于锁相放大器的万能试验机采集系统研制

摘要：基于STM32、STM8处理器，设计完成了万能试验机的多个功能模块。为了提高小信号的采集精度与速度，用多处理器设计了一种混合式的锁相放大器，并运用数字处理进行进一步处理，具有很高的性价比。在位移信号采集中。运用STM8S实现了低成本的设计。实验表明，本系统在速度与精度上满足万能试验机要求，总体性价比高。
关键词：万能试验机；锁相放大器；数字多点平均；光电编码器

    万能材料试验机是一种配备全数字化测量控制系统的试验机，主要用于橡胶、塑料、金属、水泥等材料拉伸剥离等力学性能试验。材料试验机作为一种精密测试仪器，对于材料科学的发展，工业产品和工程结构设计，有效的使用材料，改进工艺，减轻产品重量和缩小体积，提高产品质量和降低成本，以及保证产品安全可靠，提高使用寿命，都具有极其重要的作用。目前，国内传统的万能材料试验机在功能、精度、成本上都有不少改进的空间。本文基于意法半导体公司的STM32处理器作为采集控制系统的核心。在力传感器等小信号采集中，设计了一种混合式锁相放大器的方案，采用多个处理器完成小信号采集。利用8位单片机STM8S自带的编码器接口，通过PCI专用接口芯片，设计了一种高精度，接口电路简单，性价比高的万能材料试验机解决方案。

1 系统总体设计和工作原理
    试验机的总体结构如图1所示，整个系统包括：主控制芯片STM32，数据采集部分，控制部分，与计算机通讯接口和无线手操器等5部分。数据采集包括测量力、形变、位移等量。力和形变两个量，为毫伏信号，为了实现高精度采集，同时保证一定速度，采用一种混合式的锁相放大器来完成。位移量信号经过光电隔离后，进入STM8S单片机，利用其自带的编码器接口模式进行采集，再通过IIC与STM32通讯。对于控制方式，有两种模式。对于伺服电机，通过定时器产生一定频率的脉冲信号，对于液压系统，通过DA来控制。与PC机的通讯，通过专用的PCI接口芯片，与SIM32连接。而对于手动控制实验的手操器，采用无线方式连接。

2 高精度小信号采集模块
    试验机系统的一个重要指标就是力传感器等小信号采集的精度和速度。而且采集系统的速度与精度又直接影响到控制系统的性能。这些传感器满量程10 mV左右，要达到十万分之一的分辨率，就需要能测量出100 nV的信号。对于如此小的信号快速精确的采集是本系统的关键。如何把微弱的有用信号从背景噪声中提取出来，是小信号采集的关键。在微弱信号检测的各种技术中，检测精度比较高，应用最为广泛的是锁相放大器。

    锁相放大器是一种运用互相关原理，对检测信号和参考信号进行相关运算的设备。锁相放大器的基本原理如图2所示。锁相放大器的原理是基于这样的事实，噪声同时符合与信号既同频又同相的概率是很低的。锁相放大器包括信号通道、参考通道、相关器等几部分。信号通道将伴有噪声的输入信号进行放大、滤波等预处理，以滤除信号通带以外的噪声；参考信号提供与被测信号同频，并有一定相位差的信号；相关器包括相敏检波器(乘法器)和低通滤波器(积分器)，经过相敏检波器会出现输入信号与参考信号的差频项与和频项。再通过低通滤波器滤除和频项，保留差频项，最后输出的直流信号只与被测信号振幅成正比。
2. 1 锁相放大器硬件结构
    根据锁相放大器的相敏检波器的结构不同，可分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器。模拟锁相放大器存在温漂、噪声、系统升级能力差等缺点，但是其速度相对较快。相比来说，数字锁相放大器抗干扰性能好，参数稳定，易于升级，但是由于要进行大量的运算，速度相对较慢。本系统采用混合式的设计方法，把运算量大的乘法运算用模拟器件实现，然后，经过AD采样后，对数据进行数字滤波。在保证性能的同时，最大程度提升速度。其整体结构如图3所示。

    本系统采用正交矢量锁相放大器的设计，这样的设计可以避免在测量时对参考信号进行相位调整，避免移相调节误差对测量精度的影响。信号通道由前置放大器、滤波器、主放大器等组成。前置放大器采用LTC6910，前置放大器必须具有低噪声、高增益等特点。LTC6910输入噪声密度为8 nV／，具有可编程的增益控制，最高达100倍放大。滤波电路采用TI公司的通用有源滤波器UAF42，其可配置成低通、高通、带通滤波器。具有集成度高、可靠性高、设计灵活的特点。
    主放大器采用PGA204，该芯片是TI公司的低成本多用途的可编程增益放大器。四级固定增益为1，10，100，1000。可根据测量信号的范围进行调整。而且PGA204内部电路由激光技术校正使得芯片具有低偏移电压及温漂，以及较高的共模抑制比。参考信号由控制器STM32产生，同时产生相位差为90度的两个参考信号。经过预处理的待测信号和两个正交的参考信号分别进入相敏检波器中。相敏检波器采用平衡调制解调器AD630。AD630内部是一个比较器控制的两路运放结构，外部电路简单，具有很宽的动态范围。在完成相敏检波后，进入高精度AD转换器，本系统选用TI公司的ADS1271。
     ADS1271是一款高带宽的24位AD转换器，实现了DC精度与AC性能的突破性结合。其具有105 kSPS的转换速率以及高达109 dB的信噪比。鉴于本系统要同时完成两次AD采集，选用两片ADS1271同时采集。在得到数字信号后，通过专用的数字处理单元，进行运算，最终得到待测信号的幅值。由于计算量大的乘法运算已经由模拟器件完成，此处的运算量不会太大，本系统选用性价比高的STM32处理器。
2．2 锁相放大器原理及数字多点平均算法实现
    本系统在锁相运算的基础上，在对数字信号进行处理时，采用数字多点平均的方法，减少因AD采样带来的嗓音，提高采集系统的精度。在本系统中，设被测信号为：x(t)=S(t)+N(t)=Asin(ωt+φ)+N(t)。正弦参考信号与余弦参考信号分别为：r1(t)=Bsin(ωt)、r2(t)=Bcos(ωt)。待测信号与两参考信号的互相关函数分别为：

    乘法运算已经在相敏检波部分实现，在数字处理时只进行加法运算。由于在之前的AD采样中以及模拟器件引入的噪声，在计算积分时先对AD的采样值进行处理。本系统中运用数字多点平均的方法，这是利用同步累积原理的一种方法，是一种从噪声中提取有效信号的有效方法。其原理如下：设淹没在噪声中的信号为，每一个取样周期内取样i(i=1，2，…n)点，取样m个周期。本系统中，根据ADS1 271采样速率为105 kSPS，要达到500 Hz的最终采样速度。设计每周期采样30点，采样累计次数设为7次。锁相放大器中参考信号采样频率为3．5 kHz。这种设计是基于速度和性能的折中方面来考虑。
    对于线性累加平均，第k次取样中的第i个取样点的值为：

    在具体实现上，主控制器STM32在每个信号周期内完成30次采样，各次采样在固定的采样时刻，每一点进行各自累加，同时保存每次采样的值，在完成m个采样周期后，对数据作进一步处理，改为用去极值平均滤波，在一定程度上进一步改善滤波效果。计算出最后的积分数据后，按公式计算得到待测信号幅值。在每次信号开始的时候MCU0都要发送同步脉冲，保证累加的采样值不会出现错位。AD每完成一次采样，就中断通知专门进行数字处理的MCU1来进行数据读取，并进行累加，并保存所有采样值。为了提高处理能力，完成第m次采样后，把数据发送给MCU2进行最后计算待测信号的运算，MCU1继续进行采样的累加存储。
    试验中，使用力传感器进行测试，采样频率为500Hz，力传感器满量程30 kN。有效测力范围1％-100％，测量精度为0．5％。在不分档时，能达到二十万分之一的分辨率。在速度和精度上可以满足试验机的设计要求。
2．3 编码器位移测量模块
    试验机测量中位移传感器(包括安装在横粱上和来自电机)和大形变传感器，通常使用增量式光电编码器。其是一种体积小、精度高、响应速度快和性能稳定的转速与位置传感器．它在测量领域得到了广泛的应用。增量式编码器是通过随转轴旋转的码盘给出两个相位相差90度的脉冲信号A、B，然后根据相位关系决定旋转方向，再用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。

    光电编码器的分辨率与每转输出的脉冲数有关，脉冲数越多，分辨率越高。而引入倍频技术，对编码器输出的信号进行细分，将进一步提高测量精度。常规的实现倍频的方法是，通过逻辑电路进行处理，或者是利用单片机经过一系列处理后实现。现在，市场上也出现了不少专门完成编码器信号处理的芯片，直接输出数字信号，比如奎克半导体的QA744808芯片。这些方法，要么成本高，要么处理相对复杂。本系统采用STM8S单片自带的编码器接口模式功能，实现了一种简单的编码器信号读取。近几年雕刚推出的STM8、SWM32系列的单片机，专门为电机控制加入了特别的设计，提高了电机处理能力，也加入了在电机控制中要用到的编码器接口。增量编码器可与MCU直接连接而无需外部接口电路。
    从A、B两路信号可以看出，一个脉冲周期里面，两路信号共发生了4次变化，如果能在两信号上升沿与下降沿都进行计数，就可以在一个周期里对编码器计数4次，从而实现了4倍频的目的。如图5所示，在STM8S中，选择双边沿计数模式，就可以轻松实现4倍频的功能，同时在发生输入抖动时，不会引起计数器加减变化，能有效抑制干扰。

    STM8S的编码器接口模式存在于TIM1中，在硬件连接上，编码器差分信号经高速光耦光电隔离，同时进行电平转化后，输入TIM1的TIM1_ CB1，TIM1_CH2引脚。通过配置TIM1_SMCR寄存器，使计数器同时在TI1，TI2边沿计数。根据两个输入信号的跳变顺序，产生计数脉冲和方向信号。在计数器溢出时，根据方向，对数值进行累计，可实现很大的量程。同时可以通过STM8S的一个引脚与STM32相连，通过中断信号，对编码器计数进行清零。
     在本系统中，设计了3路的编码器信号采集电路。通过IIC总线与STM32相连。在此使用了20引脚的STM8S103，成本菲常低，同时也结构简单，是一种不错的选择。

3 结论
    本万能材料试验机系统设计中，实现了几个基本模块的功能，完成了一种性价比高的解决方案。在采集系统的核心采用混合式的锁相放大器来实现，同时运用数字处理，在速度和精度上得到了保证。并且，该方案对处理器行性能要求不高，从而用STM32处理器实现了锁相放大器的低成本应用。