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模块化应变监测光纤组件的设计

2014-10-18 01:08
Minor昔年
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  微弱信号的检测,存在以下难点:(1)电桥电压的波动,引起输出的波动。(2)应变片阻值一致性差,造成测量误差。(3)应变片由于温度的补偿不解决,影响电桥输出量不精确。(4)A/D转换器的位数影响,A/D转换位数多,则转换精度高、速率低。反之,则转换精度低、速率高。(5)滤波器设计的准确与否,将决定能否将噪声信号滤除。(6)由于开始悬挂重物时,悬梁臂的抖动,会使输出电压不稳定,从而产生误差。

  针对以上问题,文中提出的改进方法如下:(1)采用高精度稳压电源。(2)对应变片进行筛选,采用物理性能相同的应变片。(3)对应变片采用温度补偿装置,并在软件上进行补偿,使温度对应变片的影响降到最低。(4)在满足速率性能指标的前提下尽可能提高A/D转换器的位数,减小量化误差。(5)进一步准确的设计滤波器,将噪声信号充分滤除。(6)延迟一定的时间,等信号稳定后再进行采样。

  16路串行数据送到2级模块,CPLD把16路串行信号接收过来,因为每一路串行信号包含16路应变信号,16路串行信号总共含有256路应变数据,CPLD把256路应变数据进行数据复接、数据编码、并串转换等一系列处理,转换成按一定次数排列的串行信号,发送到下一级模块。2级模块原理框图如图3所示。

模块化应变监测光纤组件的设计

  图3 二级模块示意框图

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  图4 三级模块示意框图

  3级模块原理框图如图4所示。3级模块的原理同2级模块,接收16路2级模块发送过来的应变信号,共有4 096路应变信号,然后通过光模块转换成光信号,通过光纤发送到远端,在远端由接收端进行接收。

  接收端原理框图如图5所示。接收端由光模块接收远端发送过来的光信号,转换成电信号送到后续电路进行数据接收、解码等处理,将4 096路应变信号接收,然后根据上位机要求的数据摆放次数依次摆放,在通信接口芯片把应变数据发送到上位机进行应变信号的存储、处理和显示等。

模块化应变监测光纤组件的设计

  图5 接收端示意框图

  2、主要器件选型

  2.1 ADC转换器的选择

  对于ADC转换器,选取的标准主要取决于采样频率和位数,以及价格、供货周期、应用情况等因素。由于系统模拟信号的通道数比较多,需要选择多通道A/D。系统采用AD公司的AD7490。AD7490是一款12 bit的高速、低功耗的模数转换器,输入信号可以达到1 MHz,有16个通道,单电源2.7~5.25 V供电。采样率可达1 MSample·s-1,在5 V的工作电压下工作频率可达20 MHz,通信接口为高速串行接口SPI。

  2.2 CPLD的选择

  Altera公司的MAX V系列CPLD具有低电压、低消耗等特点。MAX V系列的特性如表1所示,根据实际需要,选择5M570Z作为产品的控制核心。

模块化应变监测光纤组件的设计

  3、仿真结果

  通过数据采集功能仿真,即AD7490控制器驱动仿真。验证了代码设计满足了设计功能,具体过程如下:模数转换芯片AD7490,正常工作前需要初始化,有3个DUMMY周期。AD7490写周期包括16个ADC时钟,ADC时钟通过系统时钟分频得到,设定ADC工作时钟为10 MHz,系统时钟为20 MHz。

  CPLD引脚分配说明如表2所示。

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