于鎖相放大器的萬(wàn)能試驗機采集系統研制

摘要：基于STM32、STM8處理器，設計完成了萬(wàn)能試驗機的多個(gè)功能模塊。為了提高小信號的采集精度與速度，用多處理器設計了一種混合式的鎖相放大器，并運用數字處理進(jìn)行進(jìn)一步處理，具有很高的性?xún)r(jià)比。在位移信號采集中。運用STM8S實(shí)現了低成本的設計。實(shí)驗表明，本系統在速度與精度上滿(mǎn)足萬(wàn)能試驗機要求，總體性?xún)r(jià)比高。
關(guān)鍵詞：萬(wàn)能試驗機；鎖相放大器；數字多點(diǎn)平均；光電編碼器

萬(wàn)能材料試驗機是一種配備全數字化測量控制系統的試驗機，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。材料試驗機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)品和工程結構設計，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，國內傳統的萬(wàn)能材料試驗機在功能、精度、成本上都有不少改進(jìn)的空間。本文基于意法半導體公司的STM32處理器作為采集控制系統的核心。在力傳感器等小信號采集中，設計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STM8S自帶的編碼器接口，通過(guò)PCI專(zhuān)用接口芯片，設計了一種高精度，接口電路簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高的萬(wàn)能材料試驗機解決方案。

1 系統總體設計和工作原理
試驗機的總體結構如圖1所示，整個(gè)系統包括：主控制芯片STM32，數據采集部分，控制部分，與計算機通訊接口和無(wú)線(xiàn)手操器等5部分。數據采集包括測量力、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(lái)完成。位移量信號經(jīng)過(guò)光電隔離后，進(jìn)入STM8S單片機，利用其自帶的編碼器接口模式進(jìn)行采集，再通過(guò)IIC與STM32通訊。對于控制方式，有兩種模式。對于伺服電機，通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，對于液壓系統，通過(guò)DA來(lái)控制。與PC機的通訊，通過(guò)專(zhuān)用的PCI接口芯片，與SIM32連接。而對于手動(dòng)控制實(shí)驗的手操器，采用無(wú)線(xiàn)方式連接。

2 高精度小信號采集模塊
試驗機系統的一個(gè)重要指標就是力傳感器等小信號采集的精度和速度。而且采集系統的速度與精度又直接影響到控制系統的性能。這些傳感器滿(mǎn)量程10 mV左右，要達到十萬(wàn)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的關(guān)鍵。如何把微弱的有用信號從背景噪聲中提取出來(lái)，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，應用最為廣泛的是鎖相放大器。

鎖相放大器是一種運用互相關(guān)原理，對檢測信號和參考信號進(jìn)行相關(guān)運算的設備。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。信號通道將伴有噪聲的輸入信號進(jìn)行放大、濾波等預處理，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(guò)相敏檢波器會(huì )出現輸入信號與參考信號的差頻項與和頻項。再通過(guò)低通濾波器濾除和頻項，保留差頻項，最后輸出的直流信號只與被測信號振幅成正比。
2. 1 鎖相放大器硬件結構
根據鎖相放大器的相敏檢波器的結構不同，可分為模擬鎖相放大器和數字鎖相放大器。模擬鎖相放大器存在溫漂、噪聲、系統升級能力差等缺點(diǎn)，但是其速度相對較快。相比來(lái)說(shuō)，數字鎖相放大器抗干擾性能好，參數穩定，易于升級，但是由于要進(jìn)行大量的運算，速度相對較慢。本系統采用混合式的設計方法，把運算量大的乘法運算用模擬器件實(shí)現，然后，經(jīng)過(guò)AD采樣后，對數據進(jìn)行數字濾波。在保證性能的同時(shí)，最大程度提升速度。其整體結構如圖3所示。

本系統采用正交矢量鎖相放大器的設計，這樣的設計可以避免在測量時(shí)對參考信號進(jìn)行相位調整，避免移相調節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、設計靈活的特點(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y量信號的范圍進(jìn)行調整。而且PGA204內部電路由激光技術(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(guò)預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制解調器AD630。AD630內部是一個(gè)比較器控制的兩路運放結構，外部電路簡(jiǎn)單，具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。在完成相敏檢波后，進(jìn)入高精度AD轉換器，本系統選用TI公司的ADS1271。
ADS1271是一款高帶寬的24位AD轉換器，實(shí)現了DC精度與AC性能的突破性結合。其具有105 kSPS的轉換速率以及高達109 dB的信噪比。鑒于本系統要同時(shí)完成兩次AD采集，選用兩片ADS1271同時(shí)采集。在得到數字信號后，通過(guò)專(zhuān)用的數字處理單元，進(jìn)行運算，最終得到待測信號的幅值。由于計算量大的乘法運算已經(jīng)由模擬器件完成，此處的運算量不會(huì )太大，本系統選用性?xún)r(jià)比高的STM32處理器。
2．2 鎖相放大器原理及數字多點(diǎn)平均算法實(shí)現
本系統在鎖相運算的基礎上，在對數字信號進(jìn)行處理時(shí)，采用數字多點(diǎn)平均的方法，減少因AD采樣帶來(lái)的嗓音，提高采集系統的精度。在本系統中，設被測信號為：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)函數分別為：

乘法運算已經(jīng)在相敏檢波部分實(shí)現，在數字處理時(shí)只進(jìn)行加法運算。由于在之前的AD采樣中以及模擬器件引入的噪聲，在計算積分時(shí)先對AD的采樣值進(jìn)行處理。本系統中運用數字多點(diǎn)平均的方法，這是利用同步累積原理的一種方法，是一種從噪聲中提取有效信號的有效方法。其原理如下：設淹沒(méi)在噪聲中的信號為，每一個(gè)取樣周期內取樣i(i=1，2，…n)點(diǎn)，取樣m個(gè)周期。本系統中，根據ADS1 271采樣速率為105 kSPS，要達到500 Hz的最終采樣速度。設計每周期采樣30點(diǎn)，采樣累計次數設為7次。鎖相放大器中參考信號采樣頻率為3．5 kHz。這種設計是基于速度和性能的折中方面來(lái)考慮。
對于線(xiàn)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)現上，主控制器STM32在每個(gè)信號周期內完成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，對數據作進(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。計算出最后的積分數據后，按公式計算得到待測信號幅值。在每次信號開(kāi)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(huì )出現錯位。AD每完成一次采樣，就中斷通知專(zhuān)門(mén)進(jìn)行數字處理的MCU1來(lái)進(jìn)行數據讀取，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，把數據發(fā)送給MCU2進(jìn)行最后計算待測信號的運算，MCU1繼續進(jìn)行采樣的累加存儲。
試驗中，使用力傳感器進(jìn)行測試，采樣頻率為500Hz，力傳感器滿(mǎn)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)，能達到二十萬(wàn)分之一的分辨率。在速度和精度上可以滿(mǎn)足試驗機的設計要求。
2．3 編碼器位移測量模塊
試驗機測量中位移傳感器(包括安裝在橫粱上和來(lái)自電機)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、響應速度快和性能穩定的轉速與位置傳感器．它在測量領(lǐng)域得到了廣泛的應用。增量式編碼器是通過(guò)隨轉軸旋轉的碼盤(pán)給出兩個(gè)相位相差90度的脈沖信號A、B，然后根據相位關(guān)系決定旋轉方向，再用計數器對這些脈沖進(jìn)行加減計數，以此來(lái)表示轉過(guò)的角位移量。

光電編碼器的分辨率與每轉輸出的脈沖數有關(guān)，脈沖數越多，分辨率越高。而引入倍頻技術(shù)，對編碼器輸出的信號進(jìn)行細分，將進(jìn)一步提高測量精度。常規的實(shí)現倍頻的方法是，通過(guò)邏輯電路進(jìn)行處理，或者是利用單片機經(jīng)過(guò)一系列處理后實(shí)現?，F在，市場(chǎng)上也出現了不少專(zhuān)門(mén)完成編碼器信號處理的芯片，直接輸出數字信號，比如奎克半導體的QA744808芯片。這些方法，要么成本高，要么處理相對復雜。本系統采用STM8S單片自帶的編碼器接口模式功能，實(shí)現了一種簡(jiǎn)單的編碼器信號讀取。近幾年雕剛推出的STM8、SWM32系列的單片機，專(zhuān)門(mén)為電機控制加入了特別的設計，提高了電機處理能力，也加入了在電機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(wú)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)行計數，就可以在一個(gè)周期里對編碼器計數4次，從而實(shí)現了4倍頻的目的。如圖5所示，在STM8S中，選擇雙邊沿計數模式，就可以輕松實(shí)現4倍頻的功能，同時(shí)在發(fā)生輸入抖動(dòng)時(shí)，不會(huì )引起計數器加減變化，能有效抑制干擾。

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)行電平轉化后，輸入TIM1的TIM1_ CB1，TIM1_CH2引腳。通過(guò)配置TIM1_SMCR寄存器，使計數器同時(shí)在TI1，TI2邊沿計數。根據兩個(gè)輸入信號的跳變順序，產(chǎn)生計數脈沖和方向信號。在計數器溢出時(shí)，根據方向，對數值進(jìn)行累計，可實(shí)現很大的量程。同時(shí)可以通過(guò)STM8S的一個(gè)引腳與STM32相連，通過(guò)中斷信號，對編碼器計數進(jìn)行清零。
在本系統中，設計了3路的編碼器信號采集電路。通過(guò)IIC總線(xiàn)與STM32相連。在此使用了20引腳的STM8S103，成本菲常低，同時(shí)也結構簡(jiǎn)單，是一種不錯的選擇。

3 結論
本萬(wàn)能材料試驗機系統設計中，實(shí)現了幾個(gè)基本模塊的功能，完成了一種性?xún)r(jià)比高的解決方案。在采集系統的核心采用混合式的鎖相放大器來(lái)實(shí)現，同時(shí)運用數字處理，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)現了鎖相放大器的低成本應用。