用于小型化紗線張力儀的后端電路設計與實現

朱光遠 祖洪飛

（浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018）

0 引言

紡織工業中，隨著現代紡織技術的不斷發展，越來越多的自動化紡織機器出現。紡織過程中，紗線張力是一個需要及時調節的重要參數，其大小影響了紗線的質量和生產效率，進而影響后續紡織物的質量和外觀[1]-[4]。隨著紡織機械的技術升級，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，而是通過感應的光、聲、振動等信號對張力進行間接測量。而后者的敏感元件直接與紗線接觸，并將其張力變化轉化為電信號，再經過信號處理和電路轉化將電信號轉變為電壓或者電流信號，最后獲得張力值[5]，常用的方法有：電阻應變式[6]、磁電感應式及電容式[7]等。通常而言，非接觸式測量方法易受測量環境干擾且測量系統較復雜，因此其體積及精度受限。當前，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變式應用最廣泛。

電阻應變式張力傳感器通過彈性懸臂梁及電阻應變片來傳感張力，紗線張力變化使懸臂梁及應變片產生形變，進而應變片阻值發生改變。將兩個電阻應變片和兩個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的輸出電壓。其中，后端用于實現放大、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。

本文針對電阻應變式紗線張力儀，擬通過電路硬件設計、PCB設計及加工、軟件設計及仿真實驗等過程，實現其小型化（30×10 mm以內）、高精度后端電路的設計與驗證。

1 電路硬件設計

紗線張力儀后端電路的設計思路是讓張力值轉化為電壓值，通過放大濾波后，交由計算機處理，最后輸出與張力成線性關系的電壓值。因此在設計時需要考慮兩個方面：放大電路和信號處理，主要通過以下四個模塊來實現：單片機模塊、電源供電模塊、小信號放大模塊及AD/DA轉換模塊。本文的電路設計所使用軟件為Altium Designer，見圖1所示。

1.1 單片機模塊

單片機模塊在整個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行處理，然后輸出與張力對應的電壓值。綜合考慮體積及性能，本設計采用STM32F103T8U6單片機（以下簡寫為STM32），其體積非常小，僅為5×5 mm，且性能優異。STM32采用36引腳封裝，引腳排布如圖1（a）所示，主要由時鐘電路、復位電路、啟動電路及參考電壓電路四部分組成。

（1）時鐘電路用于決定時序邏輯狀態的更新，以保證單片機穩定有序地運行。本設計中時鐘電路使用8 MHz的晶振，接兩個22 pF的匹配電容來調整振蕩頻率和一個1 m的電阻來幫助起振。

（2）復位電路的作用是在必要時使系統恢復到初始狀態，以防止因程序混亂等原因導致的系統跑飛、死機等現象，另外復位電路在燒錄程序時也要用到。本設計中的復位電路是NRST引腳的低電平復位，把NRST引腳接10 K電阻拉高，然后通過復位按鈕接地。當按下復位按鈕時，NRST引腳與地相連，處于低電平狀態，開始復位[8]。

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

本設計中BOOT0和BOOT1引腳分別串聯10K限流電阻接地，對應表1的用戶閃存存儲器啟動模式，并使用SWD下載程序。

圖1 電路硬件部分設計圖

（4）參考電壓電路的主要作用是為外設或者內部器件，如AD轉換器，提供一個參照的標準電壓，分為內部參考電壓和外部參考電壓。

表1 單片機啟動模式

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的穩定性和抗干擾性。圖1（b）為本設計的電源供電模塊電路圖。工作時P1的1、2、3腳分別接穩壓電源+5V、-5V、地，其中并聯大電容的作用是濾除低頻信號干擾，并聯多個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。考慮到電路中噪聲和運放輸出電壓比芯片供電電壓低1.5 V，則最終運算放大電路的輸出電壓不能超過3.5 V，因此0.1 g張力的變化對應電壓的變化為26 μV。

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

接入3.3 V電壓，R1、R2為電阻應變片上對應的電阻，當紗線張力發生變化時，接觸紗線的一面產生拉伸應力，使得該面上的電阻應變片阻值增大，而另一面產生壓縮應力，阻值減小。

本實驗使用350的電阻應變片，電橋輸出電壓經過兩級放大電路進行放大。第一級放大電路的同相反向均有輸入，結合負載電阻R4=R6=1 K、反饋電阻R9=50 K、平衡電阻R1=50 K，構成放大倍數為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也為50倍。通過此兩級放大電路可對小信號進行2500倍的放大。

1.4 AD/DA轉換模塊

STM32系列單片機內部集成了1～3個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字轉換器，它有18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源，各通道的A/D轉換可以按單次、連續、掃描或間斷模式執行，ADC的結果可以以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。

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

2 PCB設計及加工

為有效節省空間，本設計中的印制電路板（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通孔，導通孔是在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，其導孔結構如圖2（a）所示。相比于單面板，雙面板更適合用于復雜的電路，且性能及穩定性更好。

另外，考慮到精度及體積的問題，本設計所使用的ICU元器件大多數為貼片元器件，因為貼片元器件具有體積小、重量輕、可靠性高、抗振能力強等優點。

內部參考電壓可以通過配置寄存器來供給如AD轉換器等使用，也可以外部接入一個精度更高的外部參考電壓。見圖2。

圖2 PCB設計及加工圖

2.1 PCB電路圖設計

在完成原理圖設計之后，首先把原理圖中各個元器件從封裝庫導入封裝圖，而選擇合理的封裝圖會有效降低后續PCB設計的難度。創建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，再導入元器件的封裝圖。當元器件數量較多時，可設計多塊PCB板，按功能模塊來劃分元器件分布，板子之間設計導線連接。本次設計分別將電源模塊、放大模塊和信號處理模塊的元器件排布到三塊PCB中，也方便后續對各個模塊進行調試。

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壓芯片的2、3引腳。＋5V的去耦電容C5-C8應當接近＋5V的外部輸入引腳和穩壓芯片的輸入端，而且要使用同類型封裝，排布應當均勻、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計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，電阻應當按照信號流動的方向來布局，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。由于板子的寬度較小，在縱向不宜擺放其他元器件，因此單片機要選擇合適的朝向，在設計允許的情況下，更換其他元器件使用的單片機引腳，將其擺放在板子橫向方向。時鐘線也不宜過長，過孔不能過多。電路圖如圖2（d）所示。PCB電路板設計完成之后，交由專業工廠加工，然后購買元器件自行進行焊接。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 軟件設計

本系統中的軟件主要是實現張力數據的采樣和轉換、控制單片機調零輸出、消除失調誤差以及輸出張力對應的電壓值等功能。首先是控制單片機的ADC（模擬/數字轉換器）采集張力轉化成的電信號，將其轉換為數字量并傳輸給單片機，然后單片機進行數字調零和消除失調誤差的計算，最后單片機控制DAC（數字/模擬轉換器）將校對后的數據轉化成模擬電壓值輸出。軟件設計流程如圖3（a）所示。

一套完整的程序從系統初始化開始運行，它包括初始化系統狀態和硬件設備。系統完成初始化設置之后，進入ADC數據采樣環節Get_Adc()，設置好采用的ADC、ADC的通道、采樣時間，使指定的ADC的軟件轉換啟動功能，等待采樣時間結束，得到ADC采樣的模擬數據adcx。

在單片機完成數據校對之后，進入DAC數據輸出環節，根據DAC8552的時序圖3（b）可知：當SYNC電平變低時，啟用輸入移位寄存器，DIN的數據在SCLK的下降沿上傳輸，由8位控制字節和16位數據字節指定的操作在第24個下降沿之后執行，SYNC變為高電平結束數據傳輸。

4 仿真及實驗

實驗中采用直插式電阻來模擬懸臂梁上的電阻應變片，結合仿真軟件Multisim測試上文中實現的放大電路。為了提高其穩定性和輸出靈敏度，橋臂上的電阻阻值采用1000，放大電路的放大倍數采用50倍。

首先，將兩個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轉換電路來調零。

圖3 軟件設計

圖4 電壓實驗電路

其次，替換直插式電阻的阻值模擬電阻應變片的阻值變化，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，非常接近設計的50倍。然后，在Multisim上搭建電路，電路及仿真結果如圖4（a）所示。

測試單片機ADC和DAC8552可將加載到DAC寄存器的二進制代碼的十進制等價物D修改成任意值，這里修改為19859，理論上會輸出1V電壓，實驗結果輸出1.01 V，與理論計算結果相近。

接著替換輸入兩端的電阻，記錄實驗數據。不同電阻阻值輸出的電壓實驗數據與仿真數據如圖4（b）所示。可見，實際實驗值保持良好的線性度，且扣除誤差后與仿真結果非常契合，這有力證明了本電路設計是非常可行的。

5 結論

本文通過電路硬件設計、PCB設計及加工、軟件設計及仿真實驗四個階段，完成了用于小型化高精度紗線張力儀的后端電路的設計與實現。電路部分包含單片機、電源供電、小信號放大模塊及AD/DA轉換四個模塊；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；通過仿真及實驗，得到實驗中修正后的電橋輸出電壓為-10.5 mV，仿真結果中電橋輸出電壓為-10.999mV，二者契合度非常高，考慮到實際電阻阻值的誤差，可知本文設計并加工的電路與理論值誤差極小。本文中的設計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計及加工的有效參考。