《電子技術(shù)應(yīng)用》
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嵌入式微型應(yīng)變存儲測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第11期
靳 鴻1,2，陳昌鑫1,2， 祖 靜1,2，裴東興1,2
1. 中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室, 山西 太原030051； 2. 中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室, 山西 太原030051
摘要： 針對裝甲車輛某部件應(yīng)變測試引線困難的問題，利用存儲測試技術(shù)設(shè)計了一種嵌入式結(jié)構(gòu)的微體積、低功耗的微型應(yīng)變記錄儀。該記錄儀可以嵌入被測體內(nèi)，完成車輛部件微小應(yīng)變信號的獲取、存儲，同時結(jié)合LabVIEW 2010軟件開發(fā)的虛擬儀器讀數(shù)軟件將傳輸?shù)缴衔粰C的數(shù)據(jù)進行波形顯示和數(shù)據(jù)處理，得到測試結(jié)果。實驗證明，所設(shè)計的微型存儲測試系統(tǒng)穩(wěn)定，具有微體積、低功耗、嵌入被測體內(nèi)實時獲取動態(tài)參數(shù)等優(yōu)點，可以應(yīng)用于不易引線的應(yīng)變測試場合。
中圖分類號： TP23
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)11-0084-03
Design and implementation of strain storage measurement system with embedded structure and micro-volume
Jin Hong1,2，Chen Changxin1,2， Zu Jing1,2， Pei Dongxing1,2
1. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China,Taiyuan 030051, China; 2. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education, North University of China,Taiyuan 030051, China
Abstract： To solve the lead-wire difficulty of strain measurement on a structure of the vehicle, using storage measurement technology to design an embedded data-recorder with micro-volume and low-power consumption. The recorder can be put inside the measured body to obtain the strain signal and storage the data , and the virtual instrument software which was developed base on LabVIEW2010 can accomplish waveform display , data processing to obtain measurement results. Experiments show that the micro-volume storage measurement system is stability, and has the advantages of micro-volume, low-power consumption, embedded into the measured body, which can be used in the strain measurement occasion that is not fit lead-wire method.
Key words : storage measurement；strain； micro-volume； low-power； LabVIEW

    存儲測試技術(shù)是指在被測對象無影響或者影響在允許范圍的條件下，在被測體內(nèi)置入微型存儲測試儀器，現(xiàn)場實時完成信息采集與存儲，事后回收記錄儀，由計算機處理和再現(xiàn)被測信息的一種動態(tài)測試技術(shù)[1]。存儲測試技術(shù)的顯著特點是在被測體實際運動的過程中實時實況地獲取其動態(tài)參數(shù)，作為測試計量技術(shù)的一個特色的分支，廣泛應(yīng)用于高溫、高壓、高沖擊、強電磁干擾、不易引線等特殊、惡劣環(huán)境下的信息獲取，如高g值沖擊加速度測試[2]、彈道參數(shù)測試[3]，爆炸場的沖擊波壓力測試[4]、火炮膛壓測試[5]、石油井下壓力測試[6]等。

    常規(guī)的應(yīng)變測試一般是實時測試，即將應(yīng)變片輸出的信號經(jīng)過調(diào)理后進行A/D轉(zhuǎn)換，通過液晶屏、LED顯示[7]，或者通過數(shù)據(jù)采集卡將信號經(jīng)過總線傳輸至計算機，完成信號的采集和處理，并且通過計算機硬盤實時存儲信息，即實時采集和實時處理與存儲[8]。針對裝甲車輛某部件工作環(huán)境惡劣，應(yīng)變測試困難的問題，采用存儲測試技術(shù)設(shè)計了可以嵌入被測體內(nèi)，具有嵌入式結(jié)構(gòu)、微體積、低功耗的應(yīng)變記錄儀，與計算機的虛擬儀器軟件構(gòu)成了微型存儲測試系統(tǒng)，完成微小應(yīng)變信號的獲取與數(shù)據(jù)處理。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    按照存儲測試技術(shù)的理論和技術(shù)設(shè)計微型應(yīng)變存儲測試系統(tǒng)，包括微型應(yīng)變記錄儀和計算機虛擬儀器軟件兩部分。
    微型應(yīng)變記錄儀包括信號調(diào)理模塊、控制模塊、ADC模塊、存儲模塊、接口模塊、時鐘模塊、電源管理模塊等。信號調(diào)理模塊完成多路傳感器輸出信號的放大、濾波等；ADC模塊完成信號的A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字量按照控制模塊的寫入命令寫入閃存存儲模塊，完成了信號的采集和存儲；當記錄儀回收后，將記錄儀通過串口與計算機連接，計算機虛擬儀器軟件向控制模塊發(fā)出讀取數(shù)據(jù)命令，把閃存存儲模塊中的數(shù)據(jù)讀出，數(shù)據(jù)由計算機虛擬儀器軟件進行顯示及數(shù)據(jù)處理，得到測試結(jié)果。
    計算機虛擬儀器軟件是存儲測試系統(tǒng)的重要組成部分，完成記錄儀數(shù)據(jù)的讀取、波形顯示、數(shù)據(jù)處理、文件存盤、打印等。
    微型應(yīng)變存儲測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計
2.1 主要元器件選擇
    控制模塊選擇TI公司MSP430系列的SoC單片機。MSP430系列單片機是16 bit的超低功耗單片機， 1.8~3.6 V供電，集成了12 bit的ADC、UART、16 bit的定時器等外部模塊,記錄儀的控制模塊采用MSP430FG4618，BGA封裝。
    信號調(diào)理模塊選擇INA128；存儲模塊選擇三星公司的NAND Flash，即K9F1G08UOC。
2.2 主要電路設(shè)計
2.2.1信號獲取與調(diào)理電路
　 應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，這個電阻的變化量通常采用電橋作為測量電路來測量。應(yīng)變信號獲取電路采用差動全橋電路，如圖2所示。

    差動全橋電路具有靈敏度高、溫度自補償?shù)膬?yōu)點。圖3中R1、R2、R3、R4是箔式電阻應(yīng)變片(阻值R=120±0.1 Ω,靈敏系數(shù)K=2.1)；Ui是橋壓輸入，Uo是橋壓輸出。

    根據(jù)差動全橋電路的原理，橋壓輸出Uo與橋壓輸入Ui滿足關(guān)系式：
    Uo=Ui×K×ε
式中，K是靈敏度，ε是應(yīng)變。
    信號調(diào)理電路主要完成橋壓輸出信號Uo的濾波、放大，供ADC模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。信號調(diào)理電路采用壓控電壓源二階低通濾波電路設(shè)計。
2.2.2 控制電路
    控制模塊主要包括MSP430FG4618單片機控制電源模塊、ADC模塊、存儲模塊、接口模塊，以及采樣模式控制和實現(xiàn)低功耗的頻率控制。
    系統(tǒng)按照連續(xù)采樣模式和多次隨機采樣模式進行設(shè)計，通過外部上升沿觸發(fā)，引起單片機中斷來實現(xiàn)采樣模式識別，采樣頻率選擇等功能?？刂颇K的采樣和存儲流程圖如圖3所示。
2.3 關(guān)鍵技術(shù)
    針對車輛空間狹小、鋰電池供電的背景，嵌入式結(jié)構(gòu)的記錄儀必須實現(xiàn)微體積、低功耗、多種采樣模式設(shè)計等。
    (1)微體積：MSP430FG4618單片機、K9F1G08UOC芯片選擇BGA封裝，SG310SCF芯片、INA128芯片等選擇貼片封裝，電路使用四層PCB板，模擬、數(shù)字電路分開，立體封裝工藝，灌封環(huán)氧樹脂，電路由高強度金屬殼體保護，結(jié)構(gòu)緊湊，具有微小體積。
    (2) 低功耗：通過芯片選擇、電源管理、頻率控制三個方面的設(shè)計實現(xiàn)低功耗。主控芯片選擇業(yè)界功耗最低的16位單片機MSP430FG4618；電源管理、頻率控制是通過將記錄儀分為若干工作狀態(tài)，不同工作狀態(tài)之間的切換使用單片機的中斷實現(xiàn)。關(guān)機狀態(tài)、待機休眠狀態(tài)、采樣存儲狀態(tài)、數(shù)據(jù)保持休眠狀態(tài)、讀取數(shù)據(jù)狀態(tài)的電源管理和頻率控制表1所示。

 

 

    (3) 電路可編程：多次隨機采樣模式的隨機觸發(fā)次數(shù)n(n≤12)，采樣頻率f1、f2…fn等信息根據(jù)計算機虛擬儀器軟件給記錄儀發(fā)送的編程字命令確定，可以實現(xiàn)多次變頻采樣。
    (4) 采樣模式：記錄儀按照一次連續(xù)采樣、多次隨機采樣這兩種采樣模式設(shè)計。①記錄儀默認是一次連續(xù)采樣模式，當單片機的P1.1口外部上升沿觸發(fā)引起中斷時，記錄儀進入一次連續(xù)采樣模式，按照電路編程設(shè)定的頻率fo完成80 Mbit信號的采集，然后記錄儀進入數(shù)據(jù)保持狀態(tài)。②當記錄儀收到計算機虛擬儀器軟件的隨機觸發(fā)次數(shù)n和采樣頻率fn時，記錄儀進入多次隨機采樣模式。當單片機的P1.2口外部上升沿觸發(fā)引起中斷時，記錄儀進入多次隨機觸發(fā)模式，按照電路編程的設(shè)定采樣頻率f1記錄10 Mbit數(shù)據(jù)，然后記錄儀進入待機休眠狀態(tài)，等待下一次觸發(fā)；當?shù)诙螁纹瑱C的P1.2口有外部上升沿觸發(fā)的時候，記錄儀進入第二次采樣狀態(tài)，按照電路編程的設(shè)定頻率f2采集和存儲10 Mbit數(shù)據(jù)，然后記錄儀再次進入待機休眠狀態(tài)，等待下一次觸發(fā)；如此重復，當?shù)趎次單片機的P1.2口有上升沿觸發(fā)時，記錄儀進入第n次采樣狀態(tài)，按照電路編程的設(shè)定頻率fn采集和存儲10 Mbit數(shù)據(jù)，然后記錄儀進入數(shù)據(jù)保持狀態(tài)，采樣和存儲完畢，等待回收讀數(shù)。
3 軟件設(shè)計
    利用LabVIEW 2010軟件設(shè)計了計算機虛擬儀器軟件，完成記錄儀數(shù)據(jù)的讀取、波形顯示以及數(shù)據(jù)處理等。虛擬儀器軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    記錄儀和計算機通過RS232串口進行通信。記錄儀收到虛擬儀器軟件的“開始讀數(shù)”命令后，數(shù)據(jù)通過串口傳輸至計算機，保存在數(shù)組里，利用LabVIEW的數(shù)組處理函數(shù)對數(shù)據(jù)進行濾波、頻譜分析處理、波形顯示等。
4 實物及測試實驗
    將測試電路和鋰電池封裝在高強度機械殼體里，通過面板的接口接入應(yīng)變片的橋路輸出信號，按照設(shè)定的采樣模式進行采樣、存儲，采樣完畢通過讀數(shù)接口和虛擬儀器讀數(shù)軟件讀取測試數(shù)據(jù)。所設(shè)計的微型應(yīng)變記錄儀有6個通道，體積約為12 cm3，實物如圖5所示。

    在力學實驗室環(huán)境內(nèi)，對標定后的應(yīng)變記錄儀進行測試實驗。按照圖2所示的原理，在等強度梁上下貼4個應(yīng)變片(阻值120±0.1 Ω，靈敏系數(shù)K=2.1),橋壓輸入Ui=2 V，橋壓輸出Uo接入記錄儀的傳感器差分信號輸入端（將記錄儀的6個通道輸入端都接入這等強度梁上的差動全橋）。將記錄儀設(shè)置在8次隨機觸發(fā)狀態(tài)，通過虛擬儀器的編程，將采樣頻率設(shè)置為2 kHz；在等強度梁一端掛上一個托盤,在托盤上加0.5 kg，1.5 kg，2.5 kg，3.5 kg，4.5 kg的五組砝碼，待每一組砝碼靜止后時，進行下降沿觸發(fā)測試。重復三次，然后對數(shù)據(jù)進行三次求取算術(shù)平均值，記錄后進行數(shù)據(jù)處理。砝碼與隨機觸發(fā)次數(shù)如表2所示。
    以砝碼為橫軸，以應(yīng)變值為縱軸，利用Matlab軟件繪制擬合曲線圖，經(jīng)計算，滿量程的線性度誤差小于1%，某一通道輸出擬合曲線圖如圖6所示。

    經(jīng)實驗測試，設(shè)計的嵌入式微型應(yīng)變存儲測試系統(tǒng)能夠應(yīng)用于車輛部件的應(yīng)變測試，完成微小應(yīng)變信號的采集、存儲、傳輸、波形顯示和數(shù)據(jù)處理等。記錄儀能夠完成微小應(yīng)變信號的測試，能夠推廣應(yīng)用于高溫、高壓、高沖擊、不易引線等惡劣環(huán)境中的物理量動態(tài)參數(shù)測試。
參考文獻
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