王金全， 王小鵬， 于 揮

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

基于STM32的高精度扭矩測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王金全， 王小鵬， 于 揮

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為提高測(cè)控應(yīng)用中扭矩測(cè)量精度，提出了一種基于STM32的高精度扭矩測(cè)量設(shè)計(jì)方案。首先，扭矩傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后，送入內(nèi)置PGA的24位高精度Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器ADS1255。然后，主控制器STM32通過(guò)SPI讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過(guò)移動(dòng)加權(quán)平均濾波算法消除隨機(jī)干擾噪聲，進(jìn)而計(jì)算扭矩值，將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在外部FLASH并送LCD實(shí)時(shí)顯示?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)精度達(dá)到0.6 %F.S.。

扭矩測(cè)量； STM32； A/D轉(zhuǎn)換； 移動(dòng)加權(quán)平均濾波

0 引 言

扭矩是測(cè)控應(yīng)用中常要采集的一類數(shù)據(jù)，扭矩測(cè)量對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)控制、工作零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)壽命及安全性等都具有重要意義，提高扭矩測(cè)量的精度、可靠性和響應(yīng)速度至關(guān)重要。

扭矩的測(cè)量可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)外研制的扭矩傳感器主要有應(yīng)變式扭矩傳感器、光式扭矩傳感器[1～3]及磁式扭矩傳感器[4～6]。光式扭矩傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電氣絕緣性能好，缺點(diǎn)是調(diào)試?yán)щy，價(jià)格貴，易受環(huán)境因素干擾，性能難以發(fā)揮。磁式扭矩傳感器屬于非接觸式傳感器，壽命長(zhǎng)、延時(shí)短，缺點(diǎn)是受溫度和外界電磁干擾影響較大，精度低。應(yīng)變式扭矩傳感器具有測(cè)量精度高、成本低、響應(yīng)速度快、溫度補(bǔ)償性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，且適用于靜態(tài)和低速扭矩測(cè)量。扭矩傳感器輸出信號(hào)非常微弱(mV/V范圍)，易受工業(yè)環(huán)境干擾、傳輸誤差以及信號(hào)檢測(cè)方法等因素影響，導(dǎo)致現(xiàn)有的扭矩測(cè)量系統(tǒng)精度遠(yuǎn)低于傳感器的精度。

本文采用基于應(yīng)變測(cè)量原理的直流供電靜態(tài)扭矩傳感器，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的高精度扭矩實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)量精度顯著提高，滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)扭矩精度的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由靜態(tài)扭矩傳感器內(nèi)部應(yīng)變測(cè)量電橋測(cè)得與扭矩大小呈正比的微弱電壓信號(hào)，為保證測(cè)量結(jié)果的精度指標(biāo)，只有采用高靈敏度、高精度的采集系統(tǒng)才能滿足要求。系統(tǒng)硬件電路框圖如圖1所示，傳感器輸出的模擬差分信號(hào)通過(guò)低通濾波后送入ADS1255的信號(hào)輸入引腳，ADS1255通過(guò)SPI與主控制器連接。系統(tǒng)工作時(shí)，主控制器按照設(shè)定好的頻率啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并進(jìn)行加權(quán)移動(dòng)平均濾波，進(jìn)而計(jì)算得到扭矩值，并將計(jì)算結(jié)果送LCD實(shí)時(shí)顯示。為實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量數(shù)據(jù)和報(bào)警信息的查詢，系統(tǒng)通過(guò)FSMC總線擴(kuò)展Flash模塊用于存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果和報(bào)警信息，并引出標(biāo)準(zhǔn)輸出接口供外部讀取。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制電路

測(cè)控應(yīng)用要求處理速度快、效率高、較少的膠合邏輯，且易于實(shí)現(xiàn)。因此，系統(tǒng)主控制器采用32位ARM Cortex-M3內(nèi)核的低功耗微控制器STM32F103ZET6，工作頻率高達(dá)72 MHz，滿足實(shí)時(shí)性要求。該芯片外設(shè)資源豐富，方便外圍模塊連接。STM32通過(guò)外部中斷讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、扭矩計(jì)算、顯示、報(bào)警以及存儲(chǔ)查詢功能。

2.2 AD采集電路

為提高測(cè)量精度，選用24位高精密A/D轉(zhuǎn)換器ADS1255,其內(nèi)置PGA，具有完整的模擬前端和噪聲低、線性度好等特性[7]，可以對(duì)來(lái)自傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大和A/D轉(zhuǎn)換，滿足系統(tǒng)的要求，并且ADS1255采用過(guò)采樣技術(shù)，前端只需一個(gè)低通濾波器就能滿足器件對(duì)抗混疊濾波的要求，不需要額外增加器件，降低了功耗。如圖2為AD采集電路，采用差分方式，輸入范圍由參考端Vref控制。

圖2 AD采集電路

ADS1255在應(yīng)用時(shí)要注意電源和地的布線，模擬電源和數(shù)字電源通過(guò)磁珠和電容器進(jìn)行隔離，每個(gè)電源輸入引腳并聯(lián)0.1 ，10 μF去耦電容器。時(shí)鐘由外部晶振提供，布線時(shí)晶振須靠近ADS1255。SYNC管腳和寄存器須正確配置，否則，A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)一直處于復(fù)位狀態(tài)，無(wú)法轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)輸入DIN在不用時(shí)將其拉高，時(shí)鐘信號(hào)SCLK串連低阻電阻器以減小噪聲尖峰。同時(shí)，在輸入端加穩(wěn)壓二極管或瞬態(tài)抑制管(TVS)以吸收電瞬變脈沖和浪涌，保護(hù)器件。

2.3 基準(zhǔn)源電路

高質(zhì)量的參考電壓對(duì)A/D轉(zhuǎn)換性能至關(guān)重要，噪聲和漂移都將降低系統(tǒng)性能。為進(jìn)一步提高A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓選用低噪聲、低溫漂、高精度的電壓基準(zhǔn)芯片REF5020提供，外部基準(zhǔn)電壓2.048 V，初始精度為可以達(dá)到0.05 %，并且對(duì)負(fù)載變化有很強(qiáng)的魯棒性。系統(tǒng)中用運(yùn)放OPA350將基準(zhǔn)源與A/D轉(zhuǎn)換器隔離并增大基準(zhǔn)源的驅(qū)動(dòng)能力。

2.4 SPI隔離電路

電路上的寄生電感和高頻電流產(chǎn)生的電壓噪聲，會(huì)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生重要影響，因此，采用多點(diǎn)接地并對(duì)模擬電源進(jìn)行濾波，為模擬器件提供干凈的接地參考非常重要。此外，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境噪聲，各節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓，對(duì)SPI進(jìn)行電氣隔離可以起到保護(hù)器件的作用。為此，系統(tǒng)采用低功耗、高數(shù)據(jù)速率和高共模抑制能力的數(shù)字隔離器ADuM7441實(shí)現(xiàn)SPI隔離[8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件利用STM32官方固件函數(shù)庫(kù)在RealView MDK環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要包括系統(tǒng)初始化(包含STM32,ADC,LCD和FSMC的初始化)、AD采集、數(shù)據(jù)處理、LCD顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸部分。圖3為主程序流程。

圖3 主程序流程

3.2 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)上電后，STM32首先初始化端口及SPI、定時(shí)器、FSMC等片內(nèi)外設(shè)。然后通過(guò)SPI1對(duì)ADS1255進(jìn)行配置，包括復(fù)位、PGA、數(shù)據(jù)速率、開(kāi)啟輸入緩沖等設(shè)置并進(jìn)行自校準(zhǔn)以糾正漂移和增益誤差。圖4為AD采集程序流程。

圖4 AD采集程序流程

3.3 數(shù)據(jù)處理

為保證測(cè)量精度的可靠性，除了在硬件上采取必要的抗干擾措施和ADS1255自校準(zhǔn)以外，STM32在計(jì)算扭矩前，先通過(guò)移動(dòng)加權(quán)平均濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波。算法是定義一個(gè)窗(窗的大小選擇12點(diǎn))，每進(jìn)行一次新的測(cè)量，將窗后移一點(diǎn)，并對(duì)窗內(nèi)數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)值，越接近現(xiàn)在時(shí)刻的數(shù)據(jù)權(quán)值越大，然后對(duì)窗內(nèi)數(shù)值取平均值作為濾波器輸出。算法可表示為

(1)

式中 y(n)為第n次采樣值經(jīng)濾波后的輸出，x(n-i)為第n-i次采樣值，Ci為加權(quán)系數(shù)。數(shù)據(jù)處理程序流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理程序流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，根據(jù)JJG2407—2006《扭矩計(jì)量器具鑒定系統(tǒng)表》規(guī)定，系統(tǒng)測(cè)試使用扭矩校準(zhǔn)杠桿施加確定扭矩(標(biāo)準(zhǔn)值)與實(shí)測(cè)扭矩值比較。測(cè)試結(jié)果如表1所示，扭矩測(cè)量正向最大誤差1.08N·m，反向最大誤差1.21N·m，線性誤差最大為0.6 %，精度達(dá)到0.6 %F.S.，表明系統(tǒng)性能滿足應(yīng)用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用STM32和24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1255設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了扭矩精確測(cè)量系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示、查詢以及超限報(bào)警功能，具有功耗低、體積小、集成化、成本低等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明：系統(tǒng)測(cè)量精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠滿足多種針對(duì)扭矩精確測(cè)量的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，有助于提高相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化水平。

[1] 喻洪麟,劉旭飛,吳永烽.光柵扭矩傳感器的信號(hào)電路設(shè)計(jì)[J].光電工程,2005, 32(8):93-96.

[2] 謝 平,劉 彬,王 霄,等.新型光纖扭矩測(cè)量方法[J].光電工程，2006, 33(2):111-114.

[3] 李志鵬,方玉良.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(8):11-13.

[4] 李紀(jì)明.切削過(guò)程監(jiān)測(cè)用磁彈性扭矩傳感器試驗(yàn)研究[J].機(jī)床與液壓,2008,36(6) :101-103.

[5] 喻洪麟,熊 歡.環(huán)形空間陣列扭矩傳感器信號(hào)處理[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(10) :78-81.

[6] 吳永烽,喻洪麟.環(huán)形球柵扭矩測(cè)量原理研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2010,31(11):2580-2585.

[7] Texas Instruments.ADS1256 Datasheet[DB/OL].[2013—09—17].http:∥www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ads1256.pdf.

[8] Analog Devices.Functional SPI Isolation[DB/OL].[2012—02—11].http:∥www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/Functional_SPI_Isolation.pdf.

Design of high-precision torque measurement system

based on STM32*WANG Jin-quan， WANG Xiao-peng， YU Hui

(School of Electronic and Information Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

To improve precision of torque measurement in monitoring and control applications，a high-precision torque measurement design scheme based on STM32 is proposed．First，output signal of torque sensor is sent to ADS1255 which is a 24 bit，high-precision，built-in PGA，Σ-Δ A/D converter after low-pass filtering．Then，the master controller STM32 reads A/D conversion result by SPI and calculates the torque values by moving weighted average filtering algorithm to eliminate random noise．Finally，these values can be stored in an external Flash memory and be send to LCD to display in real-time．Site measuremental result indicates that precision of system reaches 0.6 %F.S.．

torque measurement；STM32；A/D conversion；moving weighted average filtering

2014—07—22

甘肅省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(1204GKCA051)；蘭州市科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013—4—63)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0099—03

TP 271

A

1000—9787(2015)04—0099—03

王金全(1988-)，男，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理。