劉明強，孫 輝，胡洪林，曾問虎，田 宇

(貴州省電子工業(yè)研究所，貴州 貴陽 550004)

0 引言

千分表在公路檢測中應用十分廣泛，在路基、偏坡、橋梁和結構物等檢測中使用，實現(xiàn)方法主要有：傳統(tǒng)式測量、光學式測量、利用放射性技術測量等。傳統(tǒng)式測量主要有兩大類：一類利用力學機械原理，直線位移量轉化為非電量信號，由顯示盤呈現(xiàn)給用戶的位移測量儀器；另一類將位移行程桿的位移變化轉化為電信號，將其數(shù)字化提取，經(jīng)過網(wǎng)絡傳輸，最后由上位機呈現(xiàn)給用戶的位移測量儀器。隨著現(xiàn)代加工方式的革新、檢測方法的改進、指標和要求的提高，數(shù)字化主動上傳測量方法將取代傳統(tǒng)的指針式數(shù)顯示式測量方法。本方案主要包括，位移器行程桿直線位移獲取部件構成、設計與實現(xiàn)；微弱電信號提取的設計、實現(xiàn)、分析與驗證[1]；完成基于WiFi數(shù)字位移傳感器(千分表)設計，并實用化。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)設計目標：a.量程12 mm；b.精度1 μm；c.數(shù)據(jù)采集上傳速率10 Hz到100 Hz，可以動態(tài)設置；d.數(shù)據(jù)采用WiFi方式上傳；e.采用電池供電，續(xù)航能力理論8～10 h，實際使用不低于6 h，充電電壓5 V；f.外觀、重量、防護等級、可靠性、穩(wěn)定性等等。為了滿足系統(tǒng)功能和非功能性要求，項目組擬定系統(tǒng)實現(xiàn)分為兩部分：后臺上位機，前端設備。

前端設備硬件系統(tǒng)包括以下主要功能部件：①電池充放電管理功能部件(B-MS)；②數(shù)據(jù)上傳通信WiFi功能部件；③ USB-COM調式通信功能部件；④功能控制、數(shù)據(jù)處理核心功能部件；⑤位移-電信號轉換結構部件；⑥電信號調理與數(shù)字化提取功能部件等，如圖1功能框圖所示。

圖1 功能框圖

外部接口：一個TYPC，充電調試通信接口；一個三檔電源開關，開機、關機、充電三種狀態(tài)；一個恢復出廠設置按鈕；四個功能指示燈。

2 位移轉化電信號部件設計

千分表精度有多種，根據(jù)項目要求設計方案實現(xiàn)的精度1微米，在位移-電信號轉化并沒有采用常規(guī)的杠桿齒輪傳動、齒輪傳動及杠桿螺桿傳動；而采用直線行程桿帶動測量點同步位移，測量點位移就是實際被測量物面位移的相對變化量，測量示意圖如圖2所示：其優(yōu)勢在于不需要高精密部件的加工，高精密部件的優(yōu)劣直接影響其測量精度，高精密部件的磨損使其精度大幅度下降。這種設計也存在不足：對測量電路的設計和實現(xiàn)要求極高；通過對測量電路的優(yōu)化設計完全可以彌補這種不足。

圖2 測量示意圖

測量導體選取， 6J40合金也被稱為康銅合金，是以銅鎳為主要的電阻合金。特點：具有較低的電阻溫度系數(shù)，較寬的使用溫度范圍，加工性能良好，具有良好的焊接性能，適合在交直流電路中使用，作精密電阻、滑動電阻、電阻應變計等。6J13合金也被稱為錳銅合金，與康銅相比不含價格較高的鎳，具有低價格的優(yōu)勢，但抗氧化性比康銅稍差，其性能和康銅絲一樣，具有較低的溫度系數(shù)，電阻率幾乎不隨溫度變化，常作為采樣電阻使用。Cr20Ni80是電阻電熱合金，組織穩(wěn)定，電氣物理特性穩(wěn)定，高溫力學性能好，冷變形塑性好，焊接性好，長期使用不會產(chǎn)生脆性斷裂，使用壽命長[2]，含鎳量高，價格較高。

導體線徑-電阻對應如表1所示，其性能都比較優(yōu)異?？点~性能更好；錳銅價格優(yōu)勢；鎳鉻電阻率最高，更有利于用作測量導體。具體選用型號根據(jù)后期測試、分析結果而定。

表1 導體線徑-電阻對應表

3 電信號調理設計分析

圖3 電阻應變全橋

為了實現(xiàn)測量精度1 μm，設計中采用了如圖3所示的改進型應變全橋，有效提高變化的輸出量，形成抗干擾強全差分信號，便于后級采集。將圖中B和D處引入測量導體，通過同步滑動測量點，形成ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4；ΔR1和ΔR2絕對值大小相等，方向相反；ΔR3和ΔR4絕對值大小相等，方向相反。利用兩個應變裝置，獲得四個測量應變量，同時ΔR始終全部接入應變橋，減小了應變橋中由于ΔR的存在引起電流變化導致的測量誤差。

應變測量橋是由康銅絲自制無感、高精密電阻組成：R1=R2=R3=R4=55 Ω，測量導體用線徑0.3 mm康銅絲為例說明，橋臂電阻和測量導體特性電阻率幾乎不隨溫度變化。當有0.001 mm位移量變化時，由表1知，測量導體測量點處導體電阻變化為6.6525 μΩ，即應變電阻變化量ΔR=6.6525μΩ；由理論推導可知ΔR/R=K*εr，故K*εr=ΔR/R=0.1209545×10-6(ΔR=6.6525 μΩ，R=55 Ω)，當施加測量基準電壓U=3.3 V時，應變輸出電壓ΔU如下：

單橋：ΔU=3.3/4*K*εr=0.0997875 μV

半橋：ΔU=3.3/2*K*εr=0.199575 μV

全橋：ΔU=3.3/1*K*εr=0.39915 μV

應變測量橋輸出差分信號，經(jīng)過信號調理電路網(wǎng)絡后，由模數(shù)轉換部件完成信號數(shù)字化提取[3-4]。

4 硬件電路設計

硬件電路設計主要采用了專業(yè)的高速電路板設計與仿真軟件Cadence16.6。原理圖用Design Entry CIS進行設計；PCB用Allegro PCB Editor進行設計；對部分關鍵電路采用Multisim12.0進行設計前期的驗證測試，提高產(chǎn)品的成功率，以縮短開發(fā)周期。

4.1 系統(tǒng)供電設計

系統(tǒng)采用雙路供電：外部5 V供電(主要針對通用5 V以及電腦USB輸出5 V)和內部電池供電。外電源接通時電池可能處于放電狀態(tài)，也可能處于不放電狀態(tài)，內部系統(tǒng)工作由外部供電；無外電源時內部系統(tǒng)工作由電池供電。內部系統(tǒng)工作供電真值表如表2所示。

表2 供電真值表

供電切換電路選取，二級管雙路供電(圖4)特點：二極管的壓降隨電流的不同，為0.2 V到0.5 V左右，對于電壓較低的系統(tǒng)來說非常大，當外部供電只有4.9 V或4.8 V(主要是電腦USB接口供電)時，經(jīng)過降壓后只有4.4 V左右，相對于5 V供電的部件來講，處于不工作或工作在極不穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4 二極管雙路供電

MOS管雙路供電(圖5)特點：導通壓降非常小，在0.02～0.05 V，適用于低壓降差控制；經(jīng)過不同方式大量仿真和實物搭建測試，MOS管雙向導通控制應用在電壓小于等于5 V系統(tǒng)中不適用，MOS管工作在不確定狀態(tài)；單向導通控制在電壓小于等于5 V系統(tǒng)中是適用的[5]。主要選用導通電壓低的MOS管，如si2301和AO3401等進行測試。

圖5 MOS管雙路供電

將系統(tǒng)中5 V供電的部件改用3.3 V供電部件，可選用圖4的方案；外部供電大于5 V(如6～9 V)，可選用圖5的方案，系統(tǒng)中5 V供電的部件也不用改。最后架構權衡。

4.2 調試通信設計

調試接口采用當前主流TYPC，既是調試接口，也是充電接口，設計成USB-COM模式的調式功能部件，通過該功能部件實現(xiàn)上位機和設備按相關協(xié)議通信[6]，功能保持和上行通信(WiFi)口一致，同時增加特殊調試和應用固件升級，默認設置為：波特率119200，Even校驗，1個停止位。

上行通信(WiFi)接口，采用UART口的TTL電平與WiFi部件相連，WiFi部件采用3.3 V供電，默認設置為：波特率119200，None校驗，1個停止位。上行通信(WiFi)接口主要有兩類功能： WiFi部件設置，完成WiFi部件的參數(shù)讀取與設置[7]；上傳數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)通過構建的無線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡+有線網(wǎng)絡發(fā)送到指定的網(wǎng)絡端。為了達到快速上傳數(shù)據(jù)，MCU和WiFi部件之間通信采用UART硬件流控制來實現(xiàn)[8]，連接如圖6所示。

圖6 MCU-WiFi連接圖

4.3 充放電設計

電芯采用品質高、穩(wěn)定性強、安全可靠、可循環(huán)使用的18650電芯，容量2000 mAh。充放電管理采用TP5400，是一款高效鋰電池充放電管理芯片。

集預充、充電狀態(tài)指示和充電截止等功能于一體，充電最大電流1 A；升壓電路采用CMOS工藝制造的空載電流極低的VFM開關型DC/DC升壓轉換器，具有極低的空載功耗(小于10 μA)，且升壓輸出驅動電流為1 A。

不足之處是沒有剩余電量估算功能。剩余電量估算功能由MCU軟件實現(xiàn)，根據(jù)大量應用充放數(shù)據(jù)，構建應用數(shù)學模型，實現(xiàn)電池剩余電量精確的算法(主要是針對本設計設備運行狀態(tài)下剩余電量的數(shù)學模型)[9-10]。

4.4 數(shù)字信號提取設計

對微弱信號的穩(wěn)定、有效數(shù)字化提取主要從以下幾方面考慮：信號源自身的可靠性、穩(wěn)定性設計；采集轉換部件處理功能、性能的考量；對微小信號在電路和PCB設計中抗干擾的設計，電子元器件的寄生參數(shù)、電路板的分布參數(shù)、空中微弱的電磁波都可能將信號淹沒而無法提取。

信號產(chǎn)生方面，使用應變全橋將信號轉為差分信號，應變橋測量臂和測量導體材料均采用具有極低的電阻溫度系數(shù)康銅絲，無感化設計構成，同時做抗干擾優(yōu)化處理。

采集轉換部件采用AD7176-2，它是一款快速建立、高度精確、高分辨率、多路復用的∑-Δ型模數(shù)轉換器，輸出數(shù)據(jù)速率范圍為5 SPS至50 kSPS/通道。其功能框圖如圖7所示。

圖7 轉換部件功能框圖

PCB采用四層板方式設計，嚴格遵循模擬信號設計規(guī)范，模擬地的數(shù)字地分離設計、包地設計，全程將模擬處理部分用數(shù)字地做抗干擾優(yōu)化處理，建立完整電氣約束。

微弱信號的數(shù)字提取是系統(tǒng)設計核心和難點，也是項目組主要攻克的技術難點[3，11]。只有信號能有效數(shù)字化提取，才能完成系統(tǒng)的核心功能性需求，也是完成其他功能性和非功能性需求的基礎。

5 軟件設計

軟件設計要分為設備端的固件程序設計和后臺運行的上位機軟件程序設計。

5.1 固件設計

圖8 應用程序流程圖

固件程序設計，從可維護性質量屬性分析，將固件程序分為Boot Loader程序和應用程序。Boot Loader程序用于固化到設備中，再將應用程序編譯的Bin文件通過固化的Boot Loader下載保存到設備中并運行[12-13]?？梢酝ㄟ^上位軟件設置使設備運行于Boot Loader狀態(tài)，也可以通過硬件狀態(tài)開關強使設備運行于Boot Loader狀態(tài)。增加了可維護性和可修改性，同時從維護知識產(chǎn)權緯度，也增加設備保密性，應用程序流程圖如圖8所示。

5.2 上位機軟件

上位機軟件基于.Net架構，在Microsoft Visual Studio 2012平臺上進行開發(fā)，分為兩個軟件。

基于串口通信的升級、調試軟件，依據(jù)項目組擬定的升級協(xié)議v1.00進行構建[14-15]，主要有通道設置區(qū)、功能按鍵區(qū)、 Bin代碼裝載區(qū)、日志區(qū)和命令發(fā)布區(qū)。

基于網(wǎng)絡通信應用軟件，依據(jù)項目組擬定的通信協(xié)議v1.00進行構建，主要用于上位和設備之間通過網(wǎng)絡建立連接收發(fā)命令，同時接收、解析采集的數(shù)據(jù)報文[6，14，16-18]，呈現(xiàn)給用戶。可以工作在客戶端模式和服務器模式，服務器模式可同時連接12個終端設備。

6 測試與結果分析

經(jīng)過多輪迭代調整設計，測量導體采用線徑0.3 mm康銅絲，應變橋測量臂55 Ω，全橋方式，在30 Hz測試下，固位置測量電壓數(shù)據(jù)峰峰值變化小于300 nV，在200 nV左右，換算到位移峰峰值變化小于1 μm，在±0.4 μm以下，平均值±0.1 μm左右。如應用測試圖圖9所示：應用程序工作在服務器模式，設備工作在客戶端模式，30 Hz更新采樣速率下，連續(xù)41000多次測量，圖中Y軸為測量位移量，單位100 nm，一大格為500 nm；X軸為位移測量采集點。滿負荷狀態(tài)下電池續(xù)航達390 min左右，其主要耗能在WiFi傳輸部分，占到設備能耗80%左右，由于架構設計充分的權衡，達到設計要求。經(jīng)過現(xiàn)場使用檢驗，性能穩(wěn)定、可靠，完全達到要求。

圖9 應用軟件測試圖

存在的不足，當采集上傳速率大于20 Hz后，會出現(xiàn)報文積壓現(xiàn)象：報文應該是一幀一個報文的傳送過來的，但有時會一幀收到好幾個報文；采集速率越高，出現(xiàn)機率越大；網(wǎng)絡狀態(tài)越差，出現(xiàn)機率越大；并沒有報文的丟失。從調試口出來的數(shù)據(jù)沒有這種現(xiàn)象。問題主要是WiFi模塊發(fā)送網(wǎng)絡報文的積壓造成的，目前主要是通過上位報文拆分來解決這種問題。后期將重點分析和解決WiFi模塊網(wǎng)絡報文積壓問題。

7 結束語

經(jīng)過多輪迭代，完成基于WiFi數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚贁?shù)字化位移傳感器設計，在測量精度、上傳更新速率、續(xù)航等方面達到項目設計要求，提供了一種在路基、邊坡、橋梁和結構物等高速公路檢測的現(xiàn)代化測試方法。