用于小型化紗線張力儀的后端電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱光遠(yuǎn) 祖洪飛

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引言

紡織工業(yè)中，隨著現(xiàn)代紡織技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的自動(dòng)化紡織機(jī)器出現(xiàn)。紡織過程中，紗線張力是一個(gè)需要及時(shí)調(diào)節(jié)的重要參數(shù)，其大小影響了紗線的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，進(jìn)而影響后續(xù)紡織物的質(zhì)量和外觀[1]-[4]。隨著紡織機(jī)械的技術(shù)升級，其對紗線張力儀的要求越來越高，尤其是小型化、高精度方面的要求極為迫切。

紗線張力的檢測方法大致可分為兩類：非接觸式和接觸式。前者的測量元件不直接與紗線接觸，而是通過感應(yīng)的光、聲、振動(dòng)等信號對張力進(jìn)行間接測量。而后者的敏感元件直接與紗線接觸，并將其張力變化轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過信號處理和電路轉(zhuǎn)化將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯蛘唠娏餍盘?，最后獲得張力值[5]，常用的方法有：電阻應(yīng)變式[6]、磁電感應(yīng)式及電容式[7]等。通常而言，非接觸式測量方法易受測量環(huán)境干擾且測量系統(tǒng)較復(fù)雜，因此其體積及精度受限。當(dāng)前，小型化、高精度的紗線張力儀大多采用接觸式測量方法。而接觸式測量方法中電阻應(yīng)變式應(yīng)用最廣泛。

電阻應(yīng)變式張力傳感器通過彈性懸臂梁及電阻應(yīng)變片來傳感張力，紗線張力變化使懸臂梁及應(yīng)變片產(chǎn)生形變，進(jìn)而應(yīng)變片阻值發(fā)生改變。將兩個(gè)電阻應(yīng)變片和兩個(gè)阻值匹配的電阻組成惠斯通橋路，其輸出的信號再通過放大、濾波等處理后可以得到與張力對應(yīng)的輸出電壓。其中，后端用于實(shí)現(xiàn)放大、濾波等功能的電路對紗線張力儀的小型化及高精度有決定性影響。

本文針對電阻應(yīng)變式紗線張力儀，擬通過電路硬件設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)及加工、軟件設(shè)計(jì)及仿真實(shí)驗(yàn)等過程，實(shí)現(xiàn)其小型化（30×10 mm以內(nèi)）、高精度后端電路的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

1 電路硬件設(shè)計(jì)

紗線張力儀后端電路的設(shè)計(jì)思路是讓張力值轉(zhuǎn)化為電壓值，通過放大濾波后，交由計(jì)算機(jī)處理，最后輸出與張力成線性關(guān)系的電壓值。因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮兩個(gè)方面：放大電路和信號處理，主要通過以下四個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)：單片機(jī)模塊、電源供電模塊、小信號放大模塊及AD/DA轉(zhuǎn)換模塊。本文的電路設(shè)計(jì)所使用軟件為Altium Designer，見圖1所示。

1.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊在整個(gè)電路中的作用是接收放大后的電信號，通過軟件編程的形式對信號進(jìn)行處理，然后輸出與張力對應(yīng)的電壓值。綜合考慮體積及性能，本設(shè)計(jì)采用STM32F103T8U6單片機(jī)（以下簡寫為STM32），其體積非常小，僅為5×5 mm，且性能優(yōu)異。STM32采用36引腳封裝，引腳排布如圖1（a）所示，主要由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、啟動(dòng)電路及參考電壓電路四部分組成。

（1）時(shí)鐘電路用于決定時(shí)序邏輯狀態(tài)的更新，以保證單片機(jī)穩(wěn)定有序地運(yùn)行。本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘電路使用8 MHz的晶振，接兩個(gè)22 pF的匹配電容來調(diào)整振蕩頻率和一個(gè)1 m的電阻來幫助起振。

（2）復(fù)位電路的作用是在必要時(shí)使系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，以防止因程序混亂等原因?qū)е碌南到y(tǒng)跑飛、死機(jī)等現(xiàn)象，另外復(fù)位電路在燒錄程序時(shí)也要用到。本設(shè)計(jì)中的復(fù)位電路是NRST引腳的低電平復(fù)位，把NRST引腳接10 K電阻拉高，然后通過復(fù)位按鈕接地。當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)，NRST引腳與地相連，處于低電平狀態(tài)，開始復(fù)位[8]。

（3）在STM32系列單片機(jī)中，BOOT0和BOOT1引腳的接法決定了三種不同的啟動(dòng)模式，如表1所示。

本設(shè)計(jì)中BOOT0和BOOT1引腳分別串聯(lián)10K限流電阻接地，對應(yīng)表1的用戶閃存存儲器啟動(dòng)模式，并使用SWD下載程序。

圖1 電路硬件部分設(shè)計(jì)圖

（4）參考電壓電路的主要作用是為外設(shè)或者內(nèi)部器件，如AD轉(zhuǎn)換器，提供一個(gè)參照的標(biāo)準(zhǔn)電壓，分為內(nèi)部參考電壓和外部參考電壓。

表1 單片機(jī)啟動(dòng)模式

1.2 電源供電模塊

電源供電模塊可以有效保障傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。圖1（b）為本設(shè)計(jì)的電源供電模塊電路圖。工作時(shí)P1的1、2、3腳分別接穩(wěn)壓電源+5V、-5V、地，其中并聯(lián)大電容的作用是濾除低頻信號干擾，并聯(lián)多個(gè)小電容的作用是濾除高頻信號干擾。

1.3 小信號放大模塊

一般而言，電阻應(yīng)變式紗線張力傳感器在0～10 g張力的作用下其電壓輸出為0～0.26 mV?？紤]到電路中噪聲和運(yùn)放輸出電壓比芯片供電電壓低1.5 V，則最終運(yùn)算放大電路的輸出電壓不能超過3.5 V，因此0.1 g張力的變化對應(yīng)電壓的變化為26 μV。

小信號放大電路圖如圖1（c）所示，本設(shè)計(jì)使用的是上下兩面均粘貼有電阻應(yīng)變片的傳感器，傳感器通過P1、P2連接進(jìn)電路，與R3、R7組成半橋電路，如圖1（d）所示。

接入3.3 V電壓，R1、R2為電阻應(yīng)變片上對應(yīng)的電阻，當(dāng)紗線張力發(fā)生變化時(shí)，接觸紗線的一面產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，使得該面上的電阻應(yīng)變片阻值增大，而另一面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，阻值減小。

本實(shí)驗(yàn)使用350的電阻應(yīng)變片，電橋輸出電壓經(jīng)過兩級放大電路進(jìn)行放大。第一級放大電路的同相反向均有輸入，結(jié)合負(fù)載電阻R4=R6=1 K、反饋電阻R9=50 K、平衡電阻R1=50 K，構(gòu)成放大倍數(shù)為50倍的差分放大電路，該電路對小信號處理比較容易，且有抑制共模干擾的作用。第二級放大電路的放大倍數(shù)也為50倍。通過此兩級放大電路可對小信號進(jìn)行2500倍的放大。

1.4 AD/DA轉(zhuǎn)換模塊

STM32系列單片機(jī)內(nèi)部集成了1～3個(gè)ADC，部分型號也集成了DAC，這些ADC/DAC可以通過配置寄存器來使用。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它有18個(gè)通道，可測量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號源，各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以按單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，ADC的結(jié)果可以以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。

本設(shè)計(jì)中的D/A轉(zhuǎn)換器采用的是DAC8552，是一款16位分辨率雙路電壓輸出的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，工作電壓為2.7～5.5V，并采用小型SOP-8封裝，廣泛應(yīng)用在便攜式設(shè)備上。其引腳排列如圖1（e）所示。

2 PCB設(shè)計(jì)及加工

為有效節(jié)省空間，本設(shè)計(jì)中的印制電路板（PCB）采用雙面板，雙面板的頂層和底層都有布線，中間層為絕緣層。

其最大的特征是帶有導(dǎo)通孔，導(dǎo)通孔是在PCB上的金屬小孔，由頂層穿透到底層，可連接兩面上的元器件，其導(dǎo)孔結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。相比于單面板，雙面板更適合用于復(fù)雜的電路，且性能及穩(wěn)定性更好。

另外，考慮到精度及體積的問題，本設(shè)計(jì)所使用的ICU元器件大多數(shù)為貼片元器件，因?yàn)橘N片元器件具有體積小、重量輕、可靠性高、抗振能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

內(nèi)部參考電壓可以通過配置寄存器來供給如AD轉(zhuǎn)換器等使用，也可以外部接入一個(gè)精度更高的外部參考電壓。見圖2。

圖2 PCB設(shè)計(jì)及加工圖

2.1 PCB電路圖設(shè)計(jì)

在完成原理圖設(shè)計(jì)之后，首先把原理圖中各個(gè)元器件從封裝庫導(dǎo)入封裝圖，而選擇合理的封裝圖會有效降低后續(xù)PCB設(shè)計(jì)的難度。創(chuàng)建PCB文件后，將板子的大小定為25.5 mm×8.5 mm，然后先切割板子形狀，再導(dǎo)入元器件的封裝圖。當(dāng)元器件數(shù)量較多時(shí)，可設(shè)計(jì)多塊PCB板，按功能模塊來劃分元器件分布，板子之間設(shè)計(jì)導(dǎo)線連接。本次設(shè)計(jì)分別將電源模塊、放大模塊和信號處理模塊的元器件排布到三塊PCB中，也方便后續(xù)對各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試。

元器件的布局的基本原則是從核心元器件開始：

（1）電源模塊中，核心元器件是AMS1117穩(wěn)壓芯片，引腳2、3都連接濾波電容，因此要將濾波電容靠近穩(wěn)壓芯片的2、3引腳。＋5V的去耦電容C5-C8應(yīng)當(dāng)接近＋5V的外部輸入引腳和穩(wěn)壓芯片的輸入端，而且要使用同類型封裝，排布應(yīng)當(dāng)均勻、對齊，但又不能過于靠近，-5V的去耦電容亦是如此。地線和電源線面積要設(shè)計(jì)得盡量大以提高地線性能，這里采用大面積敷銅（又稱鋪地）。電路圖如圖2（b）所示。

（2）放大電路模塊的核心元器件是ICL7650，去耦電容接近IC芯片的引腳，電阻應(yīng)當(dāng)按照信號流動(dòng)的方向來布局，信號線盡可能短，線上的過孔也不宜過多。電路圖如圖2（c）所示。

（3）信號處理模塊的核心元器件是單片機(jī)。由于板子的寬度較小，在縱向不宜擺放其他元器件，因此單片機(jī)要選擇合適的朝向，在設(shè)計(jì)允許的情況下，更換其他元器件使用的單片機(jī)引腳，將其擺放在板子橫向方向。時(shí)鐘線也不宜過長，過孔不能過多。電路圖如圖2（d）所示。PCB電路板設(shè)計(jì)完成之后，交由專業(yè)工廠加工，然后購買元器件自行進(jìn)行焊接。貼片前的電路板如圖2（e）所示，貼片后的電路板如圖2（f）所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的軟件主要是實(shí)現(xiàn)張力數(shù)據(jù)的采樣和轉(zhuǎn)換、控制單片機(jī)調(diào)零輸出、消除失調(diào)誤差以及輸出張力對應(yīng)的電壓值等功能。首先是控制單片機(jī)的ADC（模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器）采集張力轉(zhuǎn)化成的電信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并傳輸給單片機(jī)，然后單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字調(diào)零和消除失調(diào)誤差的計(jì)算，最后單片機(jī)控制DAC（數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器）將校對后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成模擬電壓值輸出。軟件設(shè)計(jì)流程如圖3（a）所示。

一套完整的程序從系統(tǒng)初始化開始運(yùn)行，它包括初始化系統(tǒng)狀態(tài)和硬件設(shè)備。系統(tǒng)完成初始化設(shè)置之后，進(jìn)入ADC數(shù)據(jù)采樣環(huán)節(jié)Get_Adc()，設(shè)置好采用的ADC、ADC的通道、采樣時(shí)間，使指定的ADC的軟件轉(zhuǎn)換啟動(dòng)功能，等待采樣時(shí)間結(jié)束，得到ADC采樣的模擬數(shù)據(jù)adcx。

在單片機(jī)完成數(shù)據(jù)校對之后，進(jìn)入DAC數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)，根據(jù)DAC8552的時(shí)序圖3（b）可知：當(dāng)SYNC電平變低時(shí)，啟用輸入移位寄存器，DIN的數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿上傳輸，由8位控制字節(jié)和16位數(shù)據(jù)字節(jié)指定的操作在第24個(gè)下降沿之后執(zhí)行，SYNC變?yōu)楦唠娖浇Y(jié)束數(shù)據(jù)傳輸。

4 仿真及實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用直插式電阻來模擬懸臂梁上的電阻應(yīng)變片，結(jié)合仿真軟件Multisim測試上文中實(shí)現(xiàn)的放大電路。為了提高其穩(wěn)定性和輸出靈敏度，橋臂上的電阻阻值采用1000，放大電路的放大倍數(shù)采用50倍。

首先，將兩個(gè)1000的電阻連接到電路中，用電壓表測量電橋的輸出電壓，測得的電壓為-4.2 mV，電壓輸出不為零的原因是電阻的阻值存在誤差，使得電橋不平衡，這需要通過AD/DA轉(zhuǎn)換電路來調(diào)零。

圖3 軟件設(shè)計(jì)

圖4 電壓實(shí)驗(yàn)電路

其次，替換直插式電阻的阻值模擬電阻應(yīng)變片的阻值變化，如分別替換成1010和990，得到電橋的輸出電壓為-14.7 mV，放大后的電壓為-733 mV，放大后電壓與電橋輸出電壓的比為49.86，非常接近設(shè)計(jì)的50倍。然后，在Multisim上搭建電路，電路及仿真結(jié)果如圖4（a）所示。

測試單片機(jī)ADC和DAC8552可將加載到DAC寄存器的二進(jìn)制代碼的十進(jìn)制等價(jià)物D修改成任意值，這里修改為19859，理論上會輸出1V電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出1.01 V，與理論計(jì)算結(jié)果相近。

接著替換輸入兩端的電阻，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同電阻阻值輸出的電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)如圖4（b）所示。可見，實(shí)際實(shí)驗(yàn)值保持良好的線性度，且扣除誤差后與仿真結(jié)果非常契合，這有力證明了本電路設(shè)計(jì)是非?？尚械?。

5 結(jié)論

本文通過電路硬件設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)及加工、軟件設(shè)計(jì)及仿真實(shí)驗(yàn)四個(gè)階段，完成了用于小型化高精度紗線張力儀的后端電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。電路部分包含單片機(jī)、電源供電、小信號放大模塊及AD/DA轉(zhuǎn)換四個(gè)模塊；PCB采用雙面板，將所有元器件排布到三塊PCB中，每塊PCB的尺寸僅為25.5×8.5 mm；通過仿真及實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)中修正后的電橋輸出電壓為-10.5 mV，仿真結(jié)果中電橋輸出電壓為-10.999mV，二者契合度非常高，考慮到實(shí)際電阻阻值的誤差，可知本文設(shè)計(jì)并加工的電路與理論值誤差極小。本文中的設(shè)計(jì)思路及流程可作為今后小型化高精度紗線張力儀后端電路設(shè)計(jì)及加工的有效參考。