文聰楠 張曉明，2 趙文科

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）（2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）

1 引言

隨著近年來相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展，應(yīng)變測試需求快速增長，應(yīng)變采集系統(tǒng)的通道數(shù)也相應(yīng)增加［1］，這就對測量采集的通道數(shù)和時間同步性提出了要求。工程實(shí)踐表明，需要多通道同步采集的場合，實(shí)際上是指需要在各個通道的不同傳感器測量點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)同時采樣，并非是指在采集系統(tǒng)本身的端口處實(shí)現(xiàn)同時采樣，兩者具有明確差異［2］，同時應(yīng)力應(yīng)變測試的部分測試場合處于野外環(huán)境，所以在設(shè)計測量系統(tǒng)時也應(yīng)滿足一定的便攜性。

2021 年，董力綱等［3］設(shè)計了一種48 路同步應(yīng)力應(yīng)變采集系統(tǒng)，但設(shè)計結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，外圍電路較多且采集時間同步性沒有進(jìn)行確定。2022 年，江紅等［4］提出一種信號的時間軸校準(zhǔn)方法，采用插值法校準(zhǔn)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(fā)了振動與應(yīng)變測量系統(tǒng)，設(shè)計結(jié)果也同樣存在測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜和未能確保采樣結(jié)果時間同步性等問題。

考慮到上述問題，本文設(shè)計了一種基于STM32H743 高性能單片機(jī)的便攜式多通道時間同步應(yīng)變采樣系統(tǒng)。使用全橋電路結(jié)合儀表放大器來完成應(yīng)變信號到電信號的轉(zhuǎn)換，結(jié)使用單片機(jī)完成多通道采存，對信號進(jìn)行多次測量處理得到相鄰?fù)ǖ赖牟蓸訒r間差并對采樣結(jié)果進(jìn)行時間同步補(bǔ)償，在滿足便攜性的基礎(chǔ)上，達(dá)到多路時間同步采樣的目的。

2 采集放大部分設(shè)計

針對多通道應(yīng)力應(yīng)變測量中外圍電路復(fù)雜、采樣起始時間不一致、時間同步性差等問題，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變值變化的連續(xù)特性，依靠儀表放大器、H743內(nèi)部高精度定時器、內(nèi)部多通道ADC 以及支持任意互聯(lián)的DMA，結(jié)合FATFS 文件系統(tǒng)和SDMMC 控制器，通過對相鄰?fù)ǖ啦蓸咏Y(jié)果進(jìn)行多次測量進(jìn)行時間同步補(bǔ)償?shù)氖潞蟛逯捣?，設(shè)計了一種針對小面積內(nèi)多點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變測量的便攜式多通道同步采集存儲系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由采集放大部分、控制采樣部分和數(shù)據(jù)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?？刂撇蓸硬糠志蒆743 單片機(jī)完成，通過單片機(jī)最小系統(tǒng)即可滿足測量需求，存儲模塊采用FATFS文件系統(tǒng)掛載SD卡對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

3 采集放大部分設(shè)計

3.1 應(yīng)變采集原理

測量物體應(yīng)變的傳感器多種多樣，電阻應(yīng)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(yīng)用于實(shí)際工程測量中［6］，且目前應(yīng)變片的加工工藝已經(jīng)可以將敏感柵柵長做到0.1mm［7］，便于實(shí)現(xiàn)小型化，能滿足本系統(tǒng)設(shè)計的便攜性需求，方便采用惠斯通電橋完成由應(yīng)變到電信號的轉(zhuǎn)換［8］。使用時，將電阻應(yīng)變片使用專用的粘結(jié)劑粘結(jié)在被測構(gòu)件表面上，當(dāng)被測構(gòu)件發(fā)生變形時，電阻應(yīng)變片會跟隨構(gòu)件發(fā)生變形，從而改變電阻應(yīng)變片上的金屬絲的形狀，金屬絲電阻發(fā)生改變［9］，引起電信號的變化。

3.2 應(yīng)變采集設(shè)計

實(shí)際使用中需要將電橋輸出信號進(jìn)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(nèi)，還可以將較大的信號進(jìn)行衰減，以擴(kuò)大信號輸入范圍，提高測量儀器的測量量程，擴(kuò)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(jìn)行放大。單通道應(yīng)變采集電路如圖2。

圖2 單通道應(yīng)變采集電路

4 采存控制部分設(shè)計

4.1 STM32H743簡介

本系統(tǒng)中采集存儲部分選用STM32H743IIT6單片機(jī)（以下簡稱H743）來完成。其采用的M7 處理器在采集數(shù)據(jù)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(dú)立的分辨率最高可達(dá)16 位的ADC，最高單通道采樣率可達(dá)3.6MHz。每個ADC 的復(fù)用通道多達(dá)20 條，能以其最小系統(tǒng)電路配合SD卡插槽滿足本系統(tǒng)的采樣存儲部分需求。

4.2 多路采集存儲設(shè)計

為了簡化外圍電路考慮，本設(shè)計通過確定采樣率來確定采樣時間軸。為了準(zhǔn)確確定采樣結(jié)果的時間軸，系統(tǒng)通過使用內(nèi)部高精度定時器來產(chǎn)生PWM波，使用其上升沿來觸發(fā)ADC采樣［13］。此時，ADC 實(shí)際采樣率由PWM 波周期決定，預(yù)先在ADC的配置代碼中使能各路ADC 通道的I/O 口，調(diào)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(shù)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(jìn)行乒乓操作以實(shí)現(xiàn)同步采存，具體實(shí)現(xiàn)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(bǔ)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(fā)采樣時，三路ADC 的啟動均受此信號觸發(fā)開始預(yù)設(shè)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(jié)果產(chǎn)生并且寫入專用寄存器之后才會開始AD 轉(zhuǎn)換和采集。

針對以上問題，系統(tǒng)采用事后時間補(bǔ)償?shù)牟逯捣▉硌a(bǔ)償同一ADC 不同通道的時間同步性。在配置好采樣率后，設(shè)此時單通道采樣周期為T，使用單片機(jī)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(shù)據(jù)相減求均值，設(shè)均值為U1，利用Matlab 對后通道所測得的鋸齒波信號進(jìn)行解卷繞擬合［14］得到解卷繞擬合斜率，設(shè)斜率為k1。設(shè)兩通道平均采樣時間差為ΔT1。

此時有

得到ΔT1后，在實(shí)際采集數(shù)據(jù)時，對于后通道的數(shù)據(jù)，可以通過取測量結(jié)果中相鄰兩點(diǎn)連線的斜率ΔK 結(jié)合所測得的ΔT1來對測量結(jié)果進(jìn)行時間同步性補(bǔ)償。

設(shè)后通道第N 個采樣點(diǎn)采樣結(jié)果為UN，第N+1個采樣點(diǎn)采樣結(jié)果為UN+1，補(bǔ)償后第N+1個采樣點(diǎn)結(jié)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(diǎn)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(diǎn)與前通道第N+1 個采樣點(diǎn)時間同步的采樣結(jié)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(guān)系，有

根據(jù)上述的時間同步補(bǔ)償?shù)牟逯捣ㄓ嬎惴绞娇芍?，時間同步計算的主要誤差來源在ADC 的采樣誤差上，設(shè)平均采樣誤差為ΔU1。此時ADC 的平均采樣誤差ΔU1與補(bǔ)償后的第N+1 個采樣點(diǎn)的電壓值U之間關(guān)系如式（3）～（7）。

5 采樣實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 多通道采樣驗(yàn)證

將系統(tǒng)調(diào)整到16位分辨率模式，6路AD通道，設(shè)置單通道采樣頻率為200kHz，然后對幅值為2.2V的直流信號進(jìn)行采樣，對比萬用表測量值得到系統(tǒng)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(jìn)行采樣，以200kHz 為采樣率確定時間軸，再對被采樣信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到被采樣信號頻譜，結(jié)合采樣結(jié)果的頻譜來反驗(yàn)系統(tǒng)采樣率。各路幅值誤差及如表1，鋸齒波采樣結(jié)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(xiàn)在1kHz，與實(shí)際信號頻率一致，可知采樣頻率設(shè)計較為準(zhǔn)確。整體采樣幅值平均誤差為2.0mV。

5.2 時間同步驗(yàn)證

驗(yàn)證時間同步性時需要前后通道采樣結(jié)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(yàn)證時間同步補(bǔ)償。仍以本文5.1 節(jié)測試配置驗(yàn)證時間同步，多次重復(fù)測試后，根據(jù)本文4.3 節(jié)中提出的插值采樣時間補(bǔ)償方式，對后通道采樣結(jié)果進(jìn)行時間同步性補(bǔ)償，通過Matlab 軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)際數(shù)據(jù)計算和處理，由實(shí)際測試結(jié)果可知，經(jīng)過時間同步補(bǔ)償后的兩通道平均采樣時間差有了明顯的降低，補(bǔ)償后時間同步精度平均可達(dá)99.814%，測試數(shù)據(jù)如表2。

表2 ADC采樣測試

圖4 被采樣信號頻譜

6 結(jié)語

本文針對多點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變同步測量中，多通道測量數(shù)據(jù)時無法保障時間同步性和測量電路結(jié)構(gòu)不便于小型化的問題，設(shè)計了一種基于STM32H743高性能單片機(jī)的多通道同步采樣系統(tǒng)。并設(shè)計模擬采樣實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在200kHz采樣率下，多通道A/D采樣電壓誤差在2mV 左右，補(bǔ)償后時間同步精度平均可達(dá)99.814%，并給出了平均采樣誤差和補(bǔ)償后電壓值間的關(guān)系，能夠完成多點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變同步測量的需求。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量電路體積較小，布設(shè)安裝方便，適用于常溫下多種應(yīng)力應(yīng)變測試環(huán)境，為多點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變時間同步測量提供了基礎(chǔ)。