基于STM32的自动调零8通道应变信号调理器

王 冰，林建辉，张 兵

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

0 引 言

由于矿产开采、水利水电业以及铁路行业的飞速发展[1-3]，这些行业中几乎必备的一项测试内容就是关键部件或者关键位置的应力应变，而且当前用于应力应变测试的应变片还能测试弹性部件的其他参数，如加速度、力、力矩、位移等参数；因此，应力应变测量仪器的开发与应用一直是一个热门的话题。在应变测试系统中，由于原始信号比较小，只有μV～mV级别的电压输出，甚至即使采用相同厂商同一型号的应力应变传感器来采集信号，也会因为测试现场的信号传输线路损耗或者温度漂移，使信号超出可调理范围。基于以上原因，应变信号在采集之前必须对测量电桥进行调零，并对放大倍数也要进行相应的调节。传统的调零方式是在恒压供电的应变桥上增加一个大阻值的可变电位器，通过人工调零使得应变片的输出达到初始零电位[4]。这样调零有两个缺陷：（1）手工调节太麻烦，而且安装位置很有可能不允许进行手工调零；（2）手工调节的精度偏低，对后续数据的采集也会造成不可挽回的影响。随着科技的发展，芯片的集成度大幅度提高，通过微处理器来进行的自动控制越来越多地应用到了各个领域，而在本文中，以STM32微处理器为基础[5-9]，结合多个电子元件，实现了同时采集8路信号，初始化时自动调零，并能够灵活调节增益衰减和滤波的调理电路。

1 调理器的硬件结构

硬件架构如图1所示，整个电路主要由调理电路和采集电路组成。本文主要介绍调理电路，该电路主要由应力应变传感器、高精度电桥、可编程仪表增益组成的二级放大电路、自动调零电路、可编程低通滤波器以及输出匹配电路等组成。

图1 硬件架构

1.1 精密电桥信号

在本项目中，采用的高精度桥压电路如图2所示，REF2925是一个精密的2V基准电压，以这个基准电压供给桥路，然后通过将桥路产生电压和2 V的基准电压分别接到精密运放OPA2347的正负输入，通过运放输出到场效应管的G极，以此产生2V的稳定精确电压。

图2 精密电桥应变电

1.2 二级放大和调零电路

前端放大电路由于输入信号采用差分形式，差分放大器的采用是不可避免的。差分放大器有如下优势：（1）相对于单端输入的信号来说，差分放大器的抗噪声能力有显著地提高；（2）使用差分放大器，可以增加差分输出的信号摆幅；（3）差分放大器有偶数阶的信号失真。所以，使用差分放大器作为ADC的前驱方案，可以有效地解决共模电压的干扰和降低噪声对原始信号的影响，同时还能优化输出阻抗，使得原始信号能够完整而准确地被放大。

本文采用Analog Device的AD8253作为前驱放大，这是一款可编程的增益放大器，具有GΩ输入阻抗，10MHz带宽，-110dB的低总谐波失真（THD）以及780 ns的快速建立时间和0.000 1%的精度，并且可灵活选择1，10，100，1 000四种增益倍率。

采用凌特（LT）公司的LTC-6910-1可编程反相放大器作为第二级反向放大器，该放大器支持轨到轨输入输出，有11MHz的增益带宽乘积，输入噪声低，系统动态范围至 120 dB，有 0，1，2，5，10，20，50和100V/V共8种增益。

调零电路由STM32和DAC7513共同组成，其中微控制器选用的是STM32F103ZET6作为主控制器，该芯片是基于32位ARM CortexTM-M3核心，最高工作频率为72 MHz，自带512KB闪存的微控制器，并有高达64KB的SRAM。同时，片上集成了多达11个定时器，13个通信接口，112个快速I/O端口，支持12通道DMA控制器。放大调零电路见图3。

图3 放大调零电路

DAC7513是德州仪器（TI）公司的一款低功耗、12位带缓冲的电压输出数字到模拟转换器。片上内置的精确输出放大器可以实现轨到轨输出电压摆幅。而且该芯片使用了多样化的3线制串行接口，最大支持时钟频率高达30 MHz，兼容SPI、QSPI、Microwire和DSP接口。

在调零电路中，初始化信号发出以后，STM32核心接收到电压信号，并通过DAC7513发送到AD8253，通过改变基准电压将AD8253的输出调零。调零电路公式为

式中：V+，V-——差分输入的正负端；

G1——AD8253的放大倍数；

Vzeromodulation——调零电路输出电压。

1.3 滤波电路

滤波器采用的是LTC1062，这是一个5阶全极低通滤波器，这个滤波器最大的优点就在于它非同寻常的结构，使得滤波器是置于直流电路之外，这样就彻底消除了直流偏移和低频率噪声的干扰。这就使得LTC1062非常适用于直流精度要求较高电路的低通滤波器。LTC1062工作原理图如图4所示，将V+以及截止频率设定管脚（DIVIDER RATIO）都接在+5 V电源上，当输入端电阻为选定为50 kΩ，电容为100nF时，根据单片机输出到Cosc管脚的时钟信号，可以实现：

式中：fc——滤波器的低通截止频率；

fclk——LTC1062的Cosc管脚接收到的时钟信号。

图4 LTC1062工作原理图

2 软件设计

系统的软件主要由应变数据调理和采集2部分组成。在应力应变的测试过程中，板子上电以后，由于精确桥路的不平衡，所以输出的电压不等于零。这时通过二级放大和滤波后再通过A/D转换输出到单片机上，由单片机进行比对分析，再通过将信号传送到DAC上，对前段放大的调零偏置电压进行更改，将输出的电位重新调整至零位；与此同时，单片机会不断收到经过滤波放大的应变信号，如果不为零，则对AD8253的参考电位再次进行调整，一直进行到输出的电压进入零电位的范围，这时，单片机将会更改标志位并指示调零结束。本系统有2个LED灯，专门用于显示电路的工作状态，如果红灯闪烁，即是正在调零，绿灯常亮，即为调零结束，可以开始采集，程序流程如图5所示。

3 实践与现场试验

该调理采集系统已经成功应用于大秦重载铁路线试验中，众所周知，大秦铁路乃是我国西煤东运的主干道。本文主要测量的车型为C80型煤矿专用敞车，该车型是我国专门为大秦线而设计制造的专用敞车，其主要职能是运载煤矿，设计载重高达80t。基于大秦线上的货运列车的服役环境的恶劣和负载的强度，轮对的运行状况是整列车的运行安全的核心因素，为保证万吨级货车安全运营，通过在铁轨上布设的应变传感器，对路过铁轨的C80货车轮对的实时应力进行测量。

图5 程序流程图

图6、图7分别显示为空车正常轮对和擦伤轮对经过轨道上所布的测点时所测得的应力数据。在图6中，正常轮对的轮轨垂向力在18~35kN内呈近似正弦变化；而图7中，由于轮面的不平顺，轮轨的垂向力就会随着不平顺处与轨面接触时产生瞬时超过50kN甚至60kN的应力，这对列车的长时间高负荷安全运行是一个隐患，所以对检测出有擦伤的轮对应予以尽快修复。最后得出了的结果符合预期，成功地对正常的轮对和有擦伤的轮对进行了区分，测试获得了较好的效果。

图6 空车正常车轮应力

图7 空车擦伤车轮应力

4 结束语

本文提出了一种基于STM32单片机的8路自动调零应变信号调理电路，依靠日新月异的嵌入式技术，通过微处理器的控制，在根本上剥离了对人工调理的依赖，很大程度上提升了应变测试时信号调理的便捷性和实时性。而且利用单片机的程序可复用性，可以非常方便地调节采集不同应变信号时需要的放大倍数和滤波器的截止频率，能够实现大量程、高适应性的信号调理和采集任务，是一种比较高效新颖的解决方案。目前，该采集板已经在大秦线重载列车的轮轨力的测试项目中进行应用，获得了较为良好的效果。同时，在实践中也发现了一些局限，由于测试条件比较恶劣，布线等花费了太多精力且存在一些隐患，所以下一步就需要开发出一种高可靠性的无线传输装置以消除有效传输在测试中存在的隐患。

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