基于鎖相放大器的萬能試驗機采集系統(tǒng)研制

溫靜馨，李 龍

（沈陽化工大學 計算機科學與技術學院，遼寧 沈陽 110142）

基于鎖相放大器的萬能試驗機采集系統(tǒng)研制

溫靜馨，李 龍

（沈陽化工大學 計算機科學與技術學院，遼寧 沈陽 110142）

基于STM32、STM8處理器，設計完成了萬能試驗機的多個功能模塊。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(shù)字處理進行進一步處理，具有很高的性價比。在位移信號采集中，運用STM8S實現(xiàn)了低成本的設計。實驗表明，本系統(tǒng)在速度與精度上滿足萬能試驗機要求，總體性價比高。

萬能試驗機；鎖相放大器；數(shù)字多點平均；光電編碼器

萬能材料試驗機是一種配備全數(shù)字化測量控制系統(tǒng)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性能試驗[1]。材料試驗機作為一種精密測試儀器，對于材料科學的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品和工程結(jié)構(gòu)設計，有效的使用材料，改進工藝，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(nèi)傳統(tǒng)的萬能材料試驗機在功能、精度、成本上都有不少改進的空間。本文基于意法半導體公司的STM32處理器作為采集控制系統(tǒng)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PCI專用接口芯片，設計了一種高精度，接口電路簡單，性價比高的萬能材料試驗機解決方案。

1 系統(tǒng)總體設計和工作原理

試驗機的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)包括：主控制芯片STM32，數(shù)據(jù)采集部分，控制部分，與計算機通訊接口和無線手操器等5部分。數(shù)據(jù)采集包括測量力、形變、位移等量。力和形變兩個量，為毫伏信號，為了實現(xiàn)高精度采集，同時保證一定速度，采用一種混合式的鎖相放大器來完成。位移量信號經(jīng)過光電隔離后，進入STM8S單片機，利用其自帶的編碼器接口模式進行采集，再通過IIC與STM32通訊。對于控制方式，有兩種模式。對于伺服電機，通過定時器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，對于液壓系統(tǒng)，通過DA來控制。與PC機的通訊，通過專用的PCI接口芯片，與STM32連接。而對于手動控制實驗的手操器，采用無線方式連接。

圖1 萬能試驗機總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the universal testing machine

2 高精度小信號采集模塊

試驗機系統(tǒng)的一個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(tǒng)的速度與精度又直接影響到控制系統(tǒng)的性能。這些傳感器滿量程10 mV左右，要達到十萬分之一的分辨率，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(tǒng)的關鍵。如何把微弱的有用信號從背景噪聲中提取出來，是小信號采集的關鍵。在微弱信號檢測的各種技術中，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原理，對檢測信號和參考信號進行相關運算的設備。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，噪聲同時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、相關器等幾部分[2]。信號通道將伴有噪聲的輸入信號進行放大、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；相關器包括相敏檢波器（乘法器）和低通濾波器（積分器），經(jīng)過相敏檢波器會出現(xiàn)輸入信號與參考信號的差頻項與和頻項，再通過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。

圖2 鎖相放大器基本結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the lock-in amplifier

2.1 鎖相放大器硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)鎖相放大器的相敏檢波器的結(jié)構(gòu)不同，可分為模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器。模擬鎖相放大器存在溫漂、噪聲、系統(tǒng)升級能力差等缺點，但是其速度相對較快。相比來說，數(shù)字鎖相放大器抗干擾性能好，參數(shù)穩(wěn)定，易于升級，但是由于要進行大量的運算，速度相對較慢。本系統(tǒng)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現(xiàn)，然后，經(jīng)過AD采樣后，對數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波。在保證性能的同時，最大程度提升速度。其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 本系統(tǒng)鎖相放大器整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of the lock-in amplifier in this system

本系統(tǒng)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對參考信號進行相位調(diào)整，避免移相調(diào)節(jié)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。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。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?jù)測量信號的范圍進行調(diào)整。而且PGA204內(nèi)部電路由激光技術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，同時產(chǎn)生相位差為90度的兩個參考信號。經(jīng)過預處理的待測信號和兩個正交的參考信號分別進入相敏檢波器中。相敏檢波器采用平衡調(diào)制解調(diào)器AD630[3]。AD630內(nèi)部是一個比較器控制的兩路運放結(jié)構(gòu)，外部電路簡單，具有很寬的動態(tài)范圍。在完成相敏檢波后，進入高精度AD轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)選用TI公司的ADS1271。ADS1271是一款高帶寬的24位AD轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了DC精度與AC性能的突破性結(jié)合[4]。其具有105 kSPS的轉(zhuǎn)換速率以及高達109 dB的信噪比。鑒于本系統(tǒng)要同時完成兩次AD采集，選用兩片ADS1271同時采集。在得到數(shù)字信號后，通過專用的數(shù)字處理單元，進行運算，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，此處的運算量不會太大，本系統(tǒng)選用性價比高的STM32處理器。

2.2 鎖相放大器原理及數(shù)字多點平均算法實現(xiàn)

本系統(tǒng)在鎖相運算的基礎上，在對數(shù)字信號進行處理時，采用數(shù)字多點平均的方法，減少因AD采樣帶來的噪音，提高采集系統(tǒng)的精度。在本系統(tǒng)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函數(shù)分別為：

對于線性累加平均，第k次取樣中的第i個取樣點的值為：

在具體實現(xiàn)上，主控制器STM32在每個信號周期內(nèi)完成30次采樣，各次采樣在固定的采樣時刻，每一點進行各自累加，同時保存每次采樣的值，在完成m個采樣周期后，對數(shù)據(jù)作進一步處理，改為用去極值平均濾波，在一定程度上進一步改善濾波效果。計算出最后的積分數(shù)據(jù)后，按公式計算得到待測信號幅值。在每次信號開始的時候MCU0都要發(fā)送同步脈沖，保證累加的采樣值不會出現(xiàn)錯位。AD每完成一次采樣，就中斷通知專門進行數(shù)字處理的MCU1來進行數(shù)據(jù)讀取，并進行累加，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(shù)據(jù)發(fā)送給MCU2進行最后計算待測信號的運算，MCU1繼續(xù)進行采樣的累加存儲。

試驗中，使用力傳感器進行測試，采樣頻率為500 Hz，力傳感器滿量程30 kN。有效測力范圍1%-100%，測量精度為0.5%。在不分檔時，能達到二十萬分之一的分辨率。在速度和精度上可以滿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 （包括安裝在橫梁上和來自電機）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(wěn)定的轉(zhuǎn)速與位置傳感器，它在測量領域得到了廣泛的應用[6]。增量式編碼器是通過隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出兩個相位相差90度的脈沖信號A、B，然后根據(jù)相位關系決定旋轉(zhuǎn)方向，再用計數(shù)器對這些脈沖進行加減計數(shù)，以此來表示轉(zhuǎn)過的角位移量[7]。

圖4 光電編碼器輸出信號Fig.4 Output signal of the optical encoder

光電編碼器的分辨率與每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)有關，脈沖數(shù)越多，分辨率越高。而引入倍頻技術，對編碼器輸出的信號進行細分，將進一步提高測量精度。常規(guī)的實現(xiàn)倍頻的方法是，通過邏輯電路進行處理，或者是利用單片機經(jīng)過一系列處理后實現(xiàn)?，F(xiàn)在，市場上也出現(xiàn)了不少專門完成編碼器信號處理的芯片，直接輸出數(shù)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(tǒng)采用STM8S單片自帶的編碼器接口模式功能，實現(xiàn)了一種簡單的編碼器信號讀取。近幾年剛剛推出的STM8、STM32系列的單片機，專門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直接連接而無需外部接口電路。

從A、B兩路信號可以看出，一個脈沖周期里面，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行計數(shù)，就可以在一個周期里對編碼器計數(shù)4次，從而實現(xiàn)了4倍頻的目的。如圖5所示，在STM8S中，選擇雙邊沿計數(shù)模式，就可以輕松實現(xiàn)4倍頻的功能，同時在發(fā)生輸入抖動時，不會引起計數(shù)器加減變化，能有效抑制干擾。

圖5 編碼器計數(shù)過程Fig.5 Counting process of the encoder

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，同時進行電平轉(zhuǎn)化后，輸入 TIM1的 TIM1_CH1，TIM1_CH2引腳。通過配置TIM1_SMCR寄存器，使計數(shù)器同時在TI1，TI2邊沿計數(shù)。根據(jù)兩個輸入信號的跳變順序，產(chǎn)生計數(shù)脈沖和方向信號。在計數(shù)器溢出時，根據(jù)方向，對數(shù)值進行累計，可實現(xiàn)很大的量程。同時可以通過STM8S的一個引腳與STM32相連，通過中斷信號，對編碼器計數(shù)進行清零。

在本系統(tǒng)中，設計了3路的編碼器信號采集電路。通過IIC總線與STM32相連。在此使用了20引腳的STM8S103，成本非常低，同時也結(jié)構(gòu)簡單，是一種不錯的選擇。

3 結(jié) 論

本萬能材料試驗機系統(tǒng)設計中，實現(xiàn)了幾個基本模塊的功能，完成了一種性價比高的解決方案。在采集系統(tǒng)的核心采用混合式的鎖相放大器來實現(xiàn)，同時運用數(shù)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處理器實現(xiàn)了鎖相放大器的低成本應用。

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Development of universal testing machine’s acquisition system based on lock-in amplifier

WEN Jing-xin，LI Long
（Department of Computer Science and Technology，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang110142，China）

Based on STM32 and STM8，an implement solution of the universal testing machine is presented.In order to improve the speed and accuracy of weak signal detection， using multi-processor designed with a hybrid lock-in amplifier， and using numerical multipoint average for further processing，it also has highly cost-effective.In the displacement signal acquisition，using STM8S achieve a low-coast design.Experiments shows that the system meet the requirements of universal testing machine in the speed and accuracy，and the overall cost-effective.

universal testing machine； lock-in amplifier； numerical multipoint average； optical encoder

TH871

A

1674－6236（2012）03-0112-03

2011-12-08 稿件編號：201112042

溫靜馨（1954—），男，遼寧沈陽人，副教授。研究方向：智能控制。