一種便攜式多通道時間同步應變采樣系統的設計?

文聰楠 張曉明，2 趙文科

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室 太原 030051）（2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 太原 030051）

1 引言

隨著近年來相關領域的快速發展，應變測試需求快速增長，應變采集系統的通道數也相應增加［1］，這就對測量采集的通道數和時間同步性提出了要求。工程實踐表明，需要多通道同步采集的場合，實際上是指需要在各個通道的不同傳感器測量點處實現同時采樣，并非是指在采集系統本身的端口處實現同時采樣，兩者具有明確差異［2］，同時應力應變測試的部分測試場合處于野外環境，所以在設計測量系統時也應滿足一定的便攜性。

2021 年，董力綱等［3］設計了一種48 路同步應力應變采集系統，但設計結構較為復雜，外圍電路較多且采集時間同步性沒有進行確定。2022 年，江紅等［4］提出一種信號的時間軸校準方法，采用插值法校準信號，但不適用于快速測量場合。2020年，顧憲成等［5］基于LabVIEW軟件開發了振動與應變測量系統，設計結果也同樣存在測量結構復雜和未能確保采樣結果時間同步性等問題。

考慮到上述問題，本文設計了一種基于STM32H743 高性能單片機的便攜式多通道時間同步應變采樣系統。使用全橋電路結合儀表放大器來完成應變信號到電信號的轉換，結使用單片機完成多通道采存，對信號進行多次測量處理得到相鄰通道的采樣時間差并對采樣結果進行時間同步補償，在滿足便攜性的基礎上，達到多路時間同步采樣的目的。

2 采集放大部分設計

針對多通道應力應變測量中外圍電路復雜、采樣起始時間不一致、時間同步性差等問題，根據應力應變值變化的連續特性，依靠儀表放大器、H743內部高精度定時器、內部多通道ADC 以及支持任意互聯的DMA，結合FATFS 文件系統和SDMMC 控制器，通過對相鄰通道采樣結果進行多次測量進行時間同步補償的事后插值法，設計了一種針對小面積內多點應力應變測量的便攜式多通道同步采集存儲系統。系統硬件由采集放大部分、控制采樣部分和數據存儲部分組成。采集放大部分主要由多路全橋采集電路和儀表放大器組成。控制采樣部分均由H743 單片機完成，通過單片機最小系統即可滿足測量需求，存儲模塊采用FATFS文件系統掛載SD卡對數據進行存儲。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體框架

3 采集放大部分設計

3.1 應變采集原理

測量物體應變的傳感器多種多樣，電阻應變片因其制造工藝簡單、成本低廉、方便檢測等原因被廣泛應用于實際工程測量中［6］，且目前應變片的加工工藝已經可以將敏感柵柵長做到0.1mm［7］，便于實現小型化，能滿足本系統設計的便攜性需求，方便采用惠斯通電橋完成由應變到電信號的轉換［8］。使用時，將電阻應變片使用專用的粘結劑粘結在被測構件表面上，當被測構件發生變形時，電阻應變片會跟隨構件發生變形，從而改變電阻應變片上的金屬絲的形狀，金屬絲電阻發生改變［9］，引起電信號的變化。

3.2 應變采集設計

實際使用中需要將電橋輸出信號進行放大，放大電路是每一個測量儀器必備的電路，它不僅可以將微弱信號無失真地放大至采集電路可接受的范圍內，還可以將較大的信號進行衰減，以擴大信號輸入范圍，提高測量儀器的測量量程，擴展測量儀器的適用方向［10］。每一路電橋輸出采用AD8426儀表放大器進行放大。單通道應變采集電路如圖2。

圖2 單通道應變采集電路

4 采存控制部分設計

4.1 STM32H743簡介

本系統中采集存儲部分選用STM32H743IIT6單片機（以下簡稱H743）來完成。其采用的M7 處理器在采集數據的速度、精度以及可靠性上相較F4、F2 系列處理器都有大幅度的提高［11～12］，同時H743 擁有三個互相獨立的分辨率最高可達16 位的ADC，最高單通道采樣率可達3.6MHz。每個ADC 的復用通道多達20 條，能以其最小系統電路配合SD卡插槽滿足本系統的采樣存儲部分需求。

4.2 多路采集存儲設計

為了簡化外圍電路考慮，本設計通過確定采樣率來確定采樣時間軸。為了準確確定采樣結果的時間軸，系統通過使用內部高精度定時器來產生PWM波，使用其上升沿來觸發ADC采樣［13］。此時，ADC 實際采樣率由PWM 波周期決定，預先在ADC的配置代碼中使能各路ADC 通道的I/O 口，調用通過PC 端串口助手輸入而更改的全局變量來更改PWM 波周期配置和ADC 采樣通道數及其序列配置。同時為了提高ADC 采樣的幅值精度，降低輸入阻抗，可在每個ADC 接口前配置一個跟隨器。使用DMA 傳輸完成中斷進行乒乓操作以實現同步采存，具體實現流程如圖3。

圖3 DMA傳輸完成中斷乒乓操作

4.3 時間同步補償及誤差分析

對于H743 的三路ADC 而言，通過同一PWM波信號上升沿觸發采樣時，三路ADC 的啟動均受此信號觸發開始預設序列的采樣。此時的時間同步性受到ADC 時鐘頻率影響，三路ADC 的啟動時差不超過一個ADC 時鐘周期，但是同一ADC 的采樣通道序列上的相鄰兩通道采樣時間差無法在硬件層面上來確定。對于同一ADC 的相鄰采樣通道而言，后一個通道要在前一個通道的采樣結果產生并且寫入專用寄存器之后才會開始AD 轉換和采集。

針對以上問題，系統采用事后時間補償的插值法來補償同一ADC 不同通道的時間同步性。在配置好采樣率后，設此時單通道采樣周期為T，使用單片機多次測量已知鋸齒波周期信號，令第一通道和之后某通道同一個被測信號周期的測量數據相減求均值，設均值為U1，利用Matlab 對后通道所測得的鋸齒波信號進行解卷繞擬合［14］得到解卷繞擬合斜率，設斜率為k1。設兩通道平均采樣時間差為ΔT1。

此時有

得到ΔT1后，在實際采集數據時，對于后通道的數據，可以通過取測量結果中相鄰兩點連線的斜率ΔK 結合所測得的ΔT1來對測量結果進行時間同步性補償。

設后通道第N 個采樣點采樣結果為UN，第N+1個采樣點采樣結果為UN+1，補償后第N+1個采樣點結果為U，則有

此時有

將式（3～4）代入，可得

通過將后通道相鄰兩采樣點間的電壓變化曲線近似看作直線求得斜率，用單通道采樣周期減去兩通道平均采樣時間差，近似的得到后通道第N+1個采樣點與前通道第N+1 個采樣點時間同步的采樣結果。此時T、k1、U1均為已知量或測量量，在計算U時，可以將看作已知量，將其等效為k，此時U與ΔU為線性關系，有

根據上述的時間同步補償的插值法計算方式可知，時間同步計算的主要誤差來源在ADC 的采樣誤差上，設平均采樣誤差為ΔU1。此時ADC 的平均采樣誤差ΔU1與補償后的第N+1 個采樣點的電壓值U之間關系如式（3）～（7）。

5 采樣實驗驗證

5.1 多通道采樣驗證

將系統調整到16位分辨率模式，6路AD通道，設置單通道采樣頻率為200kHz，然后對幅值為2.2V的直流信號進行采樣，對比萬用表測量值得到系統采樣幅值誤差。然后對偏置為2.2V、幅值為2V、頻率為1kHz 的鋸齒波信號進行采樣，以200kHz 為采樣率確定時間軸，再對被采樣信號進行快速傅里葉變換得到被采樣信號頻譜，結合采樣結果的頻譜來反驗系統采樣率。各路幅值誤差及如表1，鋸齒波采樣結果頻譜如圖1（以ADC1CH1為例）。

表1 ADC采樣測試

從頻譜分析中可以看出，主要頻率分量出現在1kHz，與實際信號頻率一致，可知采樣頻率設計較為準確。整體采樣幅值平均誤差為2.0mV。

5.2 時間同步驗證

驗證時間同步性時需要前后通道采樣結果做差，考慮到鋸齒波信號只有上升沿，方便前后通道做差，所以采用鋸齒波信號來驗證時間同步補償。仍以本文5.1 節測試配置驗證時間同步，多次重復測試后，根據本文4.3 節中提出的插值采樣時間補償方式，對后通道采樣結果進行時間同步性補償，通過Matlab 軟件實現實際數據計算和處理，由實際測試結果可知，經過時間同步補償后的兩通道平均采樣時間差有了明顯的降低，補償后時間同步精度平均可達99.814%，測試數據如表2。

表2 ADC采樣測試

圖4 被采樣信號頻譜

6 結語

本文針對多點應力應變同步測量中，多通道測量數據時無法保障時間同步性和測量電路結構不便于小型化的問題，設計了一種基于STM32H743高性能單片機的多通道同步采樣系統。并設計模擬采樣實驗，驗證了在200kHz采樣率下，多通道A/D采樣電壓誤差在2mV 左右，補償后時間同步精度平均可達99.814%，并給出了平均采樣誤差和補償后電壓值間的關系，能夠完成多點應力應變同步測量的需求。該系統結構簡單，測量電路體積較小，布設安裝方便，適用于常溫下多種應力應變測試環境，為多點應力應變時間同步測量提供了基礎。