一種基于PS081的無(wú)線應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

鄧 霏，胡 馳，管明楊

（中國(guó)工程物理研究院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

一種基于PS081的無(wú)線應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

鄧 霏，胡 馳，管明楊

（中國(guó)工程物理研究院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

針對(duì)傳統(tǒng)的基于ADC的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)具有高功耗、精度低、抗干擾性差、成本高等缺點(diǎn)的情況，設(shè)計(jì)一種基于TDC（時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換）芯片PS081的無(wú)線應(yīng)變測(cè)量方案，只需要一顆PS081芯片即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。文章詳細(xì)描述了測(cè)量電路的基本原理和具體實(shí)現(xiàn)方法，并與ADC應(yīng)變采集方案進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比表明：該方案具有低功耗、高精度、寬測(cè)量范圍、不需調(diào)零、抗干擾性好、體積小等特點(diǎn)。

TDC；無(wú)線應(yīng)變測(cè)量；ARM；PS081

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外測(cè)量應(yīng)變基本是通過(guò)應(yīng)變片組成惠斯通電橋[1-3]，將應(yīng)變的電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后對(duì)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、調(diào)零，最后通過(guò)AD芯片對(duì)調(diào)理后的電壓信號(hào)進(jìn)行采集。而信號(hào)的放大，一般要經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大，才能被AD芯片采集。這種方法在信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)放大微小的應(yīng)變信號(hào)時(shí)，也會(huì)放大外部干擾，且測(cè)量本身對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高，測(cè)量的精度甚至準(zhǔn)確性會(huì)因?yàn)檫@個(gè)微小信號(hào)放大環(huán)節(jié)產(chǎn)生比較大的影響。再者，這種傳統(tǒng)的測(cè)量方法還需要調(diào)零電路、濾波電路、基準(zhǔn)源電路等，這樣導(dǎo)致了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的高成本和高功耗，整個(gè)采集電路的體積也會(huì)比較大，不太適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用[4-5]。

為此，本文采用TDC芯片PS081來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的應(yīng)變測(cè)試方法，該方法只需要一片PS081芯片就可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

1 PS081 的特性與測(cè)量原理

1.1 主要特性

PS081是一款適合超低功耗以及高精度應(yīng)用的片上系統(tǒng)方案，此芯片是專門(mén)為金屬應(yīng)變的測(cè)量和其他力學(xué)測(cè)量的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的[6]。PS081同時(shí)還集成了一顆28位的轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)24位的內(nèi)部處理器。另外芯片還集成了LCD驅(qū)動(dòng)，帶有很多強(qiáng)大指令和函數(shù)的3 K ROM，以及可以無(wú)限次編程的2 K EEPROM，內(nèi)部還帶有10 kHz的晶振給芯片提供時(shí)鐘源，僅需很少的一些外部原件就可以建立起完整的應(yīng)變測(cè)量電路。芯片的輸出頻率可以通過(guò)編程在1～1000Hz范圍內(nèi)調(diào)整。PS081具有獨(dú)立的溫度測(cè)量端口、寄生電容補(bǔ)償電路和SPI通信端口，并可以軟件校正傳感器的溫度增益和零點(diǎn)偏移。根據(jù)配置的不同電流消耗大約在0.05～0.4mA不等。

1.2 測(cè)量原理

基于PS081的TDC應(yīng)變的測(cè)量本身是通過(guò)測(cè)量放電時(shí)間來(lái)間接測(cè)量的。

如圖1所示，放電時(shí)間是測(cè)量應(yīng)變電阻通過(guò)一個(gè)放電電容Cload放電來(lái)獲得。正向變化和反向變化的應(yīng)變電阻放電時(shí)間都會(huì)進(jìn)行測(cè)量。如圖2所示，兩個(gè)放電時(shí)間的比值則反映應(yīng)變電阻的變化信息。時(shí)間測(cè)量由高準(zhǔn)確度內(nèi)部時(shí)間單元完成，其測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)15 ps（通過(guò)平均可以達(dá)到0.5 ps）。測(cè)量開(kāi)始，PS081先對(duì)負(fù)載電容Cload充電，充電完成后，負(fù)載電容Cload分別通過(guò)兩個(gè)應(yīng)變電阻放電；通過(guò)PS081高準(zhǔn)確度內(nèi)部時(shí)間單元，可以準(zhǔn)確測(cè)量出兩次發(fā)電時(shí)間差dt。通過(guò)PS081的內(nèi)部計(jì)算，可以算出應(yīng)變電阻阻值的變化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖1 PS081充放電示意圖

圖2 PS081測(cè)量原理

圖3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

如圖3所示，MCU（STM32）通過(guò)SPI和PS081通信，并通過(guò)SPI配置PS081的各個(gè)寄存器，給PS081發(fā)送控制命令，從PS081的內(nèi)部RAM中讀出測(cè)量結(jié)果。

STM32從PS081的RAM中讀出測(cè)量結(jié)果后，數(shù)據(jù)通過(guò)兩種方式進(jìn)行處理：

1）直接存儲(chǔ)在系統(tǒng)的SD卡中。

2）通過(guò)高速無(wú)線傳輸設(shè)備NanoPAN 5375實(shí)時(shí)發(fā)送給送上位機(jī)，上位機(jī)同步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)。

2.2 PS081數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

PS081作為整個(gè)系統(tǒng)的模擬前端，其元器件的選擇，元器件的合理布局和走線，PS081寄存器的合理設(shè)置是保證整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度測(cè)量的關(guān)鍵。

由于PS081是通過(guò)測(cè)量放電時(shí)間來(lái)測(cè)量應(yīng)變的，因此，選擇低溫漂的COG電容能大幅度提高測(cè)量系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性和精度。使用外部比較器時(shí)，用低噪聲的PNP三極管如2N5087、CMKT5087、BC859可以進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

下面具體敘述為達(dá)到最好的測(cè)量準(zhǔn)確度，如何根據(jù)應(yīng)變片的阻值來(lái)配置PS081的重要參數(shù)。

以350 Ω的電阻應(yīng)變片為例，其初始電阻值為R0=350Ω，配置情況如下：

1）通過(guò)配置寄存器single_conversion和stretch配置PS081為高精度連續(xù)測(cè)量模式。

2）放電電容的配置必須滿足t=0.7·R0·Cload≈100～150μs，所以設(shè)定放電電容為300～400nF。

3）充電時(shí)間必須足夠長(zhǎng)以保證Cload被充滿，充電時(shí)間一般為整個(gè)周期時(shí)間的30%。如果周期時(shí)間設(shè)置得太小（在放電時(shí)間的范圍內(nèi)或者更?。┚蜁?huì)出現(xiàn)溢出，周期時(shí)間在寄存器cyctime（13：4）中進(jìn)行設(shè)置。

4）在PS081中，通過(guò)內(nèi)部求平均的方法可以提高測(cè)量準(zhǔn)確度，可以通過(guò)設(shè)置寄存器2中AVRate的值設(shè)置求多少次采樣的平均值。通過(guò)求平均值，測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以提高所求平均數(shù)的均方根次倍。

5）因?yàn)楸容^器的主要作用是降低噪聲，所以就引入了延遲時(shí)間，而這個(gè)延遲時(shí)間是不能夠被忽略的。比較器的延遲時(shí)間受CUCOMP1和CSTOP的電容值影響。因?yàn)檫@些值可以改變，所以可通過(guò)寄存器Mult_PP[7：0]來(lái)調(diào)整修正程式。

2.3 MCU模塊

控制部分采用ST公司基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103T8系列超低功耗微控制器。它具有72MHz的主頻，64KB Flash，20KB SRAM。該處理器內(nèi)部還集成了6個(gè)16定時(shí)器、2個(gè)16位看門(mén)狗定時(shí)器、SPI接口、I2C接口、USART接口、USB2.0接口、CAN總線等?？刂颇K主要實(shí)現(xiàn)對(duì)PS081的配置、控制以及數(shù)據(jù)讀取，建立文件系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)存在SD卡中。通過(guò)SPI接口和NanoPAN 5375通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線實(shí)時(shí)上傳以及接收上位機(jī)的命令。

2.4 Nano數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊主要是接收下位機(jī)發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳輸給電腦。為了提高數(shù)據(jù)接收模塊的通用性，本文采用串口轉(zhuǎn)USB芯片CP2102，Nano收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)SPI發(fā)給接收模塊的MCU，MCU再通過(guò)串口發(fā)給CP2102，CP2102通過(guò)USB發(fā)送給電腦。CP2102的通信數(shù)據(jù)可以達(dá)到1Mb/s，可以滿足測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊骩7]。CP2102 USB轉(zhuǎn)串口電路如圖4所示。

3 PCB優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于測(cè)量的應(yīng)變信號(hào)非常微小，所以好的PCB布局、走線和元器件選擇對(duì)于獲得好的測(cè)量質(zhì)量至關(guān)重要。PS081本身必須放置在離PCB邊緣比較近的地方，因?yàn)闇y(cè)量端口一般會(huì)放置在邊緣，不能夠有任何線跨接在測(cè)量端口和PS081的連接線。給PS081提供時(shí)鐘基準(zhǔn)的4M陶瓷晶振要放置的距離PS081的20和21管腳盡量近，并用地層在PCB的各個(gè)層環(huán)繞這個(gè)晶振。VCC_LOAD、VCC_CORE的去耦電容要放置的和相應(yīng)的電源管腳盡量的近。放電電容Cload也要放置的PS081的load端口盡量近，LOAD線連接了應(yīng)變傳感器、LOAD管腳和Sense_In管腳，這根導(dǎo)線的走線非常重要，load線在任何層都不能跨接晶振線，PA081的SG測(cè)量端口以及PS081的SPI端口，最好在頂層和底層都用一個(gè)底層環(huán)繞load線。最后，做好在PCB的頂層和底層都覆上地層銅，并通過(guò)過(guò)孔在PCB的不同地方連接地層。通過(guò)合理的布局布線，采用雙層板也可以達(dá)到很好的測(cè)量準(zhǔn)確度。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 準(zhǔn)確度測(cè)試

準(zhǔn)確度測(cè)試是為了測(cè)試系統(tǒng)輸出的準(zhǔn)確度，首先，將一個(gè)10kg的力傳感器接入系統(tǒng)，然后分別用3個(gè)不同重量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼讓在力傳感器上，標(biāo)定出力傳感器系數(shù)為4375，將力傳感器和應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)組成一個(gè)稱重系統(tǒng)。然后用標(biāo)定出來(lái)的稱重系統(tǒng)來(lái)稱其余的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，測(cè)試結(jié)果如表1所示，通過(guò)測(cè)試表明，測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確定非常好。

4.2 測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試

圖4 CP2102 USB轉(zhuǎn)串口電路

表1 準(zhǔn)確度測(cè)試

表2 3種測(cè)量系統(tǒng)基本信息

準(zhǔn)確度測(cè)試的方法是在軌道交通實(shí)驗(yàn)室的鋼軌上貼一組應(yīng)變片，然后讓模擬試驗(yàn)車通過(guò)軌道，分別用德國(guó)IMC CS 5008動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)、基于AD公司AD8556的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)、基于PS081的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)分別采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)換算成δR/R進(jìn)行對(duì)比。3種測(cè)量系統(tǒng)基本信息見(jiàn)表2。

圖5 系統(tǒng)準(zhǔn)確度測(cè)試對(duì)比圖

系統(tǒng)準(zhǔn)確度測(cè)試對(duì)比圖見(jiàn)圖5，從圖上可以看出，模擬試驗(yàn)車通過(guò)軌道時(shí)會(huì)有4個(gè)高應(yīng)變值，分別是模擬試驗(yàn)車的前后兩個(gè)轉(zhuǎn)向架的4個(gè)輪對(duì)通過(guò)測(cè)試點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的。通過(guò)對(duì)比可以看出，本文的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度明顯優(yōu)于基于AD8556的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，基本達(dá)到了德國(guó)IMC動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際使用和測(cè)試結(jié)果表明，本應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度好，精度高，功耗低，抗干擾能強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠，而且整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的電路更加簡(jiǎn)單，成本更加低廉，因此，本測(cè)試系統(tǒng)具有良好的工程使用價(jià)值。

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Hardware design of PS081-based wireless strain measurement system

DENG Fei，HU Chi，GUAN Mingyang
（Institute of Computer Applications，China Academy of EngineeringPhysics，Mianyang 621900，China）

In order to solve the probelms of tranditional measurement system based on ADC，for examples，advantages of high-power，low-precision， big disturbance，High-cost，A wireless strain measurement system based on a TDC（Time to Digital Converter）chipPS081 was designed in this paper.The scheme only need to realize the conversion of strain signal to digital signal to aPS081 chip.The basic principles of the measuring circuit and specific implementation are described in details.A comparison was made between TDC and ADC strain measurement，and the result shows the system designed in this paper has the advantages of low-power，high-precision，wide measuring range，no zeroing，anti-interference and small size.

TDC；wireless strain measurement；ARM；PS081

A

：1674-5124（2015）05-0103-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.026

2014-08-19；

：2014-10-27

鄧 霏（1988-），男，四川綿陽(yáng)市人，工程師，研究方向?yàn)檐浖y(cè)試、智能儀器與傳感器。