張海龍，馬鐵華*，謝 銳，劉雙紅

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051;2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051)

基于MCU和CPLD的微型動態(tài)應(yīng)力存儲測試系統(tǒng)

張海龍1，2，馬鐵華1，2*，謝 銳1，2，劉雙紅1，2

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051;2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051)

為了解決車輛履帶上的動態(tài)應(yīng)變壓力測試問題，設(shè)計了一套微型應(yīng)力存儲測試系統(tǒng)。對于應(yīng)變壓力傳感器采用電橋法測試應(yīng)力并應(yīng)用存儲測試技術(shù)設(shè)計了整套測試系統(tǒng)。使用單片機和CPLD作為系統(tǒng)的主控芯片完成系統(tǒng)的微功耗設(shè)計，并設(shè)計了模擬電路部分和數(shù)字電路部分。經(jīng)過沖擊梁實驗表明此測試系統(tǒng)和理論計算的誤差在7%以下，可以對車輛履帶上的應(yīng)力進行測量。

應(yīng)力;存儲測試;微功耗;沖擊粱

在現(xiàn)代軍事、農(nóng)業(yè)和建筑業(yè)等領(lǐng)域中，履帶車輛憑借其良好的性能發(fā)揮著十分重要的作用［1］。但是其工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常受到?jīng)_擊和振動，一些關(guān)重部件失效形式表現(xiàn)為疲勞斷裂［2］。主動輪為整車提供牽引力和制動力，承受隨機交變載荷，對其受力動態(tài)變化的過程的研究一直是業(yè)界的難點和熱點［3］。

1 應(yīng)變測試基本原理

應(yīng)力測試系統(tǒng)使用電阻應(yīng)變片來測量車輛運行中的動態(tài)應(yīng)變。構(gòu)件上的應(yīng)變片與測試系統(tǒng)中電阻組成電橋，構(gòu)件發(fā)生形變時，引起橋臂上應(yīng)變片阻值發(fā)生變化，根據(jù)胡克定律，通過測試出的構(gòu)件表面測點的應(yīng)變，求出測點的應(yīng)力［4］。

本設(shè)計的測量電路采用惠斯登電橋，將應(yīng)變片的阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號?；倦娐啡鐖D1所示。

圖1 惠斯登電橋測量原理

惠斯登電橋由4個電阻構(gòu)成4個橋臂，A端和C端介入電源U，B端和D端為輸出端。

對電路進行分析，可得出:

其平衡條件為R1·R4=R2·R3，當(dāng)電橋平衡時，橋路輸出電壓為零，電橋得到平衡。

2 存儲測試方法

單獨的單片機控制難以實現(xiàn)高速運行，而單獨采用CPLD控制功耗較大且邏輯復(fù)雜。在實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采樣和大容量數(shù)據(jù)存儲的功能，同時控制功耗和體積的前提下［5］。

本文設(shè)計的存儲測試方法采用單片機與CPLD共同控制的模式，使用兩片閃存交替工作組成數(shù)據(jù)存儲器。單片機控制測試系統(tǒng)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和發(fā)出對閃存進行寫入、讀取、擦除操作的命令，CPLD控制高速數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換完畢后數(shù)據(jù)的緩存。這樣的設(shè)計充分利用了單片機功耗低、邏輯簡單，CPLD速度高的優(yōu)點，提高了測試系統(tǒng)的功能性和穩(wěn)定性［6］。

2.1 隨機觸發(fā)測試技術(shù)

測試系統(tǒng)采用的隨機觸發(fā)采樣模式，隨機觸發(fā)采樣設(shè)計為8次隨機觸發(fā)，且將Flash的存儲區(qū)域等分為8個容量相等子存儲區(qū)域，每觸發(fā)一次，就存儲一個子存儲區(qū)域，具體隨機觸發(fā)采樣狀態(tài)如圖2所示。

圖2 隨機觸發(fā)采樣狀態(tài)圖

多路待測信號輸入到測試系統(tǒng)的輸入信號端，應(yīng)力測試系統(tǒng)由休眠態(tài)進入待觸發(fā)態(tài)，等待觸發(fā)信號的到來。系統(tǒng)進入待觸發(fā)態(tài)后，每收到一個觸發(fā)信號，測試系統(tǒng)的AD根據(jù)設(shè)計的采樣頻率進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將每次轉(zhuǎn)換的數(shù)字量寫入存儲器并保存，當(dāng)子存儲空間存儲滿后，輸出第一次觸發(fā)采樣完畢信號TOFF1。當(dāng)系統(tǒng)查詢到TOFF1信號為1時，停止采樣，等待下一次觸發(fā)信號的到來。以此類推，直到第8次觸發(fā)的子存儲空間滿后，輸出第8次觸發(fā)采樣完畢信號TOFF8。當(dāng)系統(tǒng)查詢到TOFF8信號為1時，停止采樣，此時隨機觸發(fā)采樣過程全部完畢，應(yīng)變測試系統(tǒng)進入待讀狀態(tài)。

2.2 大容量存儲測試技術(shù)

存儲芯片采用兩片三星公司生產(chǎn)的NAND型閃存存儲器K9F4G08OM，單片容量為512MB。NADA結(jié)構(gòu)閃存的特點是:以頁為單位進行讀和編程操作，以塊為單位進行擦除操作［7］，對一頁(2 kbyte)數(shù)據(jù)編程進入非易失介質(zhì)的典型時間為200μs，擦除一塊(128 kbyte)的時間為1.5 ms。數(shù)據(jù)、地址、命令采用同一總線，芯片使用引腳少。

由于閃存存在較長的頁編程時間，編程時無法對其進行操作，為了在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換情況下不丟失數(shù)據(jù)，并進一步提高存儲容量，采用兩片閃存芯片交替工作組成數(shù)據(jù)存儲器，總存儲容量擴大為1 Gbyte。

2.3 多通道測試技術(shù)

測試系統(tǒng)需要4通道同時采集，模擬量進行1～4通道的切換，采用4通道模擬開關(guān)MAX4634，4路模擬信號每路采樣頻率為25 kHz，AD的采樣頻率為100 kHz，對應(yīng)每個周期的時間為10μs。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本測試系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:應(yīng)變片，信號調(diào)理電路，電源管理電路，AD轉(zhuǎn)換器與存儲電路，控制電路，通信設(shè)備和計算機等。測試系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)原理框圖

3.1 電橋調(diào)平電路

在實際測量中，引線電阻不平衡、應(yīng)變計阻值誤差以及實驗環(huán)境中溫度的變化等因素都會引起橋路微小的失衡，這些會造成橋路不平衡的因素會使應(yīng)變測試電路在沒有應(yīng)變輸入時對應(yīng)的輸出量遠遠偏離零位，放大器本身又有零漂，這使得系統(tǒng)無法正常測試。因此，在模擬電路中設(shè)計了電橋調(diào)節(jié)平衡這一環(huán)節(jié)。

本系統(tǒng)中電橋調(diào)節(jié)芯片選用標(biāo)稱值為10 kΩ的X9C103數(shù)字電位器。X9C103內(nèi)部的數(shù)據(jù)電路通過開關(guān)控制中間節(jié)點在電阻網(wǎng)絡(luò)中的連接位置來改變電阻值，測試系統(tǒng)通過單片機對其輸入端口INC、U/D的值來控制電位器的移動和移動的方向。

3.2 信號調(diào)理電路

應(yīng)變片產(chǎn)生的電壓差將由INA128儀表放大器進行放大，放大倍數(shù)計算公式為:G=1+(50 kΩ/RG)。

對經(jīng)儀表放大器放大后的被測信號進行濾波處理。系統(tǒng)采用性能高、功耗低運放OPA4340進行低通濾波電路設(shè)計。如圖所示，圖4為濾波器電路圖。

圖4 OPA2340二階低通濾波器

3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

測試系統(tǒng)選用了高速、低功耗、逐次逼近的12 bit AD轉(zhuǎn)換器AD7492.它可在2.7 V～5.25 V的電壓下工作，其數(shù)據(jù)通過率高達1 Msample/s。它內(nèi)含一個低噪聲、寬頻帶的跟蹤/保持放大器，它可以處理高達10 MHz的寬頻信號。編程設(shè)置它的采樣頻率為500 kHz。使用CPLD對外部晶振分頻后的信號作為AD轉(zhuǎn)換的時鐘，這樣得到的信號穩(wěn)定且占用芯片資源少。

3.4 接口電路設(shè)計

測試系統(tǒng)讀數(shù)設(shè)計為高速讀數(shù)。采用并行轉(zhuǎn)USB的方式將測試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)并行輸出到上位機中，速度快且數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。

設(shè)計UART0口的 P3.4和 P3.5與上位機的TXD、RXD連接，實現(xiàn)測試系統(tǒng)與上位機讀數(shù)中斷信號的傳輸。高速讀數(shù)時將數(shù)據(jù)口、控制端與上位機的端口一一對應(yīng)連接，完成數(shù)據(jù)的并行輸出。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 單片機軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)選用AVR系列單片機ATmega8515，利用匯編語言編寫。測試系統(tǒng)軟件方案設(shè)計主要由控制模塊對各部分模塊的控制程序組成，其中包括對信號調(diào)理模塊的控制，應(yīng)變信號的采集時序，對Flash的各項操作及電源管理設(shè)計等。由于測試需求，還設(shè)計了軟件的低功耗模式和中斷機制。

系統(tǒng)程序總體構(gòu)架如圖5所示。測試系統(tǒng)上電后先進行系統(tǒng)初始化，初始化完畢后系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài)，在極功耗下等待中斷信號的到來。中斷信號發(fā)生后，系統(tǒng)將響應(yīng)中斷信號，退出低功耗狀態(tài)，進入相應(yīng)中斷，發(fā)生相應(yīng)中斷的操作。系統(tǒng)一共設(shè)置了3個中斷，中斷1是寫中斷，中斷2是讀中斷，中斷3是擦除中斷。

圖5 單片機程序總體構(gòu)架

4.2 CPLD軟件設(shè)計

CPLD采用XLINX系列芯片XCR3128，CPLD控制高速數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換完畢后數(shù)據(jù)的緩存。AD輸出為12 bit，閃存的數(shù)據(jù)線為8 bit，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)先進入CPLD轉(zhuǎn)化為2組8 bit數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)位數(shù)匹配

對A片發(fā)出命令后，A片進行編程時對B片寫入數(shù)據(jù)，反之相同，這樣提高了測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，滿足了測試要求。

圖6 CPLD的狀態(tài)關(guān)系

4.3 上位機軟件的設(shè)計

上位機采用VB語言進行編程，利用測試系統(tǒng)要求，設(shè)計了內(nèi)部1 024 Mbit數(shù)據(jù)的讀取程序。讀數(shù)時顯示界面如圖7所示。

圖7 讀數(shù)時顯示界面

點擊圖中裝置讀數(shù)，顯示讀數(shù)窗口，由讀數(shù)要求靈活選擇讀數(shù)長度，選擇讀數(shù)范圍為1～1 024。設(shè)置界面其他參數(shù)按照需要填寫。點擊開始讀數(shù)時，系統(tǒng)將對所選讀數(shù)長度內(nèi)芯片的數(shù)據(jù)進行讀數(shù)。

5 實驗測試及結(jié)果

測試裝置采用JZT-5型多功能電子式力學(xué)綜合實驗臺的沖擊梁裝置，沖擊梁裝置配置質(zhì)量塊，使質(zhì)量塊自由下落，產(chǎn)生沖擊力［8］，把應(yīng)變片貼在沖擊粱上A點處，通過測試系統(tǒng)，測試出瞬態(tài)動應(yīng)變，求出其瞬態(tài)動應(yīng)力。

根據(jù)能量守恒定律計算相應(yīng)載荷動荷系數(shù)，將結(jié)構(gòu)在可類比靜載荷作用下的最大應(yīng)力乘以動荷系數(shù)，得到結(jié)構(gòu)中的最大沖擊應(yīng)力。

圖8 沖擊桿

實驗參數(shù)為:應(yīng)變片電阻R=120，沖擊質(zhì)量塊的質(zhì)量M=200 g，等強度梁的長度L=300 mm，寬度h=15 mm，厚度b=4 mm，應(yīng)變片距固定點的距離d=100 mm，支座距固定點的距離l=250 mm，彈性模量E=200 GPa，計算結(jié)果如表1所示。

表1 計算結(jié)果

測試系統(tǒng)的實際測量值和理論計算值的誤差結(jié)果如表2所示。

表2 實際測量值和理論計算值的誤差結(jié)果

6 結(jié)論

本文完成了對動態(tài)應(yīng)力測試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，對測試系統(tǒng)進行實驗和誤差分析，驗證了其合理性。與傳統(tǒng)測試系統(tǒng)相比，動態(tài)應(yīng)力測試系統(tǒng)具有體積小，功耗低，穩(wěn)定性高，抗干擾性強的優(yōu)點，可實時完成對履帶車輛主動輪的應(yīng)力測試，特別適宜于惡劣環(huán)境下試驗場合。

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M icro Dynam ic Stress Storage Measurement System Based on MCU and CPLD

ZHANG Hailong1，2，MA Tiehua1，2*，XIE Rui1，2，LIU Shuanghong1，2
(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China)

A stress storagemicrosystem is introduced to slove the problem of Vehicle Track dynamic stressmeasurement.The bridgemethod is used to test stress signal collected by a strain type pressure transducer and storage testing technology is designed in thismeasurement system.With low loss MCU and CPLD asmain chips low-power of the control system is realized.Analog circuit and digital circuits are designed，The cantilever-beam impact experiment show that experimental results differ，from theoritical calculation by less than 7%.So，this system can be adopted in stressmeasurements of Vehicle track.

stress;memory test;micropower;shock beam

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.029

TM 93 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0123-04

2013-05-21修改日期:2013-06-14

EEACC:7320G

馬鐵華(1964-)男，教授，博士生導(dǎo)師。1996年獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位1999年北京理工大學(xué)博士后出站。2002年美國路易斯安那州立大學(xué)高級訪問學(xué)者。現(xiàn)任中北大學(xué)信息與通信學(xué)院科研副院長、電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室副主任。

張海龍(1988-)，男，山西臨汾人，中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向動態(tài)測試，85468214 @qq.com;