蒲忱　余東淼

摘 要：基于應(yīng)變的測(cè)量需求越來(lái)越多，本文針對(duì)傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的各種弊端，設(shè)計(jì)了基于TDC的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。本文利用基于TDC技術(shù)（時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器）的PS021芯片來(lái)設(shè)計(jì)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)傳輸方面，對(duì)比了常用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，最終采用基于微功射頻技術(shù)的NanoPAN5375來(lái)搭建無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變測(cè)量；TDC；PS021；Nano

Abstract：The requirement of measurement based on strain are more and more，in this paper，aim to the disadvantage of the traditional strain measurement system，design the measurement system based on TDC.This paper use PS021 which based on TDC technology to design the measurement system of strain.In terms of data transmission，compare the common technology of data transmission，at last，use the NanoPAN5375 which based on micro-power RF technology to set up the system of data transmission.

Key words：train measurement；TDC；PS021；Nano

應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量被廣泛用于多個(gè)行業(yè)內(nèi)，常常作為建筑、石油、水利水電、橋梁、鐵路、機(jī)械等行業(yè)的一項(xiàng)基本測(cè)量?jī)?nèi)容。如果將應(yīng)變片貼在各類(lèi)彈性敏感元件上面，便可構(gòu)成測(cè)量力、位移、加速度、壓力等各類(lèi)參數(shù)的壓變式傳感器。因此，一直以來(lái)應(yīng)變測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)都是一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。

尤其是在水利水電行業(yè)，應(yīng)變測(cè)量對(duì)大壩的安全監(jiān)測(cè)起著舉足輕重的作用。基于應(yīng)變的大壩安全監(jiān)測(cè)可以追溯到20世紀(jì)30年代[1]。

傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，主要是通過(guò)AD轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)，這需要對(duì)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行很多步驟的預(yù)處理，包括：平移、放大、濾波等。而實(shí)際應(yīng)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的制約以及人們對(duì)數(shù)據(jù)精度的要求日益提高，傳統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換已經(jīng)不能滿(mǎn)足應(yīng)變測(cè)量的要求。

同時(shí)，現(xiàn)有的應(yīng)變采集系統(tǒng)往往是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)將應(yīng)變片組成的壓變式傳感器和采集系統(tǒng)連接，將傳感器的信號(hào)先送往采集器，然后再進(jìn)行統(tǒng)一的處理。在現(xiàn)實(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，這種方案需要很多導(dǎo)線(xiàn)，則需要很長(zhǎng)的時(shí)間準(zhǔn)備。而且較長(zhǎng)的線(xiàn)路也會(huì)影響測(cè)量的精度。同時(shí)，通道數(shù)固定，所以可擴(kuò)展性很差。

為此，必須結(jié)合目前最前沿的科技，對(duì)現(xiàn)有的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，才能滿(mǎn)足高精度、高效率的測(cè)量。

1 常用應(yīng)變測(cè)量方案介紹

隨著科技的進(jìn)步和人們對(duì)應(yīng)變測(cè)量更加的重視，現(xiàn)有的應(yīng)變測(cè)量方法主要有下面幾種：基于ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）的應(yīng)變測(cè)量、基于光纖的應(yīng)變測(cè)量、基于視頻圖像的應(yīng)變測(cè)量、基于TDC（時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換）的應(yīng)變測(cè)量[2]。

基于模數(shù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)變測(cè)量方法是現(xiàn)階段最為常用的測(cè)量方法。該方案由應(yīng)變片組成一個(gè)電橋，通過(guò)精密的激勵(lì)源對(duì)此電橋產(chǎn)生激勵(lì)，然后對(duì)電橋的輸出進(jìn)行平移、放大、濾波等模擬信號(hào)處理。最后將經(jīng)過(guò)調(diào)理的信號(hào)輸入AD轉(zhuǎn)換器，由此得到應(yīng)變信號(hào)。此類(lèi)方法作為一種常用的應(yīng)變采集技術(shù)，成本低廉，技術(shù)成熟。但是該方案需要很多的附加電路，因此功耗很大，設(shè)備體積較大。而且，該方案較易導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度和電磁干擾等影響。

基于光纖的測(cè)量方法是基于光纖應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其主要原理是，把光纖應(yīng)變片兩端貼在被測(cè)物表面，但應(yīng)變片的中間是懸空、凸起的。如此，當(dāng)被測(cè)物發(fā)生形變時(shí)，應(yīng)變片的兩端就會(huì)有相對(duì)位移，進(jìn)而光纖輸出功率就會(huì)發(fā)生變化。于是，測(cè)出光纖的輸出功率，結(jié)合先前標(biāo)定數(shù)據(jù)，便可以測(cè)算出被測(cè)物應(yīng)變?；诠饫w的應(yīng)變測(cè)量方案有不受溫度、濕度等因素影響，不受電磁干擾等特點(diǎn)。但其價(jià)格昂貴，同時(shí)光纖應(yīng)變片不能承受較大的振動(dòng)。由此，該方案主要應(yīng)用于大型的結(jié)構(gòu)，如橋梁的應(yīng)變長(zhǎng)期檢測(cè)。

基于視頻圖像的應(yīng)變測(cè)量方案主要是應(yīng)用圖像處理技術(shù)對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。其原理是，在被測(cè)物的表面做兩處標(biāo)記，然后用攝像頭對(duì)標(biāo)記進(jìn)行拍照或者攝像。隨后對(duì)得到的圖像進(jìn)行處理，計(jì)算出兩個(gè)標(biāo)記之間的相對(duì)位置變化，因而測(cè)算出被測(cè)物應(yīng)變。該方案主要用于傳感器布置不方便，被測(cè)物變形方向明確的情況下。

基于時(shí)間數(shù)字的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的核心單元是TDC。TDC是近些年發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，它應(yīng)用高速CMOS數(shù)字電路結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)非常高精度的時(shí)間測(cè)量。TDC的內(nèi)部核心利用信號(hào)通過(guò)邏輯門(mén)的時(shí)間延遲來(lái)量化時(shí)間間隔，也就是說(shuō)它計(jì)算在一定時(shí)間間隔內(nèi)通過(guò)的反相器個(gè)數(shù)。TDC對(duì)傳感器電容的充放電時(shí)間進(jìn)行高精度測(cè)量，進(jìn)而達(dá)到對(duì)應(yīng)變片信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的目的。TDC測(cè)量具有電路系統(tǒng)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

2 基于TDC的PS021介紹

目前比較常用的TDC芯片為德國(guó)ACAM公司的PS021。PS021作為一款數(shù)字化測(cè)量芯片，具有絕大多數(shù)傳統(tǒng)ADC芯片所不具備的優(yōu)點(diǎn)[3]。PS021所具備的優(yōu)點(diǎn)如下：

⑴PS021內(nèi)部設(shè)有很多寄存器，可以對(duì)寄存器進(jìn)行軟件編程，以改變PS021的工作模式，達(dá)到應(yīng)對(duì)不同測(cè)量方案的目的；

⑵PS021內(nèi)部可以進(jìn)行穩(wěn)定零點(diǎn)漂移的補(bǔ)償，而不需要使用傳統(tǒng)的電壓偏移方法來(lái)調(diào)整測(cè)量電橋的零點(diǎn)；

⑶PS021具有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的ADC芯片無(wú)法企及的。即便是把應(yīng)變傳感器包好在內(nèi)，其最低消耗電流能達(dá)到15uA。

PS021應(yīng)變電阻數(shù)字式放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示：

由圖1可知，PS021主要由時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，排序單元，數(shù)字信號(hào)處理單元，寫(xiě)寄存器，讀寄存器，SPI數(shù)字接口，溫度測(cè)量單元及時(shí)鐘控制單元等主要部分組成。

PS021對(duì)應(yīng)變電阻的變化測(cè)量，主要是對(duì)放電電容Cload的放電時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。如圖2所示，被測(cè)的應(yīng)變片與電容Cload組成了一個(gè)低通RC濾波器。測(cè)量一開(kāi)始是，Cload先充電到Vcap，然后再通過(guò)電橋的應(yīng)變電阻放電，當(dāng)放電到Vtrig時(shí)，放電時(shí)間就會(huì)被TDC時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器獲得。

3 PS021采集系統(tǒng)的搭建

測(cè)量系統(tǒng)需要一個(gè)控制系統(tǒng)對(duì)PS021進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)主要包括以下功能：接收上位機(jī)的命令，并進(jìn)行響應(yīng)，將命令傳輸給PS021；同時(shí)，接收PS021采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，然后發(fā)送給無(wú)線(xiàn)傳輸模塊nano。

由圖3[3]和圖4可知，PS021的讀和寫(xiě)都只需要SPI接口?？刂葡到y(tǒng)可以通過(guò)SPI向PS021寫(xiě)入地址、操作碼、寄存器值等信息，同時(shí)控制系統(tǒng)也可以通過(guò)SPI從PS021中讀取到測(cè)量數(shù)據(jù)。

目前市面上可選擇的可編程控制器有很多，如DSP，單片機(jī)，F(xiàn)PGA，ARM等?？紤]到系統(tǒng)的特殊情況，如系統(tǒng)體積小，功耗小，接口多，價(jià)格便宜等原因，最后選擇32位的ARM——STM32。

STM32具有：極低的功耗；極大程度的集成整合；具有豐富的接口，如SPI總線(xiàn)，SDIO接口，在滿(mǎn)足系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，具有可擴(kuò)展性；同時(shí)，STM32可以選擇固件庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，不需要接觸底層的寄存器，這樣可以縮短開(kāi)發(fā)周期。

STM32按圖5所示流程對(duì)PS021進(jìn)行初始化。

4 無(wú)線(xiàn)傳輸方案設(shè)計(jì)

除了數(shù)據(jù)采集是否準(zhǔn)確與高效，無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)是否可靠和實(shí)時(shí)是評(píng)判無(wú)線(xiàn)無(wú)線(xiàn)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的另一標(biāo)尺。21世紀(jì)以來(lái)，數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，無(wú)論是傳輸?shù)姆€(wěn)定性，還是傳輸速度，以及傳輸距離都得到了極大的提升。

目前常用的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)有射頻，藍(lán)牙，WIFI，紅外等幾種。無(wú)線(xiàn)傳輸方案的選擇，主要從靈敏度、頻率響應(yīng)和可靠性等方面進(jìn)行考慮。如表1所示，把幾種常用的無(wú)線(xiàn)傳輸方式進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比，如此一來(lái)，我們可以選擇適合的無(wú)線(xiàn)傳輸方案。

由表1可知，微功率射頻與其他幾種方案相比，具有高速、遠(yuǎn)距離和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。因此，選擇微功率射頻技術(shù)為該方案的無(wú)線(xiàn)傳輸方案。經(jīng)過(guò)仔細(xì)的比較和篩選，最終選擇NanoPAN5357（簡(jiǎn)稱(chēng)Nano）無(wú)線(xiàn)高速傳輸模塊為該方案的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。

Nano分為無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊和無(wú)線(xiàn)接收模塊。無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊通過(guò)SPI接口和控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；無(wú)線(xiàn)接收模塊通過(guò)USB接口和PC進(jìn)行連接。

5 檢測(cè)系統(tǒng)集成與應(yīng)用

按照?qǐng)D6所示，搭建整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)。控制系統(tǒng)STM32作為檢測(cè)系統(tǒng)的核心部分，對(duì)采集模塊進(jìn)行配置，同時(shí)接收采集模塊發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)；同時(shí)，STM32通過(guò)SPI總線(xiàn)將處理過(guò)的采集數(shù)據(jù)發(fā)送給Nano發(fā)送模塊。Nano的接收端接收到發(fā)送端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)USB接口發(fā)送給PC端。由PC端對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

6 總結(jié)

本文對(duì)現(xiàn)有的應(yīng)變采集方案進(jìn)行了討論，最終選擇了基于TDC技術(shù)的PS021芯片來(lái)搭建應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)比常用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，結(jié)合應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)的具體需求，選擇了NanoPAN5357模塊來(lái)建立無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。通過(guò)微控制器STM32來(lái)結(jié)合應(yīng)變采集模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊。對(duì)無(wú)線(xiàn)應(yīng)變采集系統(tǒng)提供了一個(gè)完整的方案，具有可行性。

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