工業(yè)級(jí)AM3354的應(yīng)變采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

游開春

(西南計(jì)算機(jī)有限責(zé)任公司 信息技術(shù)研究所，重慶 400060)

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工業(yè)級(jí)AM3354的應(yīng)變采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

游開春

(西南計(jì)算機(jī)有限責(zé)任公司 信息技術(shù)研究所，重慶 400060)

摘要:在橋梁安全監(jiān)測(cè)中常用微應(yīng)變來衡量形變大小，利用安裝在橋梁下面的應(yīng)變傳感器測(cè)量車輛經(jīng)過橋面引起的橋梁應(yīng)變。采用基于Cortex-A8內(nèi)核的AM3354工業(yè)級(jí)CPU，搭載Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一款具有12位A/D轉(zhuǎn)換精度、200倍放大倍數(shù)的應(yīng)變實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。通過等效應(yīng)變裝置來標(biāo)定系統(tǒng)的可靠性，并模擬實(shí)際場(chǎng)景。通過測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞:微應(yīng)變；A/D轉(zhuǎn)換；放大器；標(biāo)定測(cè)試

引言

橋梁在負(fù)荷狀態(tài)下會(huì)發(fā)生形變，為了確保橋梁應(yīng)變?cè)趯?shí)際承載能力范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)了應(yīng)變傳感器來測(cè)量橋梁的實(shí)際應(yīng)變。一般應(yīng)變傳感器原理是將應(yīng)變片置于惠斯登電橋的兩個(gè)或者4個(gè)橋臂上，組成半橋或者全橋應(yīng)變傳感器，當(dāng)傳感器受力時(shí)，其阻值會(huì)發(fā)生變化導(dǎo)致電橋不平衡，從而有差分電壓輸出，通過讀取這個(gè)差分電壓值來計(jì)算惠斯登電橋的受力情況，從而得出應(yīng)變值。然而由于輸出的差分電壓較小，一般為mV數(shù)量級(jí)，需要加一個(gè)放大器對(duì)電壓進(jìn)行放大，以便觀測(cè)。為此本文采用A/D精度為12位，最大采集電壓為1.8 V的AM3354處理器，并且設(shè)計(jì)輸出電壓放大倍數(shù)為200的放大器對(duì)橋梁應(yīng)變值進(jìn)行采集。該采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4路同步采集，每通道采樣率不小于5 ksps，并且?guī)в锌够鞛V波功能，可適用于低頻采樣。

1A/D驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

Cortex-A8處理器最多支持8路A/D同步采集，實(shí)際引出了7路，本文將編寫基于platform 總線、具有4路同步采集的A/D驅(qū)動(dòng)。在platform_driver中，I/O映射及申請(qǐng)資源需要在probe中實(shí)現(xiàn)，這些資源包括內(nèi)存資源和中斷資源。

struct resource *res = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 1);

int irq = platform_get_irq(pdev, 0);

申請(qǐng)資源成功后需要聲明內(nèi)存資源被占用：

res = request_mem_region(res->start,resource_size(res), pdev->name);

申請(qǐng)中斷、時(shí)鐘配置以及資源映射等也需要在此處實(shí)現(xiàn)：

request_irq(adc_dev->irq,adc_interrupt, IRQF_DISABLED,pdev->dev.driver->name, adc_dev);

其中，adc_dev結(jié)構(gòu)體定義如下：

structadc_st {

struct cdevadc;

intirq;

void_iomem*adc_base;

};

在adc_interrupt函數(shù)中通過操作FIFO1來讀取12位A/D轉(zhuǎn)換后的電壓值，通過STEP13-120對(duì)通道進(jìn)行配置，以實(shí)現(xiàn)4路同步采集，在adc_read函數(shù)中，數(shù)據(jù)通過以下函數(shù)拷貝到用戶空間，以便供應(yīng)用程序調(diào)用：

copy_to_user(buffer,(char*)&adc_data,sizeof(adc_data));

最后通過platform_driver_register注冊(cè)。

在platform_device中首先通過resource數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體來分配platform_driver所需要的內(nèi)存資源和中斷資源，然后通過platform_device_register來注冊(cè)。需要說明的是，platform_driver_register和platform_device_register匹配的前提是platform_driver結(jié)構(gòu)體和platform_device結(jié)構(gòu)體的成員名字保持一致。

為了系統(tǒng)使用方便，將A/D驅(qū)動(dòng)編譯進(jìn)內(nèi)核，驅(qū)動(dòng)配置的采樣率為200 ksps，并且實(shí)際使用路數(shù)可以通過調(diào)整板文件來設(shè)置，可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整為4、5、8路，修改板文件后只需重新燒寫內(nèi)核。

基于platform總線來編寫A/D驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)至少有兩個(gè)好處：第一，設(shè)備被掛載到一個(gè)總線上，符合Linux2.6的設(shè)備模型，其結(jié)果是配套的sysfs節(jié)點(diǎn)、設(shè)備電源管理都成為可能；第二，體現(xiàn)設(shè)備和驅(qū)動(dòng)分離的思想，platform_driver所需要的資源設(shè)備配置信息與具體驅(qū)動(dòng)分離，只需要通過API去獲得資源和數(shù)據(jù)，做到了開發(fā)板相關(guān)代碼與驅(qū)動(dòng)代碼分離，使得驅(qū)動(dòng)具有更好的可擴(kuò)展性、跨平臺(tái)性。

2放大電路設(shè)計(jì)

由于A/D采集精度只有12位，由工具式表面應(yīng)變傳感器的靈敏系數(shù)K≈2000(με/mV/V)可知，橋壓采用5 V電壓時(shí)，對(duì)于2 000微應(yīng)變輸出為5 mV，每個(gè)微應(yīng)變對(duì)應(yīng)2.5 μV輸出。對(duì)于精度為12位的A/D來說，分辨率為1.8 V/212=0.44 mV，因此放大器采用200倍放大，在精度上可以滿足要求。

4通道應(yīng)變片信號(hào)放大板，使用了具有4片低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性電源(電壓翻轉(zhuǎn)芯片實(shí)現(xiàn)雙電源供電)、低輸入偏置電流、低失調(diào)電壓漂移等指標(biāo)的運(yùn)算放大集成芯片OP07C，增加了信號(hào)的精準(zhǔn)度；而市面很多放大板為單電源供電，這無疑降低了放大器和A/D的性能。4通道放大板每個(gè)通道都有RC濾波器，可以選擇使用或者不使用RC濾波器。因?yàn)锳/D模塊的最大采集電壓為1.8 V，實(shí)際放大器還通過穩(wěn)壓二極管對(duì)放大后的輸出電壓進(jìn)行了限壓，以保護(hù)A/D模塊，各通道還采用電位器來實(shí)現(xiàn)調(diào)零以及放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，所以使用前需要先將放大器調(diào)零。實(shí)際放大電路板如圖1所示。

3橋壓標(biāo)定

應(yīng)變傳感器使用工具式表面應(yīng)變傳感器WDAS-YB100，此傳感器最大量程為5 000個(gè)微應(yīng)變，橋路阻值為350 Ω，靈敏系數(shù)為K≈2 000(με/mV/V)，由于實(shí)際使用中需要加上幾十m長線來模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，而放大模塊經(jīng)過穩(wěn)壓芯片后提供的4路輸出電壓是5 V，經(jīng)過導(dǎo)線衰減后小于5 V，本文做了一個(gè)線性補(bǔ)償，使用長度為87 m的4芯線的導(dǎo)線來觀測(cè)，實(shí)際測(cè)得每根芯線阻值為30 Ω。等效惠斯登電橋模型如圖2所示。

圖1　放大電路實(shí)物圖

圖2　等效惠斯登電橋模型

由于惠斯登電橋的阻值不會(huì)發(fā)生很大變化，可以認(rèn)為整體阻值大約為350 Ω，因此橋壓可以按照下式來計(jì)算：

而實(shí)際測(cè)得的電壓為4.623 V，誤差僅為0.4%，實(shí)際測(cè)量時(shí)候只需知道導(dǎo)線長度l，其電阻阻值可以由以下公式來計(jì)算：

橋壓可以由下式得出：

由上述兩個(gè)公式可以得出實(shí)際橋壓與線長的關(guān)系。

4標(biāo)定測(cè)試

為了使用方便，將Cortex-A8的內(nèi)核以及系統(tǒng)燒寫進(jìn)Flash，實(shí)際操作時(shí)只需要一根串口線和串口調(diào)試助手即可。

系統(tǒng)共分兩層，上層為放大模塊，下層為A/D采集模塊。最終實(shí)物如圖3所示。

圖3　應(yīng)變采集系統(tǒng)實(shí)物圖

實(shí)際測(cè)試用等效應(yīng)變?cè)磥順?biāo)定數(shù)據(jù)，橋臂電阻為120 Ω，共有100、300、1000、3 000幾個(gè)微應(yīng)變檔位。橋壓5 V情況下理論輸出電壓如表1所列。

表1　微應(yīng)變值與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在標(biāo)定過程中，對(duì)100、300、1000微應(yīng)變分別進(jìn)行測(cè)試，將每一路的放大器輸出接A/D采集模塊的輸入端，并啟動(dòng)A/D采集來觀測(cè)各個(gè)檔位時(shí)的輸出電壓。100微應(yīng)變時(shí)采集結(jié)果如圖4所示。

300、1000微應(yīng)變時(shí)采集結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖4　100微應(yīng)變A/D采集結(jié)果

圖5　300微應(yīng)變A/D采集結(jié)果

圖6　1000微應(yīng)變A/D　采集結(jié)果

通過上述數(shù)據(jù)與實(shí)際輸出數(shù)據(jù)的對(duì)比，3個(gè)檔位的微應(yīng)變采集誤差實(shí)際分別為：0.7%、0.4%、0.2%?？梢缘贸鼋Y(jié)論，此系統(tǒng)具有較高的可靠性。

在實(shí)際系統(tǒng)中，應(yīng)變采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中加入3個(gè)菜單：菜單1用來驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性；菜單2用來接實(shí)際全橋傳感器WDAS-YB100；菜單3根據(jù)導(dǎo)線長度情況對(duì)橋壓衰減做一個(gè)線性算法，根據(jù)實(shí)際計(jì)算的橋壓來計(jì)算微應(yīng)變值。

結(jié)語

參考文獻(xiàn)

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游開春(工程師)，主要從事計(jì)算機(jī)及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

英飛凌支持三星Gear S2智能手表實(shí)現(xiàn)安全的NFC支付

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Design of Industrial-grade AM3354 Strain Acquisition System

You Kaichun

(Institute of Information Technology,Southwest Computer co.,Ltd.,Chongqing 400060,China)

Abstract：In the bridge safety monitoring,the micro-strain is often used to measure the deformation,which is measured by the strain sensors installed under the bridge.In the paper,a strain real-time acquisition system with 12bit A/D conversion accuracy and 200 times magnification is designed,which is based on AM3354 industrial-grade CPU and Linux operating system.The reliability of the system is calibrated by the equivalent strain device and the actual scene is simulated.The experiment results show that the system is reliable.

Key words:micro-strain;A/D conversion;amplifier;calibration test

收稿日期：(責(zé)任編輯：薛士然2015-08-06)

中圖分類號(hào):TP271

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A