用于多個(gè)引伸計(jì)數(shù)據(jù)采集的接口電路設(shè)計(jì)

徐國(guó)強(qiáng)，董 芳，劉繼芬，李永慶，薛 鵬，董超群

(1．中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東 青島 266580；2． 青島濱海學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 ,山東 青島 266580；3．山東省東營(yíng)市人力資源與社會(huì)保障局,山東 東營(yíng) 257091；4．中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院, 山東 青島 266580）

在金屬材料的力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，測(cè)定材料的變形通常有兩種方法：1）傳統(tǒng)方法，即利用球鉸式引伸儀測(cè)量金屬材料的微小變形量，該方法存在很多缺點(diǎn)和不足，如讀數(shù)誤差太大、人工計(jì)算麻煩、時(shí)效性差、操作繁瑣、檢驗(yàn)精度低等，導(dǎo)致其很多時(shí)候無法滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)加工的實(shí)際功能需求；2）電子儀器采集方法，即應(yīng)用與引伸計(jì)有關(guān)的專用電子儀器設(shè)備對(duì)金屬材料的微小變形量進(jìn)行測(cè)量。但是目前這些專用的電子儀器設(shè)備大多數(shù)采用PCI板卡的形式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊連接，需要另外專門配備計(jì)算機(jī)并安裝配套系統(tǒng)軟件才能使用；成套軟硬件設(shè)備不僅價(jià)格昂貴，而且其接口形式單一、便攜性差，不便于一些特殊現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用，后期維護(hù)和改進(jìn)升級(jí)也很困難。

針對(duì)以上問題，文中利用高精度傳感器和高性能單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套用于多個(gè)電子引伸計(jì)數(shù)據(jù)采集的電路系統(tǒng)，可以對(duì)1～3路引伸計(jì)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)材料1～3個(gè)維度的形變量進(jìn)行直觀顯示；該系統(tǒng)檢測(cè)精度高、實(shí)時(shí)性好、造價(jià)低、體積小、便攜性好；同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)置有串行通信接口，可與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)通信，上位計(jì)算機(jī)通過啟動(dòng)配套的系統(tǒng)軟件可以對(duì)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行直觀顯示和后期處理，系統(tǒng)軟件的維護(hù)和升級(jí)方便快捷。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

電子引伸計(jì)一般由全橋式電阻片、彈性元件和裝夾3部分組成，其輸出信號(hào)電壓與電阻片變化量成正比[1]。在5 V供電情況下，通過實(shí)際測(cè)量可知電子引伸計(jì)的輸出信號(hào)在0～10 mV之間，而且受外部干擾的影響比較大，這給后期信號(hào)處理帶來很大困難。文中結(jié)合電子引伸計(jì)的輸出信號(hào)特性和教學(xué)實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)加工的實(shí)際功能需求，以單片機(jī)為核心器件設(shè)計(jì)了一套用于多個(gè)電子引伸計(jì)數(shù)據(jù)采集的接口電路系統(tǒng)[2]，系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件電路Fig.1 Hardware circuit structure chart of the system

系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)思想，首先對(duì)電子引伸計(jì)輸出的微小毫伏信號(hào)進(jìn)行放大和硬件濾波，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)并將處理結(jié)果由液晶模塊實(shí)時(shí)顯示出來、同時(shí)可以通過通訊接口發(fā)送給上位計(jì)算機(jī)。其中單片機(jī)系統(tǒng)以STC12C5410AD為核心，液晶電路選用1602型液晶，串行通信電路采用MAX232轉(zhuǎn)換電平完成通信任務(wù)，電源部分由LM1117-5提供+5 V電壓。

1.2 放大及濾波電路設(shè)計(jì)

1）放大電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)輸出信號(hào)特點(diǎn)，要求放大電路對(duì)信號(hào)具有較高的放大增益，并且在放大過程中盡量少引入噪聲。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了專門的信號(hào)調(diào)理集成芯片AD7714（可編程增益放大器）。其優(yōu)點(diǎn)是放大倍數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，而且集成在芯片內(nèi)部引入的噪聲小[3]。

2）濾波方案的設(shè)計(jì)。通過測(cè)量知道系統(tǒng)前端的電子引伸計(jì)輸出信號(hào)的外部干擾很大，所以濾波處理是必要的。系統(tǒng)采用軟硬件濾波相結(jié)合的方法，通過AD7714進(jìn)行硬件濾波，在程序中加入濾波算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理；其優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，不需要搭建復(fù)雜的硬件電路，對(duì)小信號(hào)的處理效果比較好。

1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)直接采用AD7714對(duì)電子引伸計(jì)信號(hào)進(jìn)行處理，它內(nèi)部包括開關(guān)矩陣、緩沖器、可編程增益放大器、電荷平衡式A/D轉(zhuǎn)換器、串行接口、寄存器組及時(shí)鐘發(fā)生器，可以對(duì)小信號(hào)直接進(jìn)行處理，適合本系統(tǒng)對(duì)小信號(hào)處理的需要。其具有如下特點(diǎn)：1）采用電荷平衡式ADC；2）24位無誤碼；3）非線性誤差為±0.0015%；4）具有三線性串行接口，能與SPI、QSPI、MICRO WIRET、DSP接口兼容；5）內(nèi)部有8個(gè)寄存器，利用微控制器，通過串行接口可將AD7714配置成差分輸入或單端輸入方式，能構(gòu)成3通道（差分輸入）或5通道（單端輸入）的輸入通道；6）具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)、系統(tǒng)失調(diào)校準(zhǔn)及背景校準(zhǔn)等多種校準(zhǔn)功能，通過自校準(zhǔn)可以消除零刻度和滿刻度時(shí)系統(tǒng)誤差、紊亂時(shí)誤差以及溫度改變引起的數(shù)據(jù)漂移。AD7714具有6個(gè)可編程的模擬輸入通道（AIN1-AIN6），這正好符合同時(shí)檢測(cè)多路引伸計(jì)數(shù)據(jù)的要求。AD7714及其外圍電路圖如圖2所示。

圖2 AD7714及其外圍電路圖Fig.2 AD7714 and its peripheral circuit diagram

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 下位單片機(jī)處理程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位單片機(jī)處理程序流程如圖3所示。其主要功能包括：1）設(shè)定外部元件寄存器參數(shù)；2）讀取并處理A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；3）控制液晶模塊顯示處理結(jié)果；4）單片機(jī)和上位機(jī)相互通信。核心程序代碼采用Keil C51進(jìn)行編寫[4]。系統(tǒng)選用FIR數(shù)字濾波器法對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行軟件數(shù)字濾波處理。

圖3 單片機(jī)處理程序流程圖Fig.3 SCM processing program flow chart

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件需要完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和曲線繪制等任務(wù)，采用可視化編程工具Visual Basic 6.0進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)[5]。軟件通過MSComm控件完成串行通信任務(wù)[6-9]、通過DATA控件和ADO控件來連接數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)和更新、運(yùn)用Timer控件完成數(shù)據(jù)定時(shí)采集，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收界面如圖4所示。

系統(tǒng)軟件的曲線繪制功能界面如圖5所示。界面左邊的數(shù)據(jù)列表區(qū)使用DATAGRID控件顯示多行多列數(shù)據(jù)，界面右邊的曲線繪制區(qū)使用了MSchart控件的繪圖方法實(shí)現(xiàn)曲線的繪制。

圖4 數(shù)據(jù)接收界面Fig.4 Picture of the data receiving program

圖5 曲線繪制功能界面Fig.5 Picture of the curve plotting function

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)開發(fā)完成之后在中國(guó)石油大學(xué)(華東)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)直徑為10.00 mm的低碳鋼試樣進(jìn)行了多次試樣變形量測(cè)量，并記錄了實(shí)驗(yàn)室原有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備與本系統(tǒng)分別在同樣載荷和變形量情況下的測(cè)量值，測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)的測(cè)量值與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備的測(cè)量值基本相同，完全能滿足力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 The experimental test data

4 結(jié) 論

文中針對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)加工的實(shí)際功能需求設(shè)計(jì)開發(fā)了一套檢測(cè)精度高、實(shí)時(shí)性好、造價(jià)低、體積小、便攜性好的能用于多個(gè)電子引伸計(jì)數(shù)據(jù)采集的電路系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)置有與上位機(jī)通訊的串行通信接口，通過啟動(dòng)上位機(jī)軟件可以對(duì)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行形象直觀的曲線顯示和后期處理，軟件后期的維護(hù)和升級(jí)操作方便快捷。測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)測(cè)量金屬材料萬分之一毫米數(shù)量級(jí)的微小變化，在測(cè)量精度和速度上都達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

[1]嚴(yán)鐘豪，譚祖根．非電量電測(cè)技術(shù)[M]．2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001．

[2] 魏澤鼎．單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

[3] 樓鋼，李偉，鄧學(xué)博．小信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)[J]．浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24（6）：661-664．LOU Gang, LI Wei, DENG Xue-bo. A design of small signal amplifier circuit [J]. Journal of Zhejiang University of Science and Technology, 2007,24（6）：661-664.

[4] 馬忠梅，籍順心，張凱．單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[5] 王浩，馬玉軍，陳連山．Visual Basic從入門到精通[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011．

[6] 李江全，張麗，岑紅蕾．Visual Basic串口通信與測(cè)控應(yīng)用技術(shù)實(shí)戰(zhàn)詳解[M]．北京：人民郵電出版社，2007．

[7] 程世田， 李娟，于艷，等． 基于單片機(jī)與工控軟件的多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)的研發(fā)[J]． 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2014（1）：27-31，35．CHENG Shi-tian，LI Juan，YU Yan，et al.A monitoring system for multipoint temperature measurement based on single chip microcomputer and industrial control software[J]. Industrial Instrumentation & Automation，2014（1）：27-31，35.

[8] 沈曉暉， 張寧， 朱麗麗． 基于GSM的電能量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]． 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2011（4）：28-30．SHEN Xiao-hui,ZHANG Ning,ZHU Li-li.Design and application of electric energy loss monitoring system based on GSM[J].Industrial Instrumentation & Automation，2011（4）：28-30.

[9] 陳宏希， 鄒益民 ． 用 Matlabcontrol實(shí)現(xiàn) Java與 Matlab的混合編程[J]． 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2012（3）：27-30．CHEN Hong-xi,ZOU Yi-min.Implementation of the hybrid programming with Java and Matalab based on Matlabcontrol [J].Industrial Instrumentation & Automation，2012（3）：27-30.