工业级AM3354的应变采集系统设计

游开春

(西南计算机有限责任公司 信息技术研究所，重庆 400060)



工业级AM3354的应变采集系统设计

游开春

(西南计算机有限责任公司 信息技术研究所，重庆 400060)

摘要:在桥梁安全监测中常用微应变来衡量形变大小，利用安装在桥梁下面的应变传感器测量车辆经过桥面引起的桥梁应变。采用基于Cortex-A8内核的AM3354工业级CPU，搭载Linux操作系统，设计了一款具有12位A/D转换精度、200倍放大倍数的应变实时采集系统。通过等效应变装置来标定系统的可靠性，并模拟实际场景。通过测试，验证了系统的可靠性。

关键词:微应变；A/D转换；放大器；标定测试

引言

桥梁在负荷状态下会发生形变，为了确保桥梁应变在实际承载能力范围内，设计了应变传感器来测量桥梁的实际应变。一般应变传感器原理是将应变片置于惠斯登电桥的两个或者4个桥臂上，组成半桥或者全桥应变传感器，当传感器受力时，其阻值会发生变化导致电桥不平衡，从而有差分电压输出，通过读取这个差分电压值来计算惠斯登电桥的受力情况，从而得出应变值。然而由于输出的差分电压较小，一般为mV数量级，需要加一个放大器对电压进行放大，以便观测。为此本文采用A/D精度为12位，最大采集电压为1.8 V的AM3354处理器，并且设计输出电压放大倍数为200的放大器对桥梁应变值进行采集。该采集系统设计为4路同步采集，每通道采样率不小于5 ksps，并且带有抗混滤波功能，可适用于低频采样。

1A/D驱动设计

Cortex-A8处理器最多支持8路A/D同步采集，实际引出了7路，本文将编写基于platform 总线、具有4路同步采集的A/D驱动。在platform_driver中，I/O映射及申请资源需要在probe中实现，这些资源包括内存资源和中断资源。

struct resource *res = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 1);

int irq = platform_get_irq(pdev, 0);

申请资源成功后需要声明内存资源被占用：

res = request_mem_region(res->start,resource_size(res), pdev->name);

申请中断、时钟配置以及资源映射等也需要在此处实现：

request_irq(adc_dev->irq,adc_interrupt, IRQF_DISABLED,pdev->dev.driver->name, adc_dev);

其中，adc_dev结构体定义如下：

structadc_st {

struct cdevadc;

intirq;

void_iomem*adc_base;

};

在adc_interrupt函数中通过操作FIFO1来读取12位A/D转换后的电压值，通过STEP13-120对通道进行配置，以实现4路同步采集，在adc_read函数中，数据通过以下函数拷贝到用户空间，以便供应用程序调用：

copy_to_user(buffer,(char*)&adc_data,sizeof(adc_data));

最后通过platform_driver_register注册。

在platform_device中首先通过resource数据结构体来分配platform_driver所需要的内存资源和中断资源，然后通过platform_device_register来注册。需要说明的是，platform_driver_register和platform_device_register匹配的前提是platform_driver结构体和platform_device结构体的成员名字保持一致。

为了系统使用方便，将A/D驱动编译进内核，驱动配置的采样率为200 ksps，并且实际使用路数可以通过调整板文件来设置，可以动态地调整为4、5、8路，修改板文件后只需重新烧写内核。

基于platform总线来编写A/D驱动程序设计至少有两个好处：第一，设备被挂载到一个总线上，符合Linux2.6的设备模型，其结果是配套的sysfs节点、设备电源管理都成为可能；第二，体现设备和驱动分离的思想，platform_driver所需要的资源设备配置信息与具体驱动分离，只需要通过API去获得资源和数据，做到了开发板相关代码与驱动代码分离，使得驱动具有更好的可扩展性、跨平台性。

2放大电路设计

由于A/D采集精度只有12位，由工具式表面应变传感器的灵敏系数K≈2000(με/mV/V)可知，桥压采用5 V电压时，对于2 000微应变输出为5 mV，每个微应变对应2.5 μV输出。对于精度为12位的A/D来说，分辨率为1.8 V/212=0.44 mV，因此放大器采用200倍放大，在精度上可以满足要求。

4通道应变片信号放大板，使用了具有4片低噪声、非斩波稳零的双极性电源(电压翻转芯片实现双电源供电)、低输入偏置电流、低失调电压漂移等指标的运算放大集成芯片OP07C，增加了信号的精准度；而市面很多放大板为单电源供电，这无疑降低了放大器和A/D的性能。4通道放大板每个通道都有RC滤波器，可以选择使用或者不使用RC滤波器。因为A/D模块的最大采集电压为1.8 V，实际放大器还通过稳压二极管对放大后的输出电压进行了限压，以保护A/D模块，各通道还采用电位器来实现调零以及放大倍数的调节，所以使用前需要先将放大器调零。实际放大电路板如图1所示。

3桥压标定

应变传感器使用工具式表面应变传感器WDAS-YB100，此传感器最大量程为5 000个微应变，桥路阻值为350 Ω，灵敏系数为K≈2 000(με/mV/V)，由于实际使用中需要加上几十m长线来模拟现场环境，而放大模块经过稳压芯片后提供的4路输出电压是5 V，经过导线衰减后小于5 V，本文做了一个线性补偿，使用长度为87 m的4芯线的导线来观测，实际测得每根芯线阻值为30 Ω。等效惠斯登电桥模型如图2所示。

图1　放大电路实物图

图2　等效惠斯登电桥模型

由于惠斯登电桥的阻值不会发生很大变化，可以认为整体阻值大约为350 Ω，因此桥压可以按照下式来计算：

而实际测得的电压为4.623 V，误差仅为0.4%，实际测量时候只需知道导线长度l，其电阻阻值可以由以下公式来计算：

桥压可以由下式得出：

由上述两个公式可以得出实际桥压与线长的关系。

4标定测试

为了使用方便，将Cortex-A8的内核以及系统烧写进Flash，实际操作时只需要一根串口线和串口调试助手即可。

系统共分两层，上层为放大模块，下层为A/D采集模块。最终实物如图3所示。

图3　应变采集系统实物图

实际测试用等效应变源来标定数据，桥臂电阻为120 Ω，共有100、300、1000、3 000几个微应变档位。桥压5 V情况下理论输出电压如表1所列。

表1　微应变值与输出电压的对应关系

在标定过程中，对100、300、1000微应变分别进行测试，将每一路的放大器输出接A/D采集模块的输入端，并启动A/D采集来观测各个档位时的输出电压。100微应变时采集结果如图4所示。

300、1000微应变时采集结果分别如图5、图6所示。

图4　100微应变A/D采集结果

图5　300微应变A/D采集结果

图6　1000微应变A/D　采集结果

通过上述数据与实际输出数据的对比，3个档位的微应变采集误差实际分别为：0.7%、0.4%、0.2%。可以得出结论，此系统具有较高的可靠性。

在实际系统中，应变采集系统在设计中加入3个菜单：菜单1用来验证系统可靠性；菜单2用来接实际全桥传感器WDAS-YB100；菜单3根据导线长度情况对桥压衰减做一个线性算法，根据实际计算的桥压来计算微应变值。

结语

参考文献

[1] 郑军庭,李建勋,杨恒,等.基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测研究[J] .系统仿真学报,2007,19(1):197-200.

[2] 银敏晨,王力虎.嵌入式Linux下AD驱动程序设计和测试[J] .工业控制计算机,2010(8):94-95.

[3] 邓焱,严普强.梁及桥梁应变模态与损伤测量的新方法[J] .清华大学学报:自然科学版,2000,40(11):123-127.

[4] 郑宇翔.基于应变传感器的无线测量系统的设计与实现[D] .哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

[5] 王骐.基于桥梁应变测量的现场无线数据采集子系统的硬件构架设计[J] .仪表技术与传感器,2009(1):91-93.

游开春(工程师)，主要从事计算机及嵌入式系统开发。

英飞凌支持三星Gear S2智能手表实现安全的NFC支付

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Design of Industrial-grade AM3354 Strain Acquisition System

You Kaichun

(Institute of Information Technology,Southwest Computer co.,Ltd.,Chongqing 400060,China)

Abstract：In the bridge safety monitoring,the micro-strain is often used to measure the deformation,which is measured by the strain sensors installed under the bridge.In the paper,a strain real-time acquisition system with 12bit A/D conversion accuracy and 200 times magnification is designed,which is based on AM3354 industrial-grade CPU and Linux operating system.The reliability of the system is calibrated by the equivalent strain device and the actual scene is simulated.The experiment results show that the system is reliable.

Key words:micro-strain;A/D conversion;amplifier;calibration test

收稿日期：(责任编辑：薛士然2015-08-06)

中图分类号:TP271

文献标识码:A