模块化应变监测光纤组件的设计

        电阻应变式传感器是利用金属的电阻应变效应制造的一种测量微小变化量的传感器。应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器。电阻应变片是电阻应变式传感器的核心部分，直接影响传感器的各种性能指标。电阻应变片的工作原理是金属的应变效应。金属导体的电阻随着它所受机械变形的大小而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。
在现有飞机强度测试中，普遍采用电阻应变片式的测量原理，对每个强度考核点粘贴一只电阻应变片，在进行试验时，通过读取应变值来获取飞机机体节点的强度情况。普通飞机每架约采用6 000～12 000只应变片，大型飞机会更多，而每只应变片有3根电导线，这样共有数万根导线，占用较大面积、布线繁杂，线路缠绕比较严重，造成测试现场混乱。一旦某一只应变片出现问题，现场查找将非常困难，大幅增加了强度测试的复杂性和周期。
本文采用光纤进行应变信号的传输，以模块化设计，通过模块间级联的方式，使得可采集的应变片路数呈几何倍数增加，将上万根电信号转换成一路或几路光信号进行传输，从测试现场到监控室仅有一根光缆。
而且由于采用模块化设计，一旦某一路信号出现问题，可以直接带电插拔更换，大幅缩短监测过程中查找问题源的周期。通过光纤技术的引入，促进飞机强度监测系统的可靠性和结构优化。
1 系统设计
1.1 结构设计
系统结构如图1所示。组件分为发射端、光纤和接收端3部分。发射端由1级模块、2级模块、3级模块组成。1级模块用于采集应变信号，每个1级模块最多可以采集16路应变信号;2级模块、3级模块用于数据复接和通信，每个2级模块最多可以接16只1级模块，最多可以采集256路应变信号;每个3级模块最多可以接16只二级模块，最多可采集4 096路应变信号。一架飞机最多需要3只3级模块就可以达到采集所有节点的目的，3级模块把采集到的4 096路应力信号转换成光信号通过光纤传输到远端，在远端再通过光电转换转换成电信号并接收、解码、提取、送到上位机进行处理。而且本产品可以根据要采集的应变路数随意增减模块数量，如果要采集几百路应变信号，只需要若干个1级、2级模块，如果采集几十路应变信号，则几个1级模块就可以满足要求，组合自由。如果其中某一模块不能正常工作，可以直接更换而不影响整个系统的工作。


图1 系统结构框图


       
1.2 部件设计
16路应变信号通过惠斯通桥转换成mV级的电压信号，送到应变信号调理电路，进行线性放大和滤波。多路选择器选择16路中的某一路送到精度为24 bit的高精度A/D转换器，将模拟信号数字化，CPLD接收来自A/D的数字信号，然后发给多路选择器指令，转换到下一路应变信号继续采集，依次循环，直接将所有16路应变信号采集完，完成一个采集周期。CPLD将采集到的16路应变信号转换成串行信号，送到数据发送单元，进行数据传输处理，送给下一级模块。1级模块示意框图如图2所示。


图2 一级模块示意框图

微弱信号的检测，存在以下难点：(1)电桥电压的波动，引起输出的波动。(2)应变片阻值一致性差，造成测量误差。(3)应变片由于温度的补偿不解决，影响电桥输出量不精确。(4)A/D转换器的位数影响，A/D转换位数多，则转换精度高、速率低。反之，则转换精度低、速率高。(5)滤波器设计的准确与否，将决定能否将噪声信号滤除。(6)由于开始悬挂重物时，悬梁臂的抖动，会使输出电压不稳定，从而产生误差。
针对以上问题，文中提出的改进方法如下：(1)采用高精度稳压电源。(2)对应变片进行筛选，采用物理性能相同的应变片。(3)对应变片采用温度补偿装置，并在软件上进行补偿，使温度对应变片的影响降到最低。(4)在满足速率性能指标的前提下尽可能提高A/D转换器的位数，减小量化误差。(5)进一步准确的设计滤波器，将噪声信号充分滤除。(6)延迟一定的时间，等信号稳定后再进行采样。
16路串行数据送到2级模块，CPLD把16路串行信号接收过来，因为每一路串行信号包含16路应变信号，16路串行信号总共含有256路应变数据，CPLD把256路应变数据进行数据复接、数据编码、并串转换等一系列处理，转换成按一定次数排列的串行信号，发送到下一级模块。2级模块原理框图如图3所示。


图3 二级模块示意框图


图4 三级模块示意框图

3级模块原理框图如图4所示。3级模块的原理同2级模块，接收16路2级模块发送过来的应变信号，共有4 096路应变信号，然后通过光模块转换成光信号，通过光纤发送到远端，在远端由接收端进行接收。
接收端原理框图如图5所示。接收端由光模块接收远端发送过来的光信号，转换成电信号送到后续电路进行数据接收、解码等处理，将4 096路应变信号接收，然后根据上位机要求的数据摆放次数依次摆放，在通信接口芯片把应变数据发送到上位机进行应变信号的存储、处理和显示等。


图5 接收端示意框图


       
2 主要器件选型
2.1 ADC转换器的选择
对于ADC转换器，选取的标准主要取决于采样频率和位数，以及价格、供货周期、应用情况等因素。由于系统模拟信号的通道数比较多，需要选择多通道A/D。系统采用AD公司的AD7490。AD7490是一款12 bit的高速、低功耗的模数转换器，输入信号可以达到1 MHz，有16个通道，单电源2.7～5.25 V供电。采样率可达1 MSample·s-1，在5 V的工作电压下工作频率可达20 MHz，通信接口为高速串行接口SPI。
2.2 CPLD的选择
Altera公司的MAX V系列CPLD具有低电压、低消耗等特点。MAX V系列的特性如表1所示，根据实际需要，选择5M570Z作为产品的控制核心。



3 仿真结果
通过数据采集功能仿真，即AD7490控制器驱动仿真。验证了代码设计满足了设计功能，具体过程如下：模数转换芯片AD7490，正常工作前需要初始化，有3个DUMMY周期。AD7490写周期包括16个ADC时钟，ADC时钟通过系统时钟分频得到，设定ADC工作时钟为10 MHz，系统时钟为20 MHz。
CPLD引脚分配说明如表2所示。



AD7490初始化结果如图6所示。由图6可看出，AD7490在系统时钟有效以后，先进行了3个初始化周期，然后根据需要进行模式设置和采集等操作。


图6 AD7490初始化过程仿真图

AD7490初始化后，会进行数据采集，16通道的AD7490分为3个采集模式，分别是00模式、01模式和11模式。设计采用模式，3个模式都有仿真，ad_mode为模式选择输入管脚。仿真结果如图7所示。


图7 AD7490整个工作过程仿真图

如图7所示，AD7490在初始化后，依次选择3个模式进行仿真，验证结果是正确的，满足设计要求。
4 结束语
利用A/D+CPLD设计了一种应变信号采集系统，用于飞机强度监测试验中，利用光纤作为传输介质，可以长距离传输。得到结论如下：
(1)完成了系统的原理图设计和PCB的绘制，制作了系统的硬件电路板。经过硬件系统的调试，硬件部分达到设计要求，实现了各个模块之间的连接功能。
(2)CPLD采用自顶向下的设计思想，从顶层的系统结构框图入手，将系统分为ADC控制模块、数据处理模块、通信模块。设计中从每一个子模块仿真与测试可知，软件实现满足系统设计要求，CPLD芯片起到主控制器的作用。整个系统从数据采集、传输、存储、发送期间数据稳定。
(3)在软件设计部分，遵循了CPLD设计的基本原则和硬件原则，利用常用的设计技巧，比如：调用双口RAM进行乒乓操作、串并转换以及流水线等操作，以免数据在采集或传输过程中溢出时序逻辑中的竞争和冒险导致数据丢失。处理好时序关系是高速采集系统的中关键，设计中对每个不同的模块添加时序约束，以满足综合布局布线后能达到时序收敛，并处理关键路径的延时处理等。