溫靜馨，李 龍

（沈陽化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

基于鎖相放大器的萬能試驗(yàn)機(jī)采集系統(tǒng)研制

溫靜馨，李 龍

（沈陽化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

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。

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)[1]。材料試驗(yàn)機(jī)作為一種精密測試儀器，對于材料科學(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，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。對于控制方式，有兩種模式。對于伺服電機(jī)，通過定時(shí)器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，對于液壓系統(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STM32連接。而對于手動控制實(shí)驗(yàn)的手操器，采用無線方式連接。

圖1 萬能試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the universal testing machine

2 高精度小信號采集模塊

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。對于如此小的信號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從背景噪聲中提取出來，是小信號采集的關(guān)鍵。在微弱信號檢測的各種技術(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，對檢測信號和參考信號進(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)符合與信號既同頻又同相的概率是很低的。鎖相放大器包括信號通道、參考通道、相關(guān)器等幾部分[2]。信號通道將伴有噪聲的輸入信號進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理，以濾除信號通帶以外的噪聲；參考信號提供與被測信號同頻，并有一定相位差的信號；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)過相敏檢波器會出現(xiàn)輸入信號與參考信號的差頻項(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只與被測信號振幅成正比。

圖2 鎖相放大器基本結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the lock-in amplifier

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)升級能力差等缺點(diǎn)，但是其速度相對較快。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，但是由于要進(jìn)行大量的運(yùn)算，速度相對較慢。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。

圖3 本系統(tǒng)鎖相放大器整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of the lock-in amplifier in this system

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)對參考信號進(jìn)行相位調(diào)整，避免移相調(diào)節(jié)誤差對測量精度的影響。信號通道由前置放大器、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。四級固定增益為1，10，100，1000?？筛鶕?jù)測量信號的范圍進(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。經(jīng)過預(yù)處理的待測信號和兩個(gè)正交的參考信號分別進(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[3]。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[4]。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，在對數(shù)字信號進(jìn)行處理時(shí)，采用數(shù)字多點(diǎn)平均的方法，減少因AD采樣帶來的噪音，提高采集系統(tǒng)的精度。在本系統(tǒng)中，設(shè)被測信號為：x（t）=S（t）+N（t）=Asin（ωt+φ）+N（t）。正弦參考信號與余弦參考信號分別為：r1（t）=Bsin（ωt）、r2（t）=Bcos（ωt）。 待測信號與兩參考信號的互相關(guān)函數(shù)分別為：

對于線性累加平均，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)算得到待測信號幅值。在每次信號開始的時(shí)候MCU0都要發(fā)送同步脈沖，保證累加的采樣值不會出現(xiàn)錯位。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)算待測信號的運(yùn)算，MCU1繼續(xù)進(jìn)行采樣的累加存儲。

試驗(yàn)中，使用力傳感器進(jìn)行測試，采樣頻率為500 Hz，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 （包括安裝在橫梁上和來自電機(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[6]。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[7]。

圖4 光電編碼器輸出信號Fig.4 Output signal of the optical encoder

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)，對編碼器輸出的信號進(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)?，F(xiàn)在，市場上也出現(xiàn)了不少專門完成編碼器信號處理的芯片，直接輸出數(shù)字信號，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讀取。近幾年剛剛推出的STM8、STM32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兩路信號可以看出，一個(gè)脈沖周期里面，兩路信號共發(fā)生了4次變化，如果能在兩信號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)生輸入抖動時(shí)，不會引起計(jì)數(shù)器加減變化，能有效抑制干擾。

圖5 編碼器計(jì)數(shù)過程Fig.5 Counting process of the encoder

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_CH1，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)輸入信號的跳變順序，產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖和方向信號。在計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，根據(jù)方向，對數(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，對編碼器計(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，成本非常低，同時(shí)也結(jié)構(gòu)簡單，是一種不錯的選擇。

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。

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Development of universal testing machine’s acquisition system based on lock-in amplifier

WEN Jing-xin，LI Long
（Department of Computer Science and Technology，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang110142，China）

Based on STM32 and STM8，an implement solution of the universal testing machine is presented.In order to improve the speed and accuracy of weak signal detection， using multi-processor designed with a hybrid lock-in amplifier， and using numerical multipoint average for further processing，it also has highly cost-effective.In the displacement signal acquisition，using STM8S achieve a low-coast design.Experiments shows that the system meet the requirements of universal testing machine in the speed and accuracy，and the overall cost-effective.

universal testing machine； lock-in amplifier； numerical multipoint average； optical encoder

TH871

A

1674－6236（2012）03-0112-03

2011-12-08 稿件編號：201112042

溫靜馨（1954—），男，遼寧沈陽人，副教授。研究方向：智能控制。