继电器S2连于电源负极；在电桥输出正端经干簧管继电器S7后连于第一级程控放大器，电桥输出负端经干簧管继电器S8后同样连于第一级程控放大器。
5.根据权利要求1所述的柔性化应变信号现场采集***，其特征在于：该***的DSP模块连接了用于现场网络通信的CAN总线。
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