（测试计量技术及仪器专业论文）嵌入式程控应变仪的研制.pdf

v6 2 7 39 且 摘要 计算机化测控为主流的今天，国内厂商生产的非程控应变仪已无法加入自动化测 量控制系统。国外一些应变仪制造商可提供程控式应变仪，但其价格高昂。另外，目 前市场上的程控应变仪都是以有线的形式进行操作控制，这也制约了应变仪的应用范 围。在此背景下，本课题着手研制一种具有成本优势的无线传输程控应变仪，它有更 广泛的应用范围。 本文工作主要集中在应变仪有线程控的实现上，以上位机控制下位机的形式，通 过串口通讯电缆实现应变仪的程控操作。有线程控的实现为以后无线程控的实现打下 基础。 下位机软件的编制借鉴了操作系统对任务进行调度管理的思想，不同任务赋予不 同优先级，不同于传统单片机软件开发所采用的前后台模式，提高了系统实时性能。 关键词：应变仪、单片机、自动调零、分频器、实时操作系统、虚拟仪器 a b s t r a c t b r i d g e t r a n s d u c e rs i g n a lc o n d i t i o n e r sf r o md o m e s t i cm a n u f a c t u r e r s a r en o n p r o g r a m m a b l e s ot h o s ep r o d u c t sa r eo u to fd a t ef o rt h e yc a r l tj o i ni nc o m p u t e r i z e dm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m s o m ef o r e i g nm a n u f a c t u r e r st h ep r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t s ，b u ti t sp r i c ei s t o oh i g h i na d d i t i o n ，t h ep r o g r a m m a b l eb r i d g et r a n s d u c e rs i g n a lc o n d f f i o n e ra v a i l a b l ei n m a r k e ti sc o n t r o l l e dv i ac o m m u n i c a t i o nc a b l e s ，w h i c hl i m i t si t s a p p l i c a t i o n w i t ht h e b a c k g r o u n ds t a t e da b o v e ，w es e to u t t op i l o tak i n do fc o s t - e f f e c t i v ep r o g r a m m a b l eb r i d g e t r a n s d u c e rs i g n a lc o n d i t i o n e r 、i 也w i r e l e s st e c h n o l o g y , w h i c he x t e n d si t sa p p l i c a t i o n t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti sd i v i d e di n t ot w os e c t i o n s f i r s t ，o p e r a t i o ni si m p l e m e n t e d w i mas e r i a lc o m m u n i c a t i o nc a b l eb e t w e e nm a s t e rc o m p u t e ra n ds l a v em c u s e c o n d b l u e t o o t hm o d u l et a k et h ep l a c eo ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nc a b l e m o s te f f o r t sa r e i n v o l v e di nt h ef i r s ts e c t i o ni nt h i sp a p e r t h ei d e ao fd i s p a t c h i n gc o m e sf r o mo p e r a t i o ns y s t e md u r i n gt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n g s l a v em c us o f t w a r e m c us o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sn o tt h es a m ea st h et r a d i t i o n a l f o r e g r o u n da n db a c k g r o u n ds y s t e m ，d i f f e r e n tt a s kh a sd i f f e r e n tp r i o r i t y , w h i c he n h a n c e s t h es y s t e m sr e a l - t i m e p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：b r i d g et r a n s d u c e rs i g n a lc o n d i t i o n e r ，m c u ，a u t ob a l a n c e ，f r e q u e n c yd i v i d e r 、 r t o s 、v i r t u a li n s t r u m e n t 堡圭堡些垒型笪型塑型坠一 1 、绪论 1 1 课题的研究背景 电子测量仪器发展至今历经了模拟仪器、分立元件仪器、数字化仪器等不同阶段。 随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以微处理器为核心的新一代仪器一智能 仪器迅速普及。这类仪器内置微处理器，既能进行自动测量，又有一定的数据处理能 力，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。 智能仪器的发展总是伴随着计算机技术、大规模集成电路技术的发展而飞速发展 的。借助高度发展的芯片技术使我们可以把许多计算机方面的技术移植到智能仪器中 来，从而成为嵌入式智能仪器系统。由于大量应用p c 技术，嵌入式系统使得p c 无处 不在，所以嵌入式系统广泛应用的今天被称为为后p c 时代。 嵌入式系统的应用范围非常广泛，从移动计算设备( 手机、p d a 、掌上电脑) 到 网络设备( 路由器、交换机) 再到信息家电( 网络化的电视机、冰箱、微波炉、电话) 。 当然在智能仪器领域也有着极为广泛的应用，它同时还是车辆、工业控制设备的宠儿。 由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件 实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪和 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起并具有 嵌入式处理器的控制系统都可以称为嵌入式系统。本文的目的是研制一种能满足计算 机化测控系统要求的程序控制应变仪。本文设计中利用嵌入式处理器来控制系统并调 度任务，还实现通讯功能，并且又是与实际的应变仪产品结合在一起的。所以，根据 以上定义本文设计中的应变仪可以称为嵌入式程控应变仪。 我们把计算机中的操作系统引入到嵌入式智能仪器系统之后，智能仪器系统就变 得更为灵活、具有更好的扩展性。从前我们对仪器的功能进行扩充和改进时( 特别是 软件功能) 不得不重新编制程序再烧录到r o m 中，如果采用了操作系统或多任务管理 内核后，对系统功能进行扩充修改时，只要把新增的功能模块作为一个任务加到任务 队列中即可，不需要再重新下载整个系统程序。使得产品的开发周期大为缩短，提高 了效率。 除了嵌入式智能仪器得到了普及与快速发展以外，近年来在测试行业中，虚拟仪 器( v i r t u a li n s t r u m e n t 简称v i ) 技术的出现在各方面打破了传统的测试概念，造 成了以计算机技术为基础的测试技术的革命。这也是不断革新的计算机技术，从各个 层面上影响着、引导着各行各业技术更新的结果。基于计算机技术的虚拟仪器系统技 些篁二二坠耋墼鎏型些些坠一 术正以不可逆转的力量推动着测控技术的革命。 传统的测试系统是以仪器硬件为基础的，其结构复杂、操作不便且运作成本高， 仪器的功能都是由厂商定义的，用户根本无法根据自己的需求增加或更改仪器的功 能。虚拟仪器技术的出现改变了这种局面，虚拟仪器系统充分地利用了计算机系统的 强大功能，结合相应的硬件，大大地突破了传统仪器在数据传输、采集、存储、处理、 显示等方面的限制，用户可以方便地对其进行扩展、升级及维护，虚拟仪器技术目前 已成为整个测试领域的潮流和发展方向。 本文设计中的嵌入式程控应变仪结合虚拟仪器技术，从而可以利用虚拟面板取代 传统的物理面板，这不但降低了成本、减小仪器的体积，同时增加仪器的灵活性。当 需要更改仪器面板的功能时，只需要改动和面板有关的程序即可，大大缩短开发周期。 另外，虚拟面板的设计采用软件设计中的有关容错性设计，可以避免用户使用传统的 物理面板时出现的一些误操作，起到保护仪器和增强仪器易用性的功能。 虚拟仪器的优越性不仅体现在虚拟面板上，它还利用计算机强大的计算功能执行 计算和数据处理，降低了嵌入式智能仪器对嵌入式处理器的运算要求，使其集中于系 统控制功能。此外，利用计算机的显示器的显示功能可以非常方便她进行图形或波形 的显示，省却了与显示有关的硬件设备，降低了成本的同时却提高了系统的可靠性。 应变测量系统主要由三个部分组成：1 应变计，它作为传感元件必不可少；2 应变仪，它将应变计的输出转换成符合要求的电压或电流信号；3 记录或显示装置， 它把电阻应变仪输出的电压或电流信号记录或显示出来。本文的主要工作集中在第二 个阶段，即完成可编程的信号调理仪器。 1 2 国内外应变仪现状h 1 目前国内有许多厂商生产应变仪，如扬州无线电二厂生产的y e 3 8 1 7 型号应变仪。 国内厂商所生产的应变仪基本上都是非程控的，对应变仅进行控制或设置参数基本上 都是通过应变仪的面板进行手控操作。在计算机化测控为主流的今天，不可程控的仪 器由于不能加入我们的测试与控制系统而将被淘汰。 南京理工大学1 0 5 实验室已经成功的开发出基于v x i 总线的可程控应变仪，目前 己成功地应用于各种科学实验与实际的工程测试中。但是基于v x i 总线的仪器有着与 生俱来的缺陷： l - v x i 机箱及其模块的价格之高使其应用范围大受限制，目前国内仅在国防和军 工产品或系统中才能见到它的身影； 2 v x i 机箱的尺寸过大，而且不能随便更改，不适合对空间要求较高的应用场合： 3 由于v x i 模块面版尺寸的限制，国内现有的c 尺寸动态电阻应变仪模块仅能做 成2 - 4 个通道： 壁垒圣丝堇墅墼型些些坠詈一 目前国外有一些公u - j 提供台式可程控应变仪系统。譬如，著名的e n d e v c o 公司的 4 4 3 0 4 9 6 0 a 系列产品。这个系列的仪器提供了多通道和可扩展性，而且还提供了 r s 2 3 2 接口和i e e e 4 8 8 总线接口，有极广的应用范围。 e n d e v c o 公司的4 4 3 0 4 9 6 0 a 型可编程桥式调理系统是直流桥式放大器，内设可 编程的恒流恒压源和可编程或固定的低通滤波器。桥式放大器4 4 3 0 a 配合使用系统支 架4 9 6 0 a 时，会提供一个自带的可编程系统，该系统既可通过前面板手控进行操作， 又可通过g p i b 接口对其实现程控。但是，这个系列产品的价格极其高昂。 目前，无论是国内还是国外公司制造的应变仪都是通过有线的方法来实现控制和 数据传输的。在远程信号的采集情况下，不得不采用长距离的信号引线，长信号线会 引入下列问题： 信号线越长，阻值越大，增加了系统误差； 电缆本身是一根高效的接收天线，能够接收到空间的电磁干扰，将干扰能量传迸 设备电路，造成干扰： 电缆本身是一根高效的辐射天线，能够将电路中的干扰辐射到空间，造成辐射发 射超标： 电缆中的导线相互平行，并且靠的很近 这些电容和互感是造成串扰的根本原因 缆屏蔽层引进了地线干扰。 导线之间具有很大的寄生电容和互感， 由于电缆连接的设备接地电位不同，电 如果以无线技术取代有线控制和数据传输的话，就可以避免以上的种种不利。另 外，就应变仪丽言t 无线技术可以拓展它的应用范围。譬如，测量转动直升飞机的旋 翼的向心力，如果采用无线控制传输技术。则可以避免有线控制传输带来的导线缠绕 问题。 无线技术逐渐成熟的今天，有许多无线方案可供选择，并且在智能仪器领域里得 到了普遍应用。本课题的任务是研制出一种基于无线技术，并且具有成本优势的可程 控应变仪，这种应变仪有着更加广阔的应用前景。 1 3 本文工作简介 本文工作分为：上位机和下位机两部分。其中上位机由p c 机担当，用以运行虚 拟仪器软件。下位机实现应变仪功能，也就是应变计输出信号的调理电路，包括信号 的放大和滤波。为满足直流供桥的需要，下位机还需要提供高精度程控直流电源。本 仪器还可以作为通用仪用放大器来使用，放大器的增益和滤波器截止频率都可以通过 程序来设定。以下就按照上位机和下位机两个部分来介绍本文的工作。 上位机运行的虚拟仪器软件实现如下功能： 1 ) 取代传统物理面板的虚拟面板，该面板可避免用户误操作： 硕士论文嵌入式程控应变仪的研制 2 ) 进行数制转换，处理下位机无法操作的浮点数运算； 3 ) 实现上位机与下位机通讯，负责任务的创建； 下位机由硬件和嵌入式软件组成，并由软硬件协同完成各模块的功能。本文主要 完成以下几方面工作： 1 ) 设计自动调零硬件电路，并充分利用下位机微处理器的可编程能力，通过编 程取代部分硬件电路，软硬件协同实现自动调零； 2 ) 把自动调零模块应用于输出级放大器失调电压的消除； 3 ) 设计程控滤波器电路，可以实现通过程序设定滤波器的截止频率； 4 ) 设计高精度程控直流电源，可通过程序选择供桥电源是恒压源还是恒流源， 恒流源的电流值或恒压源的电压值也是通过程序设定： 5 ) 设计程控放大器，利用程序设定或改变放大器的增益，本设计中共有1 6 中不 同的放大器增益： 6 ) 结合前后台系统和实时操作系统的优点，设计下位机系统软件，提高了系统 的实时性能。同时，具备一定的可扩展性能，为日后仪器性能扩展留有余地。 本应变仪的主要技术参数如下： 1 放大器 输入阻抗1 0 6q 共模抑制比1 0 0 d b 放大倍数1 2 0 0 0 ( 按1 、2 、4 、8 进制) v 增益精度0 1 增益稳定性o 0 6 唰小时 频率响应d c 一2 0 0 k h z ( 3 d b )k h z 满量程输出电压 1 0v 输出阻抗l oq 非线性 0 0 3 低通滤波器8 阶b u t t e r w o r t h 滤波， 程控截止频率d c 5 0 k h z ( 可 程控设置) 2 电桥 桥源性质 恒压源电压 电压稳定性 恒压源负载范围 恒流源电流 电流稳定性 恒流源负载范围 可编程选择恒压源或恒流源及其幅度 0 - 5 v ( 步长为2 4 m v ) o 1 5 0 2 0 0 0 n 0 2 0 m a m a ( 步长为o 0 0 4 8 m a ) 可以提 高电路的灵敏度。但是，在大多数情况下，利用多个应变计的成本高，不合算。更为 经济的方法是利用高增益放大器将电桥输出电压进行放大。 9 2 恒流源惠斯顿电桥 9 2 1 电桥的平衡条件及非线性问题 电流源供桥的惠斯顿电桥线路，如图9 2 所示。由恒流源提供的电流，在a 点被 d 图9 2 电流源供桥电桥线路 分为，1 和f ：，其中在电阻马上的电压降为：8 = i i 蜀， 屹d = 1 2 r 。那么电桥的输出电压v g 为： = 匕f 一d = i i r l 一只2 足4 电阻r 2 上的电压降为： ( 9 1 4 ) 硕士论文嵌入式程控应变仪的研制 由公式( 9 1 4 ) 可以得到电桥的平衡条件如下： i , r 1 = r 2 r 4 ( 9 1 5 ) 由于，和，是未知的，所以公式( 9 1 5 ) 形式的平衡条件没有什么实用价值。通 过以下的一些公式，可以推导出有用的电桥平衡形式。 以c = 1 ( r i + r 2 ) = 1 2 ( 尺 + r 4 ) ( 9 1 6 ) 由公式( 9 1 5 ) 可得： 2 爿r 猎r 矗， 阻m r 1 + 2 + 3 + 五4 l ：_ 卫生， ( 9 1 8 ) r l + r 2 + r 3 + r 4 把上两个公式代入( 9 1 4 ) 得： 名2 币i r 矗r 面( r 皿砌：冗) 9 1 9 ) 。 尺i +2 +3 + 尺4 r 一32 47 由公式( 9 1 9 ) 可知，恒流源的惠斯顿电桥的平衡公式和恒压源的惠斯顿电桥一 样，如公式( 9 5 ) 所示。 预先平衡的电桥开路输出电压v g 与各桥臂电阻变化量的关系如下式所示。 名= 西靠【( 蜀+ 雠，) ( 坞一r ，) 一( r ：+ 艘：) ( 髓+ a r t ) 】 2 丽 r l r 3 譬一等r + 等r 一等r + 等r 等一等r 当r 4 剐 尺+ 猷羁214 i 足， ” 其中， r = r l + r 2 + r 3 + r 4 欲= 欲1 + 歙2 + 雠3 + 猷4 公式( 9 2 0 ) 显示恒流源惠斯顿电桥的非线性输出。非线性取决于分母上的r 和 方括号中的二次项。当电桥的第一个桥臂上的电阻蜀为电阻应变片，其他桥臂上的 电阻全部采用阻值固定的电阻。例如， r l = r 4 = 矗r ，r 2 = r 3 = r r r ，破2 = a 足3 = 欲4 = 0 此时，公式( 9 2 0 ) 可简化为： 名= 擅r ， 2 ( 1 + r ) + ( 争砖 ( 9 2 1 ) 硕士论文 嵌入式程控应变仪的研制 上式可以表达为： 其中， ( 9 2 2 ) ( 9 2 3 ) 从公式( 9 - 2 3 ) 可以发现增加r 可以减小非线性影响。同时，恒流源供桥扩大了惠斯 顿电桥的测量范围。 9 2 2 恒流源惠斯顿电桥灵敏度 恒流源供电的惠斯顿电桥，如果仅一个桥臂安装应变片，其他桥臂为固定电阻的 情况，电桥的灵敏度由公式( 9 ，2 4 ) 决定。 = 釜= 嵩 限z 。， 蜀 假设电桥是对称的，则电流j ，= 1 2 ，则应变计的功耗如下 b = 珊，= 三煦， 上式代入公式( 9 2 4 ) 得出： s c c = 七雨 ( 9 2 5 ) 堕彤 h 屿一& 上一 些砰一h 骂一 坐砰一 妒 叩 堡丝，墼坚型墼塑塑型坠一 结束语 本文设计了程控应变放大器，可调理从电阻应变电桥输出的信号，包括可通过程 序设定信号的放大倍数和低通滤波器的截止频率。此外，该仪器还可用作仪用放大器。 由于电桥的供桥方式为直流供桥，所以本文设计了可提供恒流源和恒压源的直流程控 电源，恒流源和恒压源之间的切换、恒压源的电压值或恒流源的电流值设定也通过程 控实现。为了提高测量的精准性，在每次测量之前，应变仪的测量电桥必须进行电桥 平衡操作。本文充分利用了微控制器的编程能力，在保证精度的情况下，采用了较少 的元件，降低了电桥自动平衡电路的成本。 下位机系统软件的设计集合了前后台系统和多任务系统的优点，设计了一套适合 本程控应变放大器应用的软件。按优先级调度并执行任务，本文应用中的任务有执行 时间短、执行的过程不可被打断的特点，在比较了占先式内核和非占先式的优缺点后， 最终选择非占先式内核。既提升了系统的实时性能和可扩展性能，却不像商用的实时 操作系统r t o s 占用过多的系统资源，保持了本设计低成本特色。 本文采用虚拟面板取代传统的物理面板，不但降低成本、易于修改还提高了系统 的容错性。本文采用美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司利用虚拟仪器技术开发的软 件开发平台l a b w i n d o w s c v l 3 2 进行虚拟面板设计，同时实现上位机和下位机通讯的 功能。 通过串行通讯电缆把命令或数据传送绘达到控制的目的。目前，已经以有线的方 式实现了上位机和下位机的通讯。但限于时间和设备，无线通讯部分的工作留待师弟 陆金超完成。随着半导体技术的发展，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 技术正成为一个新的趋 势，如果把s o c 用于智能仪器的研究，不但可以降低整个仪器系统的功耗和体积与成 本，还可以提高整个系统的稳定性。仪器单片化也是一个非常新而有意义的课题。 些垒二垒塑塑塑丝塑坠一 致谢 在论文完成之际，谨向关心我、爱护我、支持我、鼓励我的师长、同学、亲友表 示衷心的感谢。 首先应该感谢的是我尊敬的导师石晓晶高工，本文的工作自始至终得到导师的悉 心指导。三年来，导师在学习、科研和生活等各方面给予我无私的关怀与帮助，导师 严谨的治学态度、渊博的知识以及平易近人的为人风格感染着我、激励着我，使我不 断进步。 感谢1 0 5 实验室的朱明武教授、王昌明教授、李永新教授、h 雄洙教授、孑l 德仁 副教授、吴健老师在本论文完成过程中给予的大力支持与无私的帮助，使我得以顺利 完成此文。感谢所有关心过我、帮助过我的老n i f 。 还要感谢孙冬梅、黄芬、袁峰、候斐、陆金超等各位学友以及师兄弟姐妹三年来 的关心帮助与支持，难忘共度的求学岁月。 感谢养育我多年的父母，你们无微不至的关怀和点点滴滴的支持使我在人生成长 的道路上的不断前进。最后感谢我的至爱栾冬梅小姐，在你的支持下得以顺利完成学 业。 谨以此文献给你们，并祝愿你们身体健康、事业腾达! 一些塑二尘堡墅鳖丝堡坠。一 参考文献 1 李华m c s 一5 1 系列单片机实用接口技术第一版北京：北京航空航天大学出版 社1 9 9 3 2 陈一新数字电位器d s l 2 6 7 及其在电桥自动平衡中的应用国外电子元器件2 0 0 2 ( 5 ) ：4 6 3 刘君华虚拟仪器编程语言l a b w i n d o w s c v i 教程第一版北京：电子工业出 版社2 0 0 1 4 e n d e v c o h o d e l 4 4 3 0 a 4 9 6 0 ap r o g r a m m a b l eb r i d g et r a n s d u c e rs i g n a l c o n d i t i o n e ri n s t r u c t i o nm a n u a l c a li o r n i a ，u s a 1 9 9 4 5 武汉力源电子股份有限公司x i c o r 非易失性器件使用手册第一版武汉：武 汉力源电子股份有限公司1 9 9 6 6 3 沈观林，马良埕电阻应变仪及其应用第一版北京：清华大学出版社1 9 8 3 7 美 h e r b e r ts c h i l d t c 语言大全第一版北京：电子工业出版社 8 康华光电子技术基础模拟部分第三版北京：高等教育出版社1 9 8 8 9 b u r r b r o w ni n t e g r a t e dc i r c u i t sd a t ab o o k b u r r b r o w nc o r p o r a t i o n 1 9 9 8 1 0 克劳斯贝伊特数字技术第一版北京：科学出版社1 9 9 9 1 1 李永敏检测仪器电子电路第一版西安：西北工业大学出版社1 9 9 4 1 2 a l t e r ad a t ab o o k a l t e r ac o r p o r a t i o n 1 9 9 6 c 1 3 廖裕评，陆瑞强c p l d 数字电路设计使用m a x + p l u si i 入门篇第一版北 京：清华大学出版社2 0 0 1 1 4 侯伯亨，v h d l 硬件描述语言与数字逻辑电路设计第一版西安：西安电子科 技大学出版社1 9 9 7 1 5 m a x 2 3 3 ad a t as h e e t v e r s i o ni m a x i md a t ab o o k 2 0 0 1 1 6 j e a nj l a b r o s s e u c 0 s i i 一源码公开的实时嵌入式操作系统第一版北 京：中国电力出版社2 0 0 1 ( 1 7 现代操作系统 1 8 王铁勇，吴盘龙，刘贞报在单片机中嵌入操作系统的利弊今日电子2 0 0 2 ( 9 ) ：8 - 9 1