基于FPGA的柔性應(yīng)變測量裝置設(shè)計(jì)

作者簡介：鹿文龍（1985—），男，工程師，主要研究方向：傳感器及調(diào)理電路設(shè)計(jì)、測試測量、信號采集與處理。E-mail：luwenlong1985@126.com。

0   前言

固體火箭發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑藥柱具有一定彈性，受重力、溫度等因素影響，藥柱內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力。在應(yīng)力作用下藥柱表面會產(chǎn)生應(yīng)變，通常應(yīng)變量較大。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定程度時(shí)，藥柱內(nèi)部會產(chǎn)生孔隙，表面會產(chǎn)生裂紋，藥柱會發(fā)生破壞性改變。而藥柱的狀態(tài)直接影響著火箭發(fā)動機(jī)的飛行狀態(tài)，藥柱如果存在缺陷很可能引起飛行任務(wù)失敗^[1-3]。因此采取措施測量藥柱表面的應(yīng)變具有重要意義。因?yàn)樗幹哂袕椥远殷w積較大，其表面應(yīng)變通?？蛇_(dá)數(shù)毫米，無法使用普通應(yīng)變傳感器測量?；鸺l(fā)動機(jī)生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行高頻振動試驗(yàn)考核，振動過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測藥柱表面應(yīng)變情況。通常振動頻率可達(dá)1 kHz，需要設(shè)計(jì)高速測量裝置才能滿足測試需求。本文使用柔性應(yīng)變計(jì)設(shè)計(jì)柔性應(yīng)變傳感器，具有測量范圍大、便于粘貼、可雙向測量的特點(diǎn)，解決了藥柱應(yīng)變測量的難題。基于FPGA 設(shè)計(jì)高速應(yīng)變測量裝置，具有多路采集、數(shù)據(jù)存儲和顯示等功能，可實(shí)時(shí)處理多路應(yīng)變信號。

1   測量原理

1.1 應(yīng)變測量原理

具有彈性的物體受到應(yīng)力時(shí)會產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變量與應(yīng)力大小成正比。固體火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑為高分子復(fù)合材料，制成的藥柱具有彈性。當(dāng)藥柱受到重力影響或者溫度發(fā)生變化時(shí)，都會引起內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)力會引起藥柱內(nèi)部和表面產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變量與應(yīng)力^[4-5]存在如下關(guān)系：

（ε 應(yīng)變量、F 應(yīng)力、E 彈性模量） （1）

固體火箭發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑藥柱體積較大，而藥柱的彈性模量較小，通常約為0.8 MPa，因此藥柱產(chǎn)生的應(yīng)變量較大，最大可達(dá)10%。普通的應(yīng)變傳感器使用剛性材料制成，只能用來測量微小應(yīng)變，最大量程約為1%，無法滿足藥柱應(yīng)變測量需求。設(shè)計(jì)中選擇柔性材料制成的應(yīng)變傳感器來測量藥柱的應(yīng)變量。

1.2 應(yīng)變傳感器

應(yīng)變傳感器選擇的柔性材料制成大量程柔性應(yīng)變計(jì)^[6]屬于大塑性應(yīng)變測量應(yīng)變計(jì)，采用完全退火的康銅敏感柵材料和聚酰亞胺基底材料制造而成，具有高延展性、高伸長率，是材料及結(jié)構(gòu)的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變分析的理想測試元件。

該應(yīng)變計(jì)相對于普通應(yīng)變計(jì)提升了敏感絲柵材料的延展性和伸長率，改進(jìn)了應(yīng)變計(jì)敏感絲柵結(jié)構(gòu)，降低了基底剪切應(yīng)力和焊盤應(yīng)力的集中影響，改善了應(yīng)變計(jì)的拉伸特性，可避免大應(yīng)變時(shí)斷線產(chǎn)生，最大能夠測量20% 范圍內(nèi)的雙向應(yīng)變量。該應(yīng)變計(jì)可以滿足藥柱應(yīng)變測量需求，主要參數(shù)如下：

●   測量極限：±20%；

●   溫度范圍：-30 ～ +60 ℃；

●   阻值：120 Ω；

●   阻值偏差：標(biāo)稱值±1%；

●   應(yīng)變系數(shù)：≥ 2.0。

2   測量裝置設(shè)計(jì)

2.1 測量裝置組成

圖2 應(yīng)變測量裝置系統(tǒng)組成

如圖2 所示，柔性應(yīng)變測量裝置由多個(gè)應(yīng)變計(jì)和采集裝置組成。應(yīng)變計(jì)黏貼在藥柱表面不同位置，用于感應(yīng)應(yīng)變。采集裝置位于藥柱外部，可同時(shí)采集多路應(yīng)變量，并具有運(yùn)算、存儲、顯示和發(fā)送等功能。

2.2 采集裝置組成

采集裝置主要由電源模塊、控制器模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、存儲模塊、時(shí)鐘模塊、按鍵輸入模塊、串口通信模塊、USB 接口模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊組成，其內(nèi)部組成框圖如圖3 所示。

其中電源模塊實(shí)現(xiàn)電源濾波及轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中其他模塊及傳感器供電；控制器模塊采用FPGA 實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)整體運(yùn)行過程的控制，主要是對用戶指令的響應(yīng)以及其他功能模塊的控制；AD 轉(zhuǎn)換模塊由多片AD 采集芯片組成，模塊受控制器模塊的控制，將輸入的應(yīng)變傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并傳送至控制器模塊。存儲模塊由數(shù)據(jù)存儲模塊和參數(shù)存儲模塊組成，其中參數(shù)存儲模塊存儲裝置運(yùn)行參數(shù)，例如采集通道、數(shù)據(jù)采集頻率等；數(shù)據(jù)存儲模塊存儲AD 轉(zhuǎn)換模塊采集到的傳感器數(shù)據(jù)。時(shí)鐘模塊為一個(gè)萬年歷芯片，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，可由紐扣電池供電，保證在系統(tǒng)斷電的情況下時(shí)鐘芯片能夠運(yùn)行。按鍵輸入模塊采集按鍵信息，傳遞給控制器模塊進(jìn)行處理，響應(yīng)用戶輸入。

串口通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，將上位機(jī)的控制指令傳送給控制器模塊并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，通信總線為RS485。USB 接口模塊為一個(gè)USB 主機(jī)接口，可以將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。顯示模塊由LCD 顯示屏組成，以顯示用戶設(shè)定通道的應(yīng)變量。

2.3 采集裝置重要電路設(shè)計(jì)

2.3.1 組橋電路

應(yīng)變傳感器可以等效為一個(gè)可變電阻，其電阻值與應(yīng)變量成正比。由于應(yīng)變傳感器的阻值變化范圍很小，不易檢測，所以需要設(shè)計(jì)組橋電路，形成一個(gè)惠斯通電橋，如圖4 所示。電橋可將應(yīng)變傳感器電阻值的變化轉(zhuǎn)換為差分電壓輸出，可通過調(diào)整電橋配置電阻的阻值調(diào)整電橋輸出零點(diǎn)，便于后端放大采集。

圖4 組橋電路原理

2.3.2 信號采集電路設(shè)計(jì)

采集電路由放大電路和AD 轉(zhuǎn)換電路組成。如圖5所示，放大電路使用儀表放大器AD8226 將電橋輸出的毫伏級電壓信號放大至伏級，滿足AD 轉(zhuǎn)換器輸入電壓要求。同時(shí)在放大電路的信號輸入端和信號輸出端設(shè)計(jì)濾波電路，以濾除干擾噪聲，提高信號質(zhì)量。

圖5 信號放大電路原理

放大后的信號進(jìn)入AD7699BCPZ 進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，AD7699BCPZ 是一款8 通道、16 位、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的高速轉(zhuǎn)換，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)500 kS/s，轉(zhuǎn)換精度達(dá)0.01% 以上。設(shè)計(jì)中通過FPGA 控制多片AD7699BCPZ， 每片AD7699BCPZ 的8 個(gè)通道連接8 個(gè)應(yīng)變傳感器。藥柱隨機(jī)振動試驗(yàn)時(shí)振動頻率約為1 kHz，應(yīng)變傳感器信號變化頻率與振動頻率相同。8 個(gè)應(yīng)變傳感器的信號總帶寬約為8 kHz，AD7699BCPZ 的最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)500 kS/s，完全滿足采樣頻率大于信號頻率10 倍的要求。在FPGA 的控制下多片AD7699BCPZ 同時(shí)工作，可以同步采集多路應(yīng)變傳感器輸出信號，實(shí)現(xiàn)對藥柱表面多個(gè)應(yīng)變量的實(shí)時(shí)采集。

圖6 AD轉(zhuǎn)換電路原理

2.3.3 控制器電路設(shè)計(jì)

控制器的核心器件為FPGA，設(shè)計(jì)中選擇Altera 公司（編者注：已被Intel 并購）生產(chǎn)的EP4CE10F17C8芯片，該芯片內(nèi)部集成有邏輯單元（LE）、嵌入式存儲器（M9K）、嵌入式18×18 乘法器、通用PLL、全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)以及輸入/ 輸出單元（I/O），可以使用Verilog語言編寫程序控制AD 轉(zhuǎn)換芯片、存儲芯片、USB 通信芯片和顯示屏控制芯片，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、外部通信和數(shù)據(jù)顯示等功能，同時(shí)還可以通過內(nèi)部加法器和乘法器對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。

存儲電路由參數(shù)存儲電路和數(shù)據(jù)存儲電路兩部分組成，如圖7 所示。參數(shù)存儲電路選擇FM25CL64-GA，用于保存多路應(yīng)變傳感器的校準(zhǔn)參數(shù)。該芯片是一款非易失性鐵電隨機(jī)存儲器，存儲容量為64 kB，可無限次讀寫數(shù)據(jù)，掉電下仍可長期保存數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲電路選擇MT29F128G08AJAAAWP-ITZ，用于保存采集、運(yùn)算處理后的應(yīng)變量數(shù)據(jù)。該芯片是一款存儲容量為128 GB 的Flash 型閃存存儲器，主頻為166 MHz，具有存儲速度快、存儲容量大的優(yōu)點(diǎn)。由于振動試驗(yàn)中藥柱應(yīng)變變化頻率可達(dá)1 kHz，而且通常振動時(shí)間可達(dá)1 h 以上。所以采集到的應(yīng)變量數(shù)據(jù)很大，設(shè)計(jì)中共使用2 片MT29F128G08AJAAAWP-ITZ，總存儲容量為256 GB，可滿足數(shù)據(jù)存儲要求。

圖7 存儲電路原理

控制器的重要電路還包括USB 通信電路和顯示屏控制電路，分別實(shí)現(xiàn)USB 通信和數(shù)據(jù)送顯的功能。USB 通信電路的主要器件為CY7C68013A-56PVXC，其內(nèi)部集成8051 微處理器和USB2.0 收發(fā)器， 具有USB IF 高速通信功能。設(shè)計(jì)中FPGA 通過8 根數(shù)據(jù)線與CY7C68013A-56PVXC 連接， 可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速處理和收發(fā)。顯示屏控制電路是通過FPGA 控制一片C8051F040 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)PGA 與單片機(jī)通過16 位數(shù)據(jù)總線連接，F(xiàn)PGA 將數(shù)據(jù)發(fā)送給該單片機(jī)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存并將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送至顯示屏，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。同時(shí)，單片機(jī)還可以接收外部按鍵信號，響應(yīng)外部控制指令。

3   軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)變測量裝置嵌入式軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，分別為應(yīng)變傳感器信號采集模塊和用戶交互控制模塊。其中信號采集模塊實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)采集及存儲，交互控制模塊控制測量裝置與用戶交互過程，包括顯示屏顯示及按鍵控制。

信號采集模塊的核心控制器為FPGA，通過FPGA控制實(shí)現(xiàn)高速AD 轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲^[7]。信號采集模塊主要有三個(gè)狀態(tài)，系統(tǒng)常態(tài)為采集模式，在該模式下，測量裝置實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并發(fā)送至交互控制模塊，由交互控制模塊顯示各應(yīng)變傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不記錄數(shù)據(jù)；當(dāng)測量裝置采集開關(guān)關(guān)閉后，測量裝置進(jìn)入記錄模式，在該模式下，測量裝置實(shí)現(xiàn)高速AD 轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲，并周期發(fā)送數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)顯示模塊；當(dāng)測量裝置連接上位機(jī)軟件并接收到指令后進(jìn)入上傳模式，在該模式下，測量裝置停止數(shù)據(jù)采集及存儲，與上位機(jī)進(jìn)行交互，將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)軟件。信號采集模塊上電后首先進(jìn)行各模塊初始化設(shè)置，然后判斷系統(tǒng)狀態(tài)并進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)的控制模塊，執(zhí)行相關(guān)流程控制。圖8 為信號采集模塊的簡要流程圖。

交互控制模塊主要功能為控制顯示屏顯示及解析按鍵指令，實(shí)現(xiàn)用戶和信號采集模塊間的信號中轉(zhuǎn)，所使用的核心控制器件為C8051F040 單片機(jī)。交互控制模塊接收信號采集模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并顯示時(shí)間、使用容量、通道應(yīng)變量等信息，同時(shí)接收按鍵控制指令實(shí)現(xiàn)時(shí)間更改、緩存清除、應(yīng)變校準(zhǔn)等功能。

4   結(jié)束語

本文基于柔性應(yīng)變傳感器和FPGA 設(shè)計(jì)的柔性應(yīng)變測量裝置，解決了固體火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑藥柱應(yīng)變測量的難題，充分發(fā)揮了FPGA 實(shí)時(shí)性信號處理的優(yōu)勢，可在高頻振動下同步測量多處藥柱應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)對藥柱健康狀況的監(jiān)測，對推進(jìn)劑改進(jìn)和發(fā)動機(jī)研制^[8]都具有重要意義。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年11月期）