一种自动调零应变信号调理器的设计*

倪培峰，胡　雄，李希垒

(上海海事大学 物流工程学院，上海 201306)



一种自动调零应变信号调理器的设计*

倪培峰，胡雄，李希垒

(上海海事大学 物流工程学院，上海 201306)

摘要：使用电阻应变片测量物体的承受载荷情况是最常用的测量方法。受电阻应变片个体操作差异性、传输线路损耗、温度漂移等因素的影响，初始零位的固定对实际测量数据的读取有重要的意义。基于STM32微控制器，配合多种电子元器件，设计出了一种具有自动调零能力的应变信号调理电路，完全实现了自动化，方便快捷，提高了调零精度。

关键词：应变测试；自动调零；调理电路；STM32

引用格式：倪培峰，胡雄，李希垒. 一种自动调零应变信号调理器的设计[J].微型机与应用，2016,35(13)：37-39,42.

0引言

电阻应变片式传感器可以用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数，具有体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等优点，在航空、船舶、机械、建筑等行业中获得广泛应用[1]。在应变测试系统中，原始信号比较小，只有mV级别的电压输出，并且由于测试现场应变片个体操作差异性、传输线路的损耗、温度漂移等[2]因素影响，都会使得初始信号不在零位，从而导致信号超出可调理范围。因此，应变信号必须在采集之前进行调零处理。传统的调零方式是在恒压供电的应变桥上增加一个电位器，通过人工调节电位器的方式使得应变片的输出达到初始零位[3]。但人工调零的方式操作繁琐，需要人员走到各个位置，占据了大量的测试时间，并且有的安装位置可能不具备手工调零的条件。

随着电子技术的发展，自动调零的方式正逐步取代手工调零。参考文献[4]利用数字电位器的程控特性和单片机的控制能力完成电桥的自动平衡和电路的调零。参考文献[5]利用嵌入式技术，通过改变前端放大器的参考电压实现电路调零。本文设计了一种基于STM32微控制器和TLV5614数模转换器的自动调零应变信号调理电路，以逐次逼近的方式控制调零电压的输出，成功代替了人工调零操作，提高了调零精度，节省了时间，提高了测试效率。

1整体方案设计

自动调零应变信号调理器的硬件结构如图1所示，主要由应变传感器、高精度电桥、仪表放大器组成的信号调理电路、微控制单元、高精度模数转换器、后端输出电路等组成。

图1　硬件结构框图

仪器上电后，STM32微控制器首先通过DAC输出一个初始基准电压给前端放大器。桥路信号经过信号调理后一方面通过后端输出电路输出，另一方面通过电压跟随器由STM32控制器自带的ADC进行模数转换后进入控制器。经内部计算后得出调零电压，利用DAC输出到前端放大电路，通过改变放大电路的基准电压使得信号调理电路的输出调零，最后经过后端输出电路的调理后使得最终输出结果满足零位要求。

图3　信号调理电路

1.1核心控制器

微控制器选用的是STM32F105RBT6作为主控制器，该芯片是基于32位ARM Cortex-M3核心，最高工作频率72 MHz[6]，自带128 KB闪存，并有64 KB的SRAM的微控制器。同时，片上集成了10个定时器，14个通信接口，51个通用I/O端口，支持12通道DMA控制器，2个12位ADC(16通道)。利用STM32F105RBT6自带的ADC可以对输入信号进行多通道同步模数转换。

1.2高精度数模转换

图2　电桥电路

2电路设计

电路部分主要包括了电桥电路、信号调理电路和后端输出电路。

2.1电桥电路

本文采用的电桥电路如图2所示，MC1403 是高精度低漂移能隙基准电源，它提供2.5 V基准电压。通过运放LM258输出一个4 V 基准电压供给桥路，并增加一级三极管来驱动，以确保4 V的稳定精确电压。

2.2信号调理电路

信号调理电路由二级放大器构成，如图3所示。第一级放大电路输出的电压经后端输出电路调理后输出，同时，通过第二级运放形成的电压跟随器，经AD变换后输入到控制器内部。前端滤波电路采用RC低通滤波，滤除高频信号，RC滤波的截止频率为：f=1/(2πRC)。

本文采用的INA128U是低功耗、高精度的通用仪表放大器。INA128U提供工业标准的增益等式。INA128U具有非常低的偏置电压(50 mV)、温度漂移(0.5 μV/℃)和高共模抑制(G=100时为120 dB)。其电源电压低至±2.25 V，且静态电流只有700 μA。INA128U的放大倍数可由配置电阻Rg控制，如图3所示，放大倍数为G=1+50 kΩ/Rg ，输出为VO=(V+-V-)·G+VDAC，其中，VDAC是微控制器输出的调零电压经DA转换后输出到REF引脚的电压。第二级放大电路采用LM258的第二个运放，起到电压跟随器的作用。电压跟随器能起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用[7]。

2.3后端输出电路

后端输出电路采用XTR111将电压信号转化为标准的4～20 mA 电流信号。测试现场如果采集的信号经调理后是电压信号，长线传输会产生以下问题：电压信号在传输线中很容易受到噪声干扰；传输线的分布电阻会产生电压降。为了解决这些问题，工业现场大量采用电流来传输信号。在应力应变信号测试中，也面临同样的问题，因此需要将电压信号转化为电流信号。

XTR111是美国德州仪器公司(TI)的精密电压至电流转换器，可以输出标准的0～20 mA或4～20 mA模拟电流信号，还能提供高达36 mA的电流。XTR111可以用于通用的电压可控电流源、针对3线传感器系统的电流或电压输出和电流模式传感器激发等。其原理图如图4所示。

2.4调零公式

在调零电路中，STM32控制器接收到信号之后，经内部计算，通过TLV5614输出到INA128U，通过改变基准电压，将INA128U的输

图4　XTR111原理图

图6　应力动载测试信号

5结论

本文设计了一种基于STM32微控制器开发的自动调零应变信号调理器。依托嵌入式技术，该调理器具有制作简单、工作稳定、硬件成本低、可进行通道扩展等优点。通过程序控制，取代了人工调零的繁琐，提高了调零精度，大大提升了应力应变测试中的便捷性和实时性。在起重机的应力测试中，取得了较好的应用效果，节省了测试时间，提高了测试效率。

参考文献

[1] 熊诗波，黄长艺. 机械工程测试技术基础[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] (美)杨·布迪纳斯.罗氏应力应变公式手册[M].岳珠峰，高行山，王峰会，等译. 北京：科学出版社，2005.

[3] 刘国忠，王凤梅. 自动调零应变测量电路的设计[J].传感器世界，2003(9)：15-17.

[4] 刘嘉.数字电位器DS1267在应变测量调理系统中的应用[J].测控技术，2010, 29(5): 97-98

[5] 王冰，林建辉，张兵. 基于STM32 的自动调零8通道应变信号调理器[J].中国测试, 2012, 38(5): 55-58.

[6] 范书瑞，李琦，赵燕飞. Cortex-M3嵌入式处理器原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[7] 郭建平，王亮. 单通道信号处理的前端信号调理模块的设计[J].仪表技术与传感器，2008(9)：99-101.

*基金项目：上海海事大学学术新人基金项目(YXR2015122)

中图分类号：TP274

文献标识码：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.13.012

(收稿日期：2016-03-13)

作者简介：

倪培峰(1992-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：机电系统故障诊断。E-mail: summitnpf@163.com。

胡雄(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：机电设备故障诊断与系统集成。

李希垒(1983-)，男，硕士，工程师，主要研究方向：电子电路设计与应用。

出调零。经后端输出电路调理后，输出信号转化为4～20 mA电流信号。零位时，输出电流为12 mA，此时，INA128U的输出零位电压为2.5 V。所以，调零电路的公式为：

VO=(V+-V-)·G+VDAC=2.5 V

式中：V+、V-分别为差分输入的正负端电压；G为仪表放大器INA128U的放大倍数；VDAC为调零输出的电压。

3软件设计

系统的软件主要由应变信号采集和数据处理部分组成。在应力应变测试过程中，仪器上电以后，STM32控制器首先通过DAC将参考基准电压输出到前端仪表放大器，由于桥路的不平衡、温度漂移等原因，输出不在零位。这时，应变信号通过仪表放大器放大后由STM32F105RBT6自带的ADC采集后进入控制器内部，由控制器进行计算分析，算出调零信号，再通过SPI协议将调零信号传送到DAC上，对前端放大的基准电压进行更改。信号采集时，采用均值滤波进行数字滤波，以减小数据采集引起的误差。

数据处理部分，采用逐次逼近的方式。首先，计算零位时的理想电压与采集到的调理电路实际输出电压的差值，每次调整取差值的一半，逐步减小输出电压与理想零位电压之间的差距。每次输出的调零电压为：

式中：Vnow为此次输出的调零电压；Vlast为上一次输出的调零电压；VO为采集到的调理电路实际输出电压；Vref为调理电路输出的理想零位电压。

控制器不断接受信号进行调整，直至调理电路输出电压进入零位的范围，零位的范围可以在程序中设定。此时控制器更改标志位指示调零结束，并且锁定DAC输出。本系统有4个LED灯，每个LED灯对应一个通道，LED闪烁表明正在调零过程中，常亮表明调零结束，可以开始采集。程序流程如图5所示。

图5　程序流程图

4实践应用

在港口起重机的健康状况评估测试中，应力应变测试十分重要，对关键点的应力测试可以检测起重机关键受力点的金属结构有无损伤。本文设计的调理采集模块已经应用于起重机应力应变测试中。某港区某起重机上大梁前端4个测点的应力动载测试信号如图6所示。经测试分析评估后得出结论：该起重机应力符合规范要求。

Design of a strain signal conditioner with automatic zero module

Ni Peifeng, Hu Xiong, Li Xilei

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Abstract:Using a resistance strain gauge to measure the load bearing conditions of the object, is the most commonly used method of measurement. Due to individual difference of strain gauge operation, transmission line loss, the influence of temperature drift, the fixed position of the initial zero is of great significance for reading the actual measurement data. Based on STM32 microcontroller with a variety of electronic components, this paper designed one kind of strain signal conditioning circuit with automatic zero module, which is fully automated, fast and convenient, also improved the precision of zero.

Key words:strain test; automatic zero module; conditioning circuit; STM32