工業級AM3354的應變采集系統設計

游開春

(西南計算機有限責任公司 信息技術研究所，重慶 400060)

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工業級AM3354的應變采集系統設計

游開春

(西南計算機有限責任公司 信息技術研究所，重慶 400060)

摘要:在橋梁安全監測中常用微應變來衡量形變大小，利用安裝在橋梁下面的應變傳感器測量車輛經過橋面引起的橋梁應變。采用基于Cortex-A8內核的AM3354工業級CPU，搭載Linux操作系統，設計了一款具有12位A/D轉換精度、200倍放大倍數的應變實時采集系統。通過等效應變裝置來標定系統的可靠性，并模擬實際場景。通過測試，驗證了系統的可靠性。

關鍵詞:微應變；A/D轉換；放大器；標定測試

引言

橋梁在負荷狀態下會發生形變，為了確保橋梁應變在實際承載能力范圍內，設計了應變傳感器來測量橋梁的實際應變。一般應變傳感器原理是將應變片置于惠斯登電橋的兩個或者4個橋臂上，組成半橋或者全橋應變傳感器，當傳感器受力時，其阻值會發生變化導致電橋不平衡，從而有差分電壓輸出，通過讀取這個差分電壓值來計算惠斯登電橋的受力情況，從而得出應變值。然而由于輸出的差分電壓較小，一般為mV數量級，需要加一個放大器對電壓進行放大，以便觀測。為此本文采用A/D精度為12位，最大采集電壓為1.8 V的AM3354處理器，并且設計輸出電壓放大倍數為200的放大器對橋梁應變值進行采集。該采集系統設計為4路同步采集，每通道采樣率不小于5 ksps，并且帶有抗混濾波功能，可適用于低頻采樣。

1A/D驅動設計

Cortex-A8處理器最多支持8路A/D同步采集，實際引出了7路，本文將編寫基于platform 總線、具有4路同步采集的A/D驅動。在platform_driver中，I/O映射及申請資源需要在probe中實現，這些資源包括內存資源和中斷資源。

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

int irq = platform_get_irq(pdev, 0);

申請資源成功后需要聲明內存資源被占用：

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

申請中斷、時鐘配置以及資源映射等也需要在此處實現：

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

其中，adc_dev結構體定義如下：

structadc_st {

struct cdevadc;

intirq;

void_iomem*adc_base;

};

在adc_interrupt函數中通過操作FIFO1來讀取12位A/D轉換后的電壓值，通過STEP13-120對通道進行配置，以實現4路同步采集，在adc_read函數中，數據通過以下函數拷貝到用戶空間，以便供應用程序調用：

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

最后通過platform_driver_register注冊。

在platform_device中首先通過resource數據結構體來分配platform_driver所需要的內存資源和中斷資源，然后通過platform_device_register來注冊。需要說明的是，platform_driver_register和platform_device_register匹配的前提是platform_driver結構體和platform_device結構體的成員名字保持一致。

為了系統使用方便，將A/D驅動編譯進內核，驅動配置的采樣率為200 ksps，并且實際使用路數可以通過調整板文件來設置，可以動態地調整為4、5、8路，修改板文件后只需重新燒寫內核。

基于platform總線來編寫A/D驅動程序設計至少有兩個好處：第一，設備被掛載到一個總線上，符合Linux2.6的設備模型，其結果是配套的sysfs節點、設備電源管理都成為可能；第二，體現設備和驅動分離的思想，platform_driver所需要的資源設備配置信息與具體驅動分離，只需要通過API去獲得資源和數據，做到了開發板相關代碼與驅動代碼分離，使得驅動具有更好的可擴展性、跨平臺性。

2放大電路設計

由于A/D采集精度只有12位，由工具式表面應變傳感器的靈敏系數K≈2000(με/mV/V)可知，橋壓采用5 V電壓時，對于2 000微應變輸出為5 mV，每個微應變對應2.5 μV輸出。對于精度為12位的A/D來說，分辨率為1.8 V/212=0.44 mV，因此放大器采用200倍放大，在精度上可以滿足要求。

4通道應變片信號放大板，使用了具有4片低噪聲、非斬波穩零的雙極性電源(電壓翻轉芯片實現雙電源供電)、低輸入偏置電流、低失調電壓漂移等指標的運算放大集成芯片OP07C，增加了信號的精準度；而市面很多放大板為單電源供電，這無疑降低了放大器和A/D的性能。4通道放大板每個通道都有RC濾波器，可以選擇使用或者不使用RC濾波器。因為A/D模塊的最大采集電壓為1.8 V，實際放大器還通過穩壓二極管對放大后的輸出電壓進行了限壓，以保護A/D模塊，各通道還采用電位器來實現調零以及放大倍數的調節，所以使用前需要先將放大器調零。實際放大電路板如圖1所示。

3橋壓標定

應變傳感器使用工具式表面應變傳感器WDAS-YB100，此傳感器最大量程為5 000個微應變，橋路阻值為350 Ω，靈敏系數為K≈2 000(με/mV/V)，由于實際使用中需要加上幾十m長線來模擬現場環境，而放大模塊經過穩壓芯片后提供的4路輸出電壓是5 V，經過導線衰減后小于5 V，本文做了一個線性補償，使用長度為87 m的4芯線的導線來觀測，實際測得每根芯線阻值為30 Ω。等效惠斯登電橋模型如圖2所示。

圖1　放大電路實物圖

圖2　等效惠斯登電橋模型

由于惠斯登電橋的阻值不會發生很大變化，可以認為整體阻值大約為350 Ω，因此橋壓可以按照下式來計算：

而實際測得的電壓為4.623 V，誤差僅為0.4%，實際測量時候只需知道導線長度l，其電阻阻值可以由以下公式來計算：

橋壓可以由下式得出：

由上述兩個公式可以得出實際橋壓與線長的關系。

4標定測試

為了使用方便，將Cortex-A8的內核以及系統燒寫進Flash，實際操作時只需要一根串口線和串口調試助手即可。

系統共分兩層，上層為放大模塊，下層為A/D采集模塊。最終實物如圖3所示。

圖3　應變采集系統實物圖

實際測試用等效應變源來標定數據，橋臂電阻為120 Ω，共有100、300、1000、3 000幾個微應變檔位。橋壓5 V情況下理論輸出電壓如表1所列。

表1　微應變值與輸出電壓的對應關系

在標定過程中，對100、300、1000微應變分別進行測試，將每一路的放大器輸出接A/D采集模塊的輸入端，并啟動A/D采集來觀測各個檔位時的輸出電壓。100微應變時采集結果如圖4所示。

300、1000微應變時采集結果分別如圖5、圖6所示。

圖4　100微應變A/D采集結果

圖5　300微應變A/D采集結果

圖6　1000微應變A/D　采集結果

通過上述數據與實際輸出數據的對比，3個檔位的微應變采集誤差實際分別為：0.7%、0.4%、0.2%?？梢缘贸鼋Y論，此系統具有較高的可靠性。

在實際系統中，應變采集系統在設計中加入3個菜單：菜單1用來驗證系統可靠性；菜單2用來接實際全橋傳感器WDAS-YB100；菜單3根據導線長度情況對橋壓衰減做一個線性算法，根據實際計算的橋壓來計算微應變值。

結語

參考文獻

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[5] 王騏.基于橋梁應變測量的現場無線數據采集子系統的硬件構架設計[J] .儀表技術與傳感器,2009(1):91-93.

游開春(工程師)，主要從事計算機及嵌入式系統開發。

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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：(責任編輯：薛士然2015-08-06)

中圖分類號:TP271

文獻標識碼:A