用于多個引伸計數據采集的接口電路設計

徐國強，董 芳，劉繼芬，李永慶，薛 鵬，董超群

(1．中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院,山東 青島 266580；2． 青島濱海學院 機電工程學院 ,山東 青島 266580；3．山東省東營市人力資源與社會保障局,山東 東營 257091；4．中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580）

在金屬材料的力學性能測試實驗中，測定材料的變形通常有兩種方法：1）傳統方法，即利用球鉸式引伸儀測量金屬材料的微小變形量，該方法存在很多缺點和不足，如讀數誤差太大、人工計算麻煩、時效性差、操作繁瑣、檢驗精度低等，導致其很多時候無法滿足教學實驗或生產加工的實際功能需求；2）電子儀器采集方法，即應用與引伸計有關的專用電子儀器設備對金屬材料的微小變形量進行測量。但是目前這些專用的電子儀器設備大多數采用PCI板卡的形式與計算機進行通訊連接，需要另外專門配備計算機并安裝配套系統軟件才能使用；成套軟硬件設備不僅價格昂貴，而且其接口形式單一、便攜性差，不便于一些特殊現場的實際使用，后期維護和改進升級也很困難。

針對以上問題，文中利用高精度傳感器和高性能單片機設計了一套用于多個電子引伸計數據采集的電路系統，可以對1～3路引伸計信號同時進行檢測，對材料1～3個維度的形變量進行直觀顯示；該系統檢測精度高、實時性好、造價低、體積小、便攜性好；同時該系統設置有串行通信接口，可與外部計算機進行互聯通信，上位計算機通過啟動配套的系統軟件可以對檢測參數進行直觀顯示和后期處理，系統軟件的維護和升級方便快捷。

1 系統硬件電路設計

1.1 總體設計

電子引伸計一般由全橋式電阻片、彈性元件和裝夾3部分組成，其輸出信號電壓與電阻片變化量成正比[1]。在5 V供電情況下，通過實際測量可知電子引伸計的輸出信號在0～10 mV之間，而且受外部干擾的影響比較大，這給后期信號處理帶來很大困難。文中結合電子引伸計的輸出信號特性和教學實驗及生產加工的實際功能需求，以單片機為核心器件設計了一套用于多個電子引伸計數據采集的接口電路系統[2]，系統的硬件電路結構如圖1所示。

圖1 系統硬件電路Fig.1 Hardware circuit structure chart of the system

系統硬件電路采用模塊化設計思想，首先對電子引伸計輸出的微小毫伏信號進行放大和硬件濾波，然后經過A/D轉換為數字信號，最后由單片機處理數據并將處理結果由液晶模塊實時顯示出來、同時可以通過通訊接口發送給上位計算機。其中單片機系統以STC12C5410AD為核心，液晶電路選用1602型液晶，串行通信電路采用MAX232轉換電平完成通信任務，電源部分由LM1117-5提供+5 V電壓。

1.2 放大及濾波電路設計

1）放大電路的設計。根據輸出信號特點，要求放大電路對信號具有較高的放大增益，并且在放大過程中盡量少引入噪聲。因此系統設計選用了專門的信號調理集成芯片AD7714（可編程增益放大器）。其優點是放大倍數可以根據實際需要調整，而且集成在芯片內部引入的噪聲小[3]。

2）濾波方案的設計。通過測量知道系統前端的電子引伸計輸出信號的外部干擾很大，所以濾波處理是必要的。系統采用軟硬件濾波相結合的方法，通過AD7714進行硬件濾波，在程序中加入濾波算法對信號進行進一步的處理；其優點是方法簡單，不需要搭建復雜的硬件電路，對小信號的處理效果比較好。

1.3 模數轉換電路設計

系統直接采用AD7714對電子引伸計信號進行處理，它內部包括開關矩陣、緩沖器、可編程增益放大器、電荷平衡式A/D轉換器、串行接口、寄存器組及時鐘發生器，可以對小信號直接進行處理，適合本系統對小信號處理的需要。其具有如下特點：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）內部有8個寄存器，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、系統校準、系統失調校準及背景校準等多種校準功能，通過自校準可以消除零刻度和滿刻度時系統誤差、紊亂時誤差以及溫度改變引起的數據漂移。AD7714具有6個可編程的模擬輸入通道（AIN1-AIN6），這正好符合同時檢測多路引伸計數據的要求。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 系統軟件設計與開發

2.1 下位單片機處理程序設計

系統下位單片機處理程序流程如圖3所示。其主要功能包括：1）設定外部元件寄存器參數；2）讀取并處理A/D轉換結果；3）控制液晶模塊顯示處理結果；4）單片機和上位機相互通信。核心程序代碼采用Keil C51進行編寫[4]。系統選用FIR數字濾波器法對A/D轉換結果進行軟件數字濾波處理。

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

2.2 上位機軟件設計與開發

系統上位機軟件需要完成數據采集、存儲和曲線繪制等任務，采用可視化編程工具Visual Basic 6.0進行設計和開發[5]。軟件通過MSComm控件完成串行通信任務[6-9]、通過DATA控件和ADO控件來連接數據庫進行存儲和更新、運用Timer控件完成數據定時采集，系統的數據接收界面如圖4所示。

系統軟件的曲線繪制功能界面如圖5所示。界面左邊的數據列表區使用DATAGRID控件顯示多行多列數據，界面右邊的曲線繪制區使用了MSchart控件的繪圖方法實現曲線的繪制。

圖4 數據接收界面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 測試實驗

系統硬件電路和軟件程序設計開發完成之后在中國石油大學(華東)工程力學實驗室進行了對比測試實驗。實驗中對直徑為10.00 mm的低碳鋼試樣進行了多次試樣變形量測量，并記錄了實驗室原有標準測量設備與本系統分別在同樣載荷和變形量情況下的測量值，測量數據對比如表1所示。測試數據表明，本系統的測量值與實驗室現有的標準測量設備的測量值基本相同，完全能滿足力學實驗的實際應用需求，實現了系統的設計目標。

表1 實驗測試數據Tab.1 The experimental test data

4 結 論

文中針對教學實驗或生產加工的實際功能需求設計開發了一套檢測精度高、實時性好、造價低、體積小、便攜性好的能用于多個電子引伸計數據采集的電路系統，系統設置有與上位機通訊的串行通信接口，通過啟動上位機軟件可以對檢測參數進行形象直觀的曲線顯示和后期處理，軟件后期的維護和升級操作方便快捷。測試實驗表明該系統能實時測量金屬材料萬分之一毫米數量級的微小變化，在測量精度和速度上都達到了預期設計目標，具有較大的應用價值。

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