基于STM32的振弦式传感器信号采集板的设计外文翻译资料

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基于STM32的振弦式传感器信号采集板的设计

摘要

在本文中，为了满足监控工程如煤矿、油田、大坝、桥梁、造船的需要，本文设计了振弦传感器信号采集板基于STM32。

本文的结构如下：首先介绍了电路设计和程序设计以STM32为核心。通过隔离振动频率和振动传感器电路的分析，介绍了等精度频率测量模块基于STM32和RS485远程通讯，便于级联扩展。

系统对比实验表明，该信号采集板性能稳定、精度高，满足实际测量应用的要求.。

1.引言

振弦式传感器结构简单，输出频率信号，便于远距离信号传输和恢复。它具有稳定性高、精度高、使用寿命长等优点.。振弦式传感器可测量压力、应变、应力、张力、液位等物理量，广泛应用于工程监测煤矿、油田、大坝、桥梁、造船等行业[ 1 ]。随着研究的发展，一些集成的有线或无线振动线传感器系统的完成，传感器数据可以远程监测系统[ 2 ]。由于低功耗器件和数据处理算法的出现，振弦式传感器可以长期在线准确采集数据（3）。因此，振动线传感器在建筑工程中得到了广泛的应用.。

单线圈的振动线传感器使用线圈，也被用于在励磁线圈和拾波线圈，应兴奋之前测量信号的传感器。线圈的振弦式传感器主要有两个令人兴奋的方式——高电压由开关元件的一种方式，高频变压器和整流电路，以及由非孤立的低电压扫描电路[ 4硬件使用扫频技术的低电压的其他方式，5 ]。高压储能技术在线圈中具有较小的弹性势能，输出的信号幅值小，衰减快.。这种测量信号的频率有很大的偏差，电路结构复杂笨重。利用非隔离低压扫描激励电路，可能干扰的拾取电路来模拟放大电路，单片机控制部分不能有效地与传感器分离。

介绍了一种利用单片机内部定时器模块，通过程序控制，在传感器频率范围内生成方波信号的分离式低压扫频激励方法。由于弦的固有频率与方波信号的频率非常接近，传感器的弦处于共振状态。因此，孤立的低电压扫描激励存储更多的弹性势能比高电压。输出正弦信号波形幅值大，能持续较长时间，大大减小了信号的测量误差.。

2.总体设计方案

如图1所示，该系统的核心是STM32单片机，包括振动模块、拾振模块、光电隔离模块、电源模块、AD测量模块和通信模块。通过光电隔离模块、励磁模块、STM32单片机产生扫频方波信号扫描振动传感器。在那之后，传感器信号的放大和拾振模块过滤，然后由Schmitt trigger和通过光电隔离模块传送到STM32的输入捕捉模块。

该程序实现了在STM32的输入捕捉模块等精度频率测量。AD测量模块测量温度传感器实现温度补偿[ 6 ]。测量板的通信模块负责测量出数据传输板，根据所建立的通信协议实现主板级联和与主控模块通信。

图1.线圈信号采集模块

2.1系统硬件设计

1）STM32F103RBT6单片机

振弦式传感器信号采集板ST芯片STM32F103RBT6处理器是基于ARM Cortex-M3内核。为的是专门设计来满足一套高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用的需求[ 7 ]。该芯片具有512KB闪存，64kb的SRAM，锁相环，8MHz和32 kHz的嵌入式内部RC，嵌套的中断控制器，16位定时器输入捕捉、输出比较和PWM，5个USART，16通道12位A/D转换器[ 8 ]。这些丰富的片上资源简化电路设计和程序设计。

2）孤立的励磁模块

如图2所示，测量板采用低电压扫描激励模块。高速光耦合器TLP250增强和分离的激励信号从单片机放在传感器线圈。由于光耦电源为12V，它提高了激signal.tlp250内部结构强度显示在图2的右边是用发光二极管和一个光电探测器集成单元构成。光检测器检测发光二极管状态，并提供给后续逻辑电路，该驱动电路驱动后级推挽输出以直接驱动传感器线圈。推挽电路的输出电流高达1.5A，可以满足当前需求的传感器励磁线圈。

图2。光耦TLP250励磁电路

3）振动采集模块

振报其输出信号的振动传感器测量接毫伏级的冰和冰的频率范围4500hz 400。冰inevitably信号不安的城市低频噪声信号，如电力和其他环境的电磁噪声。为了满足需要的信号采集、信号处理电路magnifies超过2000小时的信号和带通滤波器滤出低频干扰和高频干扰。滤波后的信号amplified和冰淇淋的加工成型的通市A施密特触发信号和高速光耦合器隔离、信号频率测量冰的微控制器。

信号调理电路图如图3所示，与信号处理如下：前置放大器、带通滤波器、中产阶级的放大器，全幅放大、整形、施密特、光耦隔离。

图3。信号调理电路图

仪表放大器AD620，前置放大器，用于消除共模干扰信号，完成原放大。带通滤波器构成的二阶巴特沃斯低通滤波器和高通滤波器级联，滤除信号中的噪声。在带通滤波之前，信号波形的测量显示在图4的第一部分.。经过带通滤波后，信号波形显示在图4的第二部分中.。根据图4，在传感器通过带通滤波器输出信号之前，信号堆积了大量的噪声，然后通过滤波波形变得平滑.

图4带通滤波器和测量波形图

一个全面的摆动放大器的最后一级是用来减少运算放大器饱和的影响，避免长饱和运算放大器。Schmitt trigger的输入信号整形为方。光电隔离电路采用高速光耦6N137发送信号给单片机。

4）温度测量模块

振动线传感器需要温度补偿，因为弦和弦的固定部分具有不同的热膨胀系数（9），由于振动线传感器内部有热敏电阻，测量电阻值可以获得传感器的温度.。

根据传感器制造商提供的温度补偿表，对被测传感器信号的频率值进行校正。该传感器真实工作环境变化在大的温度范围内（40摄氏度到80摄氏度），并且温度测量精度为摄氏0.1度。

为了适应温度范围和温度测量精度，高精度的Ȉ-ǻAD转换器AD7705是用。AD7705是ADI公司的16位AD转换器使用先进的技术Ȉ-ǻ有16个PGA无错误输出。AD7705与SPI兼容接口连接到单片机，自校准，和放大器，可以直接连接到差动电压信号[ 10 ]。经过实验测试，AD7705适应的温度范围内，温度测量精度的要求。

2.2系统硬件设计

振弦式传感器的软件设计主要包括自适应励磁、等精度频率测量，和RS-485通信协议。

1）自适应励磁

自适应扫频的策略通常是在一个频率范围内的激励。在实际测试中：如果传感器弦的固有频率为0mu;F，这是固定的一千八百四十七扫频率满足公式（1），通过传感器的振动线输出的信号幅度较大、持续时间长，且系统中传感器的信号频率检测精度大大提高。根据这一特点，设计了自适应激励策略：

步骤一：根据预先设定的扫描间隔，使传感器获得的信号进行。

步骤二：计算初始激励信号频率0mu;F，根据公式（1）得到新的扫描间隔。

步骤三：根据新的扫描间隔，再次激发传感器。步骤四：测量新获得的激励信号，计算信号频率

（1）

2）等精度频率

如图5所示，等精度测频原理是将待测信号的时钟数与标准时钟信号同时进行，直至整数预置的测量时钟数[ 11 ]。如果信号的值是x n，标准时钟信号的值为y，被测信号的频率为x f，标准信号的频率为y f，则Y f可以按公式（2）计算.。

（2）

图5。等精度频率测量

STM32采集模块结合软件程序可以很容易地实现等精度频率使用。单片机内部的PLL输出是输入捕捉模块的参考时钟。根据公式（2），Y F是STM32单片机内部锁相环的输出频率，相对比较稳定，比X F，所以误差可以忽略不计。x是一个整数，可以被认为是准确的。y是参考时钟信号的计数值，计数周期误差为1。董事会参考时钟频率是锁相环频率72mhz输出，该信号的频率范围测量的频率是400-4500hz，参考时钟频率远大于频率的信号

测量时，参考时钟信号的影响为1误差，降低系统频率测量的准确度较小。结合上述设计分析，等精度频率具体步骤如下。

步骤一：励磁后，测量单片机输入捕获模块的引脚。

步骤二：输入输入间隔第一时间时清除x和N。

步骤三：在输入捕获间隔期间累积x N和y n。

步骤四：当累积值达到预设值时，根据公式（2）计算待测信号的频率。频率测量过程不可避免地产生随机误差。根据随机过程理论，如果相同的信号测量NTIMES，的精度将提高N倍[ 12 ]。该板对6次测量结果进行中值滤波，得到平均测量的4次。这样可以增加两倍以上的频率测量精度.。

3）.RS-485通信协议

董事会与计量监控模块通过RS-485总线进行通信。为了保证通信的可靠性，本文采用了一种基于优先级的通信协议。为了避免模块接收数据丢失，每个板都有一个圆形队列，可以拦截和分析总线上的所有数据包，提高系统的可靠性

3.实验结果

在实验室条件下，我们的措施以此采集板和mcu-32振弦传感器测试仪作为一个公司的振动板。一个1000米的长途通信模拟，这是连接到采集板。通过进行六个实验，并采取的平均值的6个实验[ 5 ]，和最终结果如表1所示。根据下表中的数据，与mcu-32-type仪相比，测量结果的信号采集板更接近实际水深，其绝对误差较小。

为了便于分析，我们计算了表1中数据的相对偏差，相对偏差曲线如图6所示.。如图6所示，比较试验的测量值随水深变化而波动，但信号采集板的相对误差平缓，趋于恒定，且总是优于比较试验产品.。实验结果表明，采用隔离激励电路、自适应激励和等精度频率，可以提高系统测量精度.。

图6。相对误差图

4.结论

本文介绍了基于STM32的振弦式传感器信号采集板的硬件和软件设计。采用隔离激励、自适应激励和等精度频率测量，可以提高传感器信号采集的精度。16位AD转换器的温度补偿传感器是用来进一步提高计算的准确性。RS-485通信接口用于多板层叠，远程监控多个传感器。通过对比试验结果，证明该板可应用于采矿、水库、隧道、桥梁等工程应力测量领域.。

参考文献

[ 1 ]徐志春，王军.“深基坑监测系统的设计基于振弦式传感器。传感器与微系统技术研究，，2015。

[ 2 ]贾鹏慧，陈慧，周平一。“基于stm32f103vct6“振弦式传感器数据采集系统的设计。仪表技术与传感器，第67-70，2015。

[ 3 ]华光，凌超珊，于丹丹，谢凯中。频率测量用振动线传感器系统的设计低功耗“。传感器与微系统，第18-21，2015。

[ 4 ]任晓奎，蒋海鹏，侯红韬。“弦振动传感器21卷矿山边坡应力”的计算机系统应用，2012，监控系统中的应用，第191-194。

[ 5 ]屈伟华，魏永强。基于振弦传感器的大坝渗透压监测系统设计。传感器与微系统，2012，卷 31，第106-108。

[ 6 ]翟文胜，任晓奎，辛云晓。基于振弦传感器的测频系统设计。河南师范大学学报，2011，卷 39，第145-147。

[ 7 ] 吉莉。“电力参数的测量和数据传输基于STM32芯片”。自动化与仪表，2010，第 137-139。[ 8 ]姚正华。“对振动信号的便携式检测仪基于STM32的”。仪器仪表与测量，2011，卷30，页45-47。

[ 9 ] 潘艳，王茜。基于振弦传感器的测频系统设计。仪表技术与传感器，2008，卷 11，第99-100。

[ 10 ]甘凯锋，王俊，王继舟。“设计与实现设备驱动程序的外部扩展S3C2440A芯片”。重庆科技学院学报，2012，14卷，第38-41。

[11]袁光超，田旭东，陈煾，程振，陆飞。“振动基于CPLD的“线传感器频率测量技术。过程自动化仪表，2009，30卷，第63-66。

[ 12 ]蒋秀，景亚芝，张欢春。基于扫频激励单线圈的振弦式传感器。传感器技术学报，2001，卷20，第 22-24。

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