于鎖相放大器的萬能試驗(yàn)機(jī)采集系統(tǒng)研制

摘要：基于STM32、STM8處理器，設(shè)計(jì)完成了萬能試驗(yàn)機(jī)的多個(gè)功能模塊。為了提高小信號(hào)的采集精度與速度，用多處理器設(shè)計(jì)了一種混合式的鎖相放大器，并運(yùn)用數(shù)字處理進(jìn)行進(jìn)一步處理，具有很高的性價(jià)比。在位移信號(hào)采集中。運(yùn)用STM8S實(shí)現(xiàn)了低成本的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)在速度與精度上滿足萬能試驗(yàn)機(jī)要求，總體性價(jià)比高。
關(guān)鍵詞：萬能試驗(yàn)機(jī)；鎖相放大器；數(shù)字多點(diǎn)平均；光電編碼器

萬能材料試驗(yàn)機(jī)是一種配備全數(shù)字化測量控制系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)，主要用于橡膠、塑料、金屬、水泥等材料拉伸剝離等力學(xué)性能試驗(yàn)。材料試驗(yàn)機(jī)作為一種精密測試儀器，對(duì)于材料科學(xué)的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品和工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效的使用材料，改進(jìn)工藝，減輕產(chǎn)品重量和縮小體積，提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本，以及保證產(chǎn)品安全可靠，提高使用壽命，都具有極其重要的作用。目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的萬能材料試驗(yàn)機(jī)在功能、精度、成本上都有不少改進(jìn)的空間。本文基于意法半導(dǎo)體公司的STM32處理器作為采集控制系統(tǒng)的核心。在力傳感器等小信號(hào)采集中，設(shè)計(jì)了一種混合式鎖相放大器的方案，采用多個(gè)處理器完成小信號(hào)采集。利用8位單片機(jī)STM8S自帶的編碼器接口，通過PCI專用接口芯片，設(shè)計(jì)了一種高精度，接口電路簡單，性價(jià)比高的萬能材料試驗(yàn)機(jī)解決方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和工作原理
試驗(yàn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)包括：主控制芯片STM32，數(shù)據(jù)采集部分，控制部分，與計(jì)算機(jī)通訊接口和無線手操器等5部分。數(shù)據(jù)采集包括測量力、形變、位移等量。力和形變兩個(gè)量，為毫伏信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)高精度采集，同時(shí)保證一定速度，采用一種混合式的鎖相放大器來完成。位移量信號(hào)經(jīng)過光電隔離后，進(jìn)入STM8S單片機(jī)，利用其自帶的編碼器接口模式進(jìn)行采集，再通過IIC與STM32通訊。對(duì)于控制方式，有兩種模式。對(duì)于伺服電機(jī)，通過定時(shí)器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，對(duì)于液壓系統(tǒng)，通過DA來控制。與PC機(jī)的通訊，通過專用的PCI接口芯片，與SIM32連接。而對(duì)于手動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的手操器，采用無線方式連接。

2 高精度小信號(hào)采集模塊
試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)就是力傳感器等小信號(hào)采集的精度和速度。而且采集系統(tǒng)的速度與精度又直接影響到控制系統(tǒng)的性能。這些傳感器滿量程10 mV左右，要達(dá)到十萬分之一的分辨率，就需要能測量出100 nV的信號(hào)。對(duì)于如此小的信號(hào)快速精確的采集是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。如何把微弱的有用信號(hào)從背景噪聲中提取出來，是小信號(hào)采集的關(guān)鍵。在微弱信號(hào)檢測的各種技術(shù)中，檢測精度比較高，應(yīng)用最為廣泛的是鎖相放大器。

鎖相放大器是一種運(yùn)用互相關(guān)原理，對(duì)檢測信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的設(shè)備。鎖相放大器的基本原理如圖2所示。鎖相放大器的原理是基于這樣的事實(shí)，噪聲同時(shí)符合與信號(hào)既同頻又同相的概率是很低的。鎖相放大器包括信號(hào)通道、參考通道、相關(guān)器等幾部分。信號(hào)通道將伴有噪聲的輸入信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理，以濾除信號(hào)通帶以外的噪聲；參考信號(hào)提供與被測信號(hào)同頻，并有一定相位差的信號(hào)；相關(guān)器包括相敏檢波器(乘法器)和低通濾波器(積分器)，經(jīng)過相敏檢波器會(huì)出現(xiàn)輸入信號(hào)與參考信號(hào)的差頻項(xiàng)與和頻項(xiàng)。再通過低通濾波器濾除和頻項(xiàng)，保留差頻項(xiàng)，最后輸出的直流信號(hào)只與被測信號(hào)振幅成正比。
2. 1 鎖相放大器硬件結(jié)構(gòu)
根據(jù)鎖相放大器的相敏檢波器的結(jié)構(gòu)不同，可分為模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器。模擬鎖相放大器存在溫漂、噪聲、系統(tǒng)升級(jí)能力差等缺點(diǎn)，但是其速度相對(duì)較快。相比來說，數(shù)字鎖相放大器抗干擾性能好，參數(shù)穩(wěn)定，易于升級(jí)，但是由于要進(jìn)行大量的運(yùn)算，速度相對(duì)較慢。本系統(tǒng)采用混合式的設(shè)計(jì)方法，把運(yùn)算量大的乘法運(yùn)算用模擬器件實(shí)現(xiàn)，然后，經(jīng)過AD采樣后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。在保證性能的同時(shí)，最大程度提升速度。其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本系統(tǒng)采用正交矢量鎖相放大器的設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)可以避免在測量時(shí)對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整，避免移相調(diào)節(jié)誤差對(duì)測量精度的影響。信號(hào)通道由前置放大器、濾波器、主放大器等組成。前置放大器采用LTC6910，前置放大器必須具有低噪聲、高增益等特點(diǎn)。LTC6910輸入噪聲密度為8 nV／，具有可編程的增益控制，最高達(dá)100倍放大。濾波電路采用TI公司的通用有源濾波器UAF42，其可配置成低通、高通、帶通濾波器。具有集成度高、可靠性高、設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)。
主放大器采用PGA204，該芯片是TI公司的低成本多用途的可編程增益放大器。四級(jí)固定增益為1，10，100，1000。可根據(jù)測量信號(hào)的范圍進(jìn)行調(diào)整。而且PGA204內(nèi)部電路由激光技術(shù)校正使得芯片具有低偏移電壓及溫漂，以及較高的共模抑制比。參考信號(hào)由控制器STM32產(chǎn)生，同時(shí)產(chǎn)生相位差為90度的兩個(gè)參考信號(hào)。經(jīng)過預(yù)處理的待測信號(hào)和兩個(gè)正交的參考信號(hào)分別進(jìn)入相敏檢波器中。相敏檢波器采用平衡調(diào)制解調(diào)器AD630。AD630內(nèi)部是一個(gè)比較器控制的兩路運(yùn)放結(jié)構(gòu)，外部電路簡單，具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。在完成相敏檢波后，進(jìn)入高精度AD轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)選用TI公司的ADS1271。
ADS1271是一款高帶寬的24位AD轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了DC精度與AC性能的突破性結(jié)合。其具有105 kSPS的轉(zhuǎn)換速率以及高達(dá)109 dB的信噪比。鑒于本系統(tǒng)要同時(shí)完成兩次AD采集，選用兩片ADS1271同時(shí)采集。在得到數(shù)字信號(hào)后，通過專用的數(shù)字處理單元，進(jìn)行運(yùn)算，最終得到待測信號(hào)的幅值。由于計(jì)算量大的乘法運(yùn)算已經(jīng)由模擬器件完成，此處的運(yùn)算量不會(huì)太大，本系統(tǒng)選用性價(jià)比高的STM32處理器。
2．2 鎖相放大器原理及數(shù)字多點(diǎn)平均算法實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)在鎖相運(yùn)算的基礎(chǔ)上，在對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，采用數(shù)字多點(diǎn)平均的方法，減少因AD采樣帶來的嗓音，提高采集系統(tǒng)的精度。在本系統(tǒng)中，設(shè)被測信號(hào)為：x(t)=S(t)+N(t)=Asin(ωt+φ)+N(t)。正弦參考信號(hào)與余弦參考信號(hào)分別為：r1(t)=Bsin(ωt)、r2(t)=Bcos(ωt)。待測信號(hào)與兩參考信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)分別為：

乘法運(yùn)算已經(jīng)在相敏檢波部分實(shí)現(xiàn)，在數(shù)字處理時(shí)只進(jìn)行加法運(yùn)算。由于在之前的AD采樣中以及模擬器件引入的噪聲，在計(jì)算積分時(shí)先對(duì)AD的采樣值進(jìn)行處理。本系統(tǒng)中運(yùn)用數(shù)字多點(diǎn)平均的方法，這是利用同步累積原理的一種方法，是一種從噪聲中提取有效信號(hào)的有效方法。其原理如下：設(shè)淹沒在噪聲中的信號(hào)為，每一個(gè)取樣周期內(nèi)取樣i(i=1，2，…n)點(diǎn)，取樣m個(gè)周期。本系統(tǒng)中，根據(jù)ADS1 271采樣速率為105 kSPS，要達(dá)到500 Hz的最終采樣速度。設(shè)計(jì)每周期采樣30點(diǎn)，采樣累計(jì)次數(shù)設(shè)為7次。鎖相放大器中參考信號(hào)采樣頻率為3．5 kHz。這種設(shè)計(jì)是基于速度和性能的折中方面來考慮。
對(duì)于線性累加平均，第k次取樣中的第i個(gè)取樣點(diǎn)的值為：

在具體實(shí)現(xiàn)上，主控制器STM32在每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)完成30次采樣，各次采樣在固定的采樣時(shí)刻，每一點(diǎn)進(jìn)行各自累加，同時(shí)保存每次采樣的值，在完成m個(gè)采樣周期后，對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，改為用去極值平均濾波，在一定程度上進(jìn)一步改善濾波效果。計(jì)算出最后的積分?jǐn)?shù)據(jù)后，按公式計(jì)算得到待測信號(hào)幅值。在每次信號(hào)開始的時(shí)候MCU0都要發(fā)送同步脈沖，保證累加的采樣值不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位。AD每完成一次采樣，就中斷通知專門進(jìn)行數(shù)字處理的MCU1來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并進(jìn)行累加，并保存所有采樣值。為了提高處理能力，完成第m次采樣后，把數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU2進(jìn)行最后計(jì)算待測信號(hào)的運(yùn)算，MCU1繼續(xù)進(jìn)行采樣的累加存儲(chǔ)。
試驗(yàn)中，使用力傳感器進(jìn)行測試，采樣頻率為500Hz，力傳感器滿量程30 kN。有效測力范圍1％-100％，測量精度為0．5％。在不分檔時(shí)，能達(dá)到二十萬分之一的分辨率。在速度和精度上可以滿足試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。
2．3 編碼器位移測量模塊
試驗(yàn)機(jī)測量中位移傳感器(包括安裝在橫粱上和來自電機(jī))和大形變傳感器，通常使用增量式光電編碼器。其是一種體積小、精度高、響應(yīng)速度快和性能穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速與位置傳感器．它在測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。增量式編碼器是通過隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出兩個(gè)相位相差90度的脈沖信號(hào)A、B，然后根據(jù)相位關(guān)系決定旋轉(zhuǎn)方向，再用計(jì)數(shù)器對(duì)這些脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，以此來表示轉(zhuǎn)過的角位移量。

光電編碼器的分辨率與每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)有關(guān)，脈沖數(shù)越多，分辨率越高。而引入倍頻技術(shù)，對(duì)編碼器輸出的信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，將進(jìn)一步提高測量精度。常規(guī)的實(shí)現(xiàn)倍頻的方法是，通過邏輯電路進(jìn)行處理，或者是利用單片機(jī)經(jīng)過一系列處理后實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，市場上也出現(xiàn)了不少專門完成編碼器信號(hào)處理的芯片，直接輸出數(shù)字信號(hào)，比如奎克半導(dǎo)體的QA744808芯片。這些方法，要么成本高，要么處理相對(duì)復(fù)雜。本系統(tǒng)采用STM8S單片自帶的編碼器接口模式功能，實(shí)現(xiàn)了一種簡單的編碼器信號(hào)讀取。近幾年雕剛推出的STM8、SWM32系列的單片機(jī)，專門為電機(jī)控制加入了特別的設(shè)計(jì)，提高了電機(jī)處理能力，也加入了在電機(jī)控制中要用到的編碼器接口。增量編碼器可與MCU直接連接而無需外部接口電路。
從A、B兩路信號(hào)可以看出，一個(gè)脈沖周期里面，兩路信號(hào)共發(fā)生了4次變化，如果能在兩信號(hào)上升沿與下降沿都進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以在一個(gè)周期里對(duì)編碼器計(jì)數(shù)4次，從而實(shí)現(xiàn)了4倍頻的目的。如圖5所示，在STM8S中，選擇雙邊沿計(jì)數(shù)模式，就可以輕松實(shí)現(xiàn)4倍頻的功能，同時(shí)在發(fā)生輸入抖動(dòng)時(shí)，不會(huì)引起計(jì)數(shù)器加減變化，能有效抑制干擾。

STM8S的編碼器接口模式存在于TIM1中，在硬件連接上，編碼器差分信號(hào)經(jīng)高速光耦光電隔離，同時(shí)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化后，輸入TIM1的TIM1_ CB1，TIM1_CH2引腳。通過配置TIM1_SMCR寄存器，使計(jì)數(shù)器同時(shí)在TI1，TI2邊沿計(jì)數(shù)。根據(jù)兩個(gè)輸入信號(hào)的跳變順序，產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖和方向信號(hào)。在計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，根據(jù)方向，對(duì)數(shù)值進(jìn)行累計(jì)，可實(shí)現(xiàn)很大的量程。同時(shí)可以通過STM8S的一個(gè)引腳與STM32相連，通過中斷信號(hào)，對(duì)編碼器計(jì)數(shù)進(jìn)行清零。
在本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了3路的編碼器信號(hào)采集電路。通過IIC總線與STM32相連。在此使用了20引腳的STM8S103，成本菲常低，同時(shí)也結(jié)構(gòu)簡單，是一種不錯(cuò)的選擇。

3 結(jié)論
本萬能材料試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)基本模塊的功能，完成了一種性價(jià)比高的解決方案。在采集系統(tǒng)的核心采用混合式的鎖相放大器來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)運(yùn)用數(shù)字處理，在速度和精度上得到了保證。并且，該方案對(duì)處理器行性能要求不高，從而用STM32處理器實(shí)現(xiàn)了鎖相放大器的低成本應(yīng)用。