一种基于PS081的无线应变测量系统硬件设计

邓 霏，胡 驰，管明杨

（中国工程物理研究院计算机应用研究所，四川 绵阳 621900）

一种基于PS081的无线应变测量系统硬件设计

邓 霏，胡 驰，管明杨

（中国工程物理研究院计算机应用研究所，四川 绵阳 621900）

针对传统的基于ADC的应变测量系统具有高功耗、精度低、抗干扰性差、成本高等缺点的情况，设计一种基于TDC（时间数字转换）芯片PS081的无线应变测量方案，只需要一颗PS081芯片即可实现应变信号到数字信号的转换。文章详细描述了测量电路的基本原理和具体实现方法，并与ADC应变采集方案进行对比，通过对比表明：该方案具有低功耗、高精度、宽测量范围、不需调零、抗干扰性好、体积小等特点。

TDC；无线应变测量；ARM；PS081

0 引 言

目前，国内外测量应变基本是通过应变片组成惠斯通电桥[1-3]，将应变的电阻变化转化为电压信号，然后对电压信号经过放大、滤波、调零，最后通过AD芯片对调理后的电压信号进行采集。而信号的放大，一般要经过两级放大，才能被AD芯片采集。这种方法在信号调理系统放大微小的应变信号时，也会放大外部干扰，且测量本身对测量环境要求较高，测量的精度甚至准确性会因为这个微小信号放大环节产生比较大的影响。再者，这种传统的测量方法还需要调零电路、滤波电路、基准源电路等，这样导致了整个测量系统的高成本和高功耗，整个采集电路的体积也会比较大，不太适合大规模工业应用[4-5]。

为此，本文采用TDC芯片PS081来代替传统的应变测试方法，该方法只需要一片PS081芯片就可以实现应变信号到数字信号的转换。

1 PS081 的特性与测量原理

1.1 主要特性

PS081是一款适合超低功耗以及高精度应用的片上系统方案，此芯片是专门为金属应变的测量和其他力学测量的应用而设计的[6]。PS081同时还集成了一颗28位的转换器以及一个24位的内部处理器。另外芯片还集成了LCD驱动，带有很多强大指令和函数的3 K ROM，以及可以无限次编程的2 K EEPROM，内部还带有10 kHz的晶振给芯片提供时钟源，仅需很少的一些外部原件就可以建立起完整的应变测量电路。芯片的输出频率可以通过编程在1～1000Hz范围内调整。PS081具有独立的温度测量端口、寄生电容补偿电路和SPI通信端口，并可以软件校正传感器的温度增益和零点偏移。根据配置的不同电流消耗大约在0.05～0.4mA不等。

1.2 测量原理

基于PS081的TDC应变的测量本身是通过测量放电时间来间接测量的。

如图1所示，放电时间是测量应变电阻通过一个放电电容Cload放电来获得。正向变化和反向变化的应变电阻放电时间都会进行测量。如图2所示，两个放电时间的比值则反映应变电阻的变化信息。时间测量由高准确度内部时间单元完成，其测量准确度可达15 ps（通过平均可以达到0.5 ps）。测量开始，PS081先对负载电容Cload充电，充电完成后，负载电容Cload分别通过两个应变电阻放电；通过PS081高准确度内部时间单元，可以准确测量出两次发电时间差dt。通过PS081的内部计算，可以算出应变电阻阻值的变化。

2 系统硬件设计

2.1 系统整体设计

图1 PS081充放电示意图

图2 PS081测量原理

图3 系统整体设计

如图3所示，MCU（STM32）通过SPI和PS081通信，并通过SPI配置PS081的各个寄存器，给PS081发送控制命令，从PS081的内部RAM中读出测量结果。

STM32从PS081的RAM中读出测量结果后，数据通过两种方式进行处理：

1）直接存储在系统的SD卡中。

2）通过高速无线传输设备NanoPAN 5375实时发送给送上位机，上位机同步对数据进行处理并存储。

2.2 PS081数据转换模块

PS081作为整个系统的模拟前端，其元器件的选择，元器件的合理布局和走线，PS081寄存器的合理设置是保证整个系统实现高准确度测量的关键。

由于PS081是通过测量放电时间来测量应变的，因此，选择低温漂的COG电容能大幅度提高测量系统的温度稳定性和精度。使用外部比较器时，用低噪声的PNP三极管如2N5087、CMKT5087、BC859可以进一步提高测量准确度。

下面具体叙述为达到最好的测量准确度，如何根据应变片的阻值来配置PS081的重要参数。

以350 Ω的电阻应变片为例，其初始电阻值为R0=350Ω，配置情况如下：

1）通过配置寄存器single_conversion和stretch配置PS081为高精度连续测量模式。

2）放电电容的配置必须满足t=0.7·R0·Cload≈100～150μs，所以设定放电电容为300～400nF。

3）充电时间必须足够长以保证Cload被充满，充电时间一般为整个周期时间的30%。如果周期时间设置得太小（在放电时间的范围内或者更小）就会出现溢出，周期时间在寄存器cyctime（13：4）中进行设置。

4）在PS081中，通过内部求平均的方法可以提高测量准确度，可以通过设置寄存器2中AVRate的值设置求多少次采样的平均值。通过求平均值，测量结果的标准偏差可以提高所求平均数的均方根次倍。

5）因为比较器的主要作用是降低噪声，所以就引入了延迟时间，而这个延迟时间是不能够被忽略的。比较器的延迟时间受CUCOMP1和CSTOP的电容值影响。因为这些值可以改变，所以可通过寄存器Mult_PP[7：0]来调整修正程式。

2.3 MCU模块

控制部分采用ST公司基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103T8系列超低功耗微控制器。它具有72MHz的主频，64KB Flash，20KB SRAM。该处理器内部还集成了6个16定时器、2个16位看门狗定时器、SPI接口、I2C接口、USART接口、USB2.0接口、CAN总线等。控制模块主要实现对PS081的配置、控制以及数据读取，建立文件系统，将采集的数据存在SD卡中。通过SPI接口和NanoPAN 5375通信，实现数据的无线实时上传以及接收上位机的命令。

2.4 Nano数据接收模块

数据接收模块主要是接收下位机发送上来的数据，并把数据传输给电脑。为了提高数据接收模块的通用性，本文采用串口转USB芯片CP2102，Nano收到数据后，通过SPI发给接收模块的MCU，MCU再通过串口发给CP2102，CP2102通过USB发送给电脑。CP2102的通信数据可以达到1Mb/s，可以满足测量结果实时传输的要求[7]。CP2102 USB转串口电路如图4所示。

3 PCB优化设计

由于测量的应变信号非常微小，所以好的PCB布局、走线和元器件选择对于获得好的测量质量至关重要。PS081本身必须放置在离PCB边缘比较近的地方，因为测量端口一般会放置在边缘，不能够有任何线跨接在测量端口和PS081的连接线。给PS081提供时钟基准的4M陶瓷晶振要放置的距离PS081的20和21管脚尽量近，并用地层在PCB的各个层环绕这个晶振。VCC_LOAD、VCC_CORE的去耦电容要放置的和相应的电源管脚尽量的近。放电电容Cload也要放置的PS081的load端口尽量近，LOAD线连接了应变传感器、LOAD管脚和Sense_In管脚，这根导线的走线非常重要，load线在任何层都不能跨接晶振线，PA081的SG测量端口以及PS081的SPI端口，最好在顶层和底层都用一个底层环绕load线。最后，做好在PCB的顶层和底层都覆上地层铜，并通过过孔在PCB的不同地方连接地层。通过合理的布局布线，采用双层板也可以达到很好的测量准确度。

4 系统测试

4.1 准确度测试

准确度测试是为了测试系统输出的准确度，首先，将一个10kg的力传感器接入系统，然后分别用3个不同重量的标准砝码让在力传感器上，标定出力传感器系数为4375，将力传感器和应变测量系统组成一个称重系统。然后用标定出来的称重系统来称其余的标准砝码，测试结果如表1所示，通过测试表明，测试系统的准确定非常好。

4.2 测量准确度测试

图4 CP2102 USB转串口电路

表1 准确度测试

表2 3种测量系统基本信息

准确度测试的方法是在轨道交通实验室的钢轨上贴一组应变片，然后让模拟试验车通过轨道，分别用德国IMC CS 5008动态应变测量系统、基于AD公司AD8556的应变测量系统、基于PS081的应变测量系统分别采集应变数据，然后把数据换算成δR/R进行对比。3种测量系统基本信息见表2。

图5 系统准确度测试对比图

系统准确度测试对比图见图5，从图上可以看出，模拟试验车通过轨道时会有4个高应变值，分别是模拟试验车的前后两个转向架的4个轮对通过测试点时产生的。通过对比可以看出，本文的应变测量系统的测量准确度明显优于基于AD8556的应变测量系统，基本达到了德国IMC动态应变测量系统的准确度。

5 结束语

通过实际使用和测试结果表明，本应变测试系统的准确度好，精度高，功耗低，抗干扰能强，工作稳定可靠，而且整个测试系统的电路更加简单，成本更加低廉，因此，本测试系统具有良好的工程使用价值。

[1]Wang D W， Wang H，Liang Z G，et al.Study of eliminating calculation errors in large -strain measurement with strain gauges[J].Applied Mechanics and Materials，2011（9）：138-139.

[2]Sensmeier，Mark D，Nicho，et al.Minimizing vibratory strain measurement error [J]. American Society of Mechanical Engineers，1998（34）：72-78.

[3]张兆亭，闫连山，王平，等.基于光纤光栅的钢轨应变测量关键技术研究[J].铁道学报，2012，34（5）：65-69.

[4]Jian G D，Guo B S，Song Q L.A high-resolution timetodigital converter system based on digital delay line[J]. Nuclear Techniques，2005（15）：37-40.

[5]吕凡任，邵红才，金耀华，等.真压力对电阻应变片应变测量影响的实验研究[J].工业建筑，2012，43（6）：98-101.

[6]国海东，姜丽娟.数字式静态应变测量试验系统的设计[J].吉林化工学院学报，2010，27（4）：55-58.

[7]张博.用CP2102升级串行接口为USB接口的应用设计[J].自动化技术与应用，2009，28（6）：101-105.

Hardware design of PS081-based wireless strain measurement system

DENG Fei，HU Chi，GUAN Mingyang
（Institute of Computer Applications，China Academy of EngineeringPhysics，Mianyang 621900，China）

In order to solve the probelms of tranditional measurement system based on ADC，for examples，advantages of high-power，low-precision， big disturbance，High-cost，A wireless strain measurement system based on a TDC（Time to Digital Converter）chipPS081 was designed in this paper.The scheme only need to realize the conversion of strain signal to digital signal to aPS081 chip.The basic principles of the measuring circuit and specific implementation are described in details.A comparison was made between TDC and ADC strain measurement，and the result shows the system designed in this paper has the advantages of low-power，high-precision，wide measuring range，no zeroing，anti-interference and small size.

TDC；wireless strain measurement；ARM；PS081

A

：1674-5124（2015）05-0103-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.026

2014-08-19；

：2014-10-27

邓 霏（1988-），男，四川绵阳市人，工程师，研究方向为软件测试、智能仪器与传感器。