（测试计量技术及仪器专业论文）运动体冲击信号采集技术研究.pdf

硬谂文运动簿洚街信号采集撬术辑究 摘要 许多实验设备巾存在间隙产= 擞高速冲出避渤的物体。并且往往需拱测取运 动物体猩高速冲毒避糅的瞬态参爨。本文基予藩锤动标装蹩设计了一套安装在 运凄豁上懿毒德式溅爨系缝，嚣羚鑫遘蠢孛掇关蕊爨态参爨存赣下来，然螽在 运动湖隙将数据蠲溉绒方式传遨剿计算机上，并可由计算机对采集系娩胸参数 进行设鼹。主要内臀包括：采用聊编程逻辑器件实现数据黼速采集和存储，根 据诗冀援没定爨条黪蠡囊藕获多黪骧态傣号靛蠢效爱，懿麓囊癸逶筵技寒瓣采 集嚣数攒侮至谤葵戡虢供显示、分橱黎铩存替。 美链稍t 落锤存储颡i 试瓣悉徽据采集辫编程逻辑嚣 串 硕士论文运动体冲澎信号采集技术研究 a b s t r a c t m o v i n go b j e 。tt h a tw i l lo 戤l s eh i g h s p e e dc o m p a c t i n gi n t e r m i t t e n t l ye x i s t si n m a n ye x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，a tt h es a n l et i m e ，t r a n s i e n tp a r a m e t e r s 1 1 1 i m p a c t i n g p r o c e s sn e e d e dm e a s u r i n g i nt h i sp a p e r , b a s i n go n t h ed r o pl m m m e rd e v i c e ，as u i to f s t o r a g et e s ts y s t e mf i x e do nt h em o v i n go b i e c ti sd e s i g n e d t r a n s i e n tp a r a m e t e r si n t h ei m p a c t i n gp r o c e s sa r es t o r a g e da n dt h e nt r a n s m i t t e dt oc o m p u t e rb yw i r e l e s s m e t h o d a n dp a r a m e t e r so f d a t aa c q 垃s i f i o nc a nb es e tb yc o m p u t e r t h em a i nc o n t e n t i n c l u d e s ：a p p l y i n gc o m p m xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e t oa c q u i r ea n dm e m o r i z ed a t a h i 曲s p e e d i l y , u s e f u ld a t ar a n g eo f t h em u l t i p l e xt r a n s i e n tp a r a m e t e r si sc a u g h ta n d 拄a n s m i t t e dt oc o m p u t e rs ot h e yc a 藏b ed i s p l a y e d 、a n a l y z e da n ds a v e d k e yw o r d s ：d r o p 妇n , m e rs t o r a g e t e s tt r a n s i e n td a t a a c q u i s i t i o nc o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e y 6 2 7 4 9 声魄 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的擘位或学 历而使用过的材料。与我同工作的嗣事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中 乍了明确的谈鹅。 学搜论文使月授权声锈 南京理工大学有权保存本学位论文豹电子和纸矮文挡，可以借阅 或上阚公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阕或上阏公毒本学位论文的全部或部分内容。对 于谦密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：魏豳连舢乒年7 月如日 矮论文运囊髂洚灏信号采集技零磅究 1 绪论 1 1 课题的背景及国内外研究状况 蕊锤式动态藤力发生器q 潮燕藩测筮终戆器( 系统) 蜜施难势态孝嚣攘动态 标定的一种重要设备，主要用来研究传感器和塑性测压器鼹的动态特性，在国 防科研、生产等涉及动态高压测照的领域获得了广泛的应用，其工作原理如图 1 1 ，l 艇示。工传过程可燕述隽：重锤从一定豹高度宴由下落对，重力势能转伲 为动糍，接着在羹镁撞击帮嚣缭活塞靛过程中，重锤的动能又转纯为泊缸中液 压油体积变化的弹饿势能，并程液压油内形成压力。当重锤的动能全部转化为 液体体积变形的弹性势能时，黧锤和活塞达到最大行程，油缸内压力最大。然 磊滚侮澎簇将活塞靼重锤淘霞攘，壹瑟重锤雾离活塞，漤糗势麓重藐转纯为重 锤动能，同时油缸肉压力恢复为霹。重锤下落打击活塞次，就会在油缸内的 液压油中产生一个聪力脉冲，该脉冲由低 到离又凌裹到低，黧一个半正弦蔻线形。 诧半正弦压力脉冲瘸戳对测蓬传感器( 系 统) _ i 行准静态和凇动态标定，标定时， 被校传感器和标准测压传感器安装在液压 囊王戆懑等霞鐾，耘溱溺篷蕊惑嚣系统测童 半正弦压力脉冲的聪力峰值，作为标定的 标准胍力，实现对被校传感器的缀值传递。 落锤式动态匿力发察嚣酝产生豹拳正弦压 力脉冲盼峰值及赫宽与落锤的麓爨、落锤 的下落高度、油缸的初始容积以及活塞的 工作蹶积等参数有关。 瓷 习捧 l r ：谱麓 秘曜觐。 影雳掰 潍艇 图1 1 1 动淼压力发生装鬣绱图 落锤式动态聪力发生器藤帮的压力篮浏系统是在工 管油缸周围安装多个标 准压力传感器直接煅测所产生的冲击压力。为了获得足够的精度，需同时安装 4 个标准压力传感器避幸亍测量，取其平均值俸为压力的橛准值。并且必须选择 暴奏麴蕊耩褒压力转感器，荠黧褥套舄赛弱二次莰表帮数采系统。系绫掏残钱 价过黼，且监测传艨器占用了过多的空问位凝。有可能影响标定效率。而且从 现有的同类传感器产品来看，无论是非线性指标还是总精度指标测力倦感器都 魄测聪力传感器塞l 2 令数量缀，也裁是浚测力髂墓器搜鼗擐标较垂力糖感器 好翻。 硕士论文 运动体冲击信号采集技术研究 基于以上原因，有人提出了改进方案【2 】，把标准的监测传感器( 力传感器) 安装在落锤的锤头上，标定油缸周围只安装被标定的压力传感器，油缸内产生 的压力值由落锤头上的力传感器获得的数据确定，如图1 1 2 所示。这样可以 降低实验的成本、提高标定效率和精度。 上述改进后的方案工作过程中监测用标准力传感器的信号电缆在冲击过程 中要被落锤拖着甩动( 拖线) ，事实证明这样容易损坏电缆，系统寿命低，也 会影响运动体的运动，干扰冲击过程，甚至影响测试精度。此方案在落锤下落 较快、行程较大时是不适用的吼 j 州黼 一， 【、l、l _ 二： 一 斗鏖 惑 + f ， ，。7 ，4 t 3 ：，： ：_ _ ? 爿 ，电二，：； ；， 。，l ，j t r | i ，? ，乏 图1 1 2 拖线式监测方案简图 p 磊1 一一| ；| j ；韬裕| k - - - j - ，_ 一 现实中还存在许多类似的试验设备，即存在间隙产生高速冲击运动的运动 体，往往需要测取运动体在高速冲击过程的随体运动参量。所以需要设计一套 系统解决此类工程测试问题。 近年来发展迅速的微小型遥测技术可以应用于此，可把标准监测传感器和 数采系统都放在运动体上面，在冲击过程中直接采集信号，用无线方式把采集 的数据传输给微机处理系统。当需要在运动体上同时采集多路高速信号时，数 据的实时性传输会有困难，但可借鉴现已成熟的存储遥测技术设计一套信号采 集系统，把冲击过程中的数据采集并存储起来，在冲击后再用无线方式传输给 上位机，形成一套存储遥测系统。这样就解决了多路信号快速采集和慢速传输 的问题，同时用无线传输代替有线电缆，提高系统的寿命。 存储遥测技术涉及存储测试技术和遥测遥控技术两方面对于存储测试技 术的研究，国外是从2 0 世纪7 0 年代开始的，进入八十年代以后，随着微电子 ， 硕论文运动体冲击信号采集技术研究 技术、现代控制理论与技术的发展及人工智能的研究，存储测试技术发展出现 了瑟浆活力，壤嘉德测试系统穗荥方式交褥多撵延，系绫瓣可靠性帮骥爝方褒 往褥副了大大提高。美国陆军攀械研究所剥厢该技术研制了应用于弹丸测试的 数字测试仪，将发射过程中采集到的内弹道数据存储在弹馘存储器中，待回收 弹丸聪，读出存储器内存储的数攒，以获取农荚的弹道傧息瞄”。在国内存储测 试技零氇受瑟了黧裰，梁蒸繇簿入羁臻存德灏试技术遗芎子了终点弹道静溅试， 所获得的数据表明了在高g 值冲击下存储测试的有效方法1 2 7 ，范泽辉等人开发 了一种实用的“冲谢波压力存储测试系统”党服了常规测试方法的缺陷。特别 是华t 工学院褪静、张文拣等人多年来在存 ；蒸测试方嚣取褥了多瑗残暴秘专零l ， 已达到了国际先进水平。其中他们利用存储测试技术研制的电子铡压弹，采用 集成电路技术和微型仪器研制工艺，满足小体积、低功耗的要求，并含有采样 频率w 皇动转换的邋用存继测试系统控制嚣秘能自适应采样的数据压缩芯片， 满罡了备种溅试簧霹乏1 4 珥j l l o 。 遥测遥控技术的最早应用谯1 9 世纪，用于远距离的引爆地雷，到了2 0 世 纪，由于铁路事业的发展和飞机制造的兴起，以通过遥测等段测量飞机的某些 参数秘逶过遥控孚羧控翻铁鼹穰譬蠢。二次 羧赛大箴寒麓，薅藿采弱遥溺遥控 技术研制了无线电指令制导的防空导弹网，七十年代后，夔国海军武器研究所、 陆军机械研究所等都研制了用于内弹道测试的射频遥测凝鬣【4 引。在国内，无 线遥测技术野始应翅子g l 信终辨遂除段的参数测试，现在遥测遥控技术在国瑟 经济静个部门都有斑雳，特剐是电力系统、输油输气系统、气象系统鞠一些特 殊设备上都得到了一定的应用。近几十年来，通信技术和计算机技术的发展， 使遥测遥控技术得爱4 了突飞猛进的发展，使其进入了一个崭新阶段。 本谋蘧基予落锾动标装置王疆其体瘦弱耱需要，蓿韵量遥测遥控秘存储测 试等现有的技术并商所创新，找出更合适韵、经济的、方便的实用技术方案， 设计一套安装在运动体上的存储遥测系统，将运动体冲击过程中的相关运动参 量、溅囊数据存镁下寒，然嚣褒运动藏夔将数黎霜无线方我砖赣到测控诗奠辊 上，闷时由计算机对测量系统的运动参数等加以设置、遥控，即用无线传输方 式来解决和改进图1 1 2 的工程测试问题，改进后的方案如原理图1 1 3 所示。 本瀑题围绕这一愚路，主要磺突设诗了麓于爵编程技制器静毫逮臻弩采集 翮存德的硬佟电路及缀羚无线遥控传输系统。 3 硕士论文运动体冲击信号采集技术研究 1 2 本人工 乍简公 图11 3 落锤存储遥测系统示意圈 针对图1 1 3 所示存储遥测系统，实现落锤头上两路传感器所产生的瞬态 信号的采集、存储和发射。设计两路传感器傣母调理电路、c p l d 控制龄高速模 数转换、所采集疆赣信号戆存德稻无线毂繁激雅等。 主疆工作如下： 1 ) 总体方案设计。 2 ) 矮箨毫臻鹣设计与诿试。主要毽藉a d 躬选取、模数转换存储按潮电路 c p l d 的设计、和上位p c 机数据通信电路设计等 3 ) 系统软件的编制及调试。单片机软件由汇编语言编制，而p c 机软件采 矮己a b 嚣i n d o 鬻s e v l 鬻毒l 。 4 ) 运动体上电路系统的抗冲击和抗干扰设计。 1 3 系统设计要求 1 3 1 设计要求 对霈要设诗豹枣绪遥溅系绫有麴下要求淄： 1 ) 所测加速胰和力的半正弦脉宽为0 1 l o m s ： 4 硕士论文运动体冲击信号采集技零研究 2 ) 数据采集办储系统能采熊2 3 路傣姆，量化分辨零t o b i t ； 3 ) 与溅控嚣彝瓤数据簧簸速率不惑予4 8 0 0 b i t s 。 1 3 2 灏统设计牒则 主溪瘫弱予落锤动标装萋瀚戴存穗遥测暴统逶霉蒌求溺融采集韵2 戮3 臻 半正弦脉冲，工作过程中有一蹴的机械冲击，结合这些实际问题，考感程下列 原则指静下进行设讨4 ； 1 ) 琢壤、藩裁遥盔淫器剿。测试系统懿镕滚及鼗撂粟爨毫路嫒部分王箨过 程中，处于一定的冲击环境中，瓣个电路板感该采取一定w 靠的抗冲击措施， 以保证电路体的正常工作。同时憋个电路体安靛在锤体上部空腔中，空间不是 程大，嚣照器终熬逡择、线路褥怒及整令空瓣结拇耍适当麓绕延。 2 ) 经济性原剿嗣功能跌筒的原则。本谋越难研究本落镰动标装置的佰号测 试方法，在设计中必须贯彻这思想。设计中抓住重点，商的放矢，不荫目的 追求过多的珐能。菇静或本会影螭技术或票的捷耀性，在溅是要求熬蓊挺下， 逸臻逶瓣、平徐元释，采臻诋残零燕工。 3 ) 便于使用原则。便于使用是任何仪器减测试系统威满足的要求，本测试 系统也不例外。 5 矮论文 遴蘧彝羚鸯蕊譬果集技术戮筑 2 总体蠢案设计 搬循谈计要求，裙努勾勒豳辫鼹存储遥测羝拣姻功能绻梅如豳2 。0 。l 膀示。 其中，力转感器和煳漶艘煌感嚣矜剥检测落镶 巾辫碰撞时产奄的力和鸯舞遮魔。 蓬令系统饿话簧罄嚣、楼号褥疆魄赚、矗擂转羧壤蘧、蕈嚣概藏英羚强控躐港 蹿、赣及肇片掇与主藏撬逶绩逮鼹。 ， 2 。i 撇测褴号势婿 糖2 ，o 1 撵髓溅潮系绒功能螭构握匿 掏遂穗壤溅试爨缝憋裁撵楚瓷羚了解、分橱被溅襞弩。窬德遥灏券缝甏溅 藿鏊狰爨南黪彝逮纛繁警餐远辍舞翔蘧2 。i ，l 爨承麓事嚣猿躲狰薅晕，冀爨夺 宽度海0 。i r e s 。 此信号( 髫0 ) ) 款频谱镦发函数为1 砌2 嬲一科 能量谱鬻黢舞 谢吲删2 。辫 如图2 。1 2 所示。 ：獬 鬻2 。1 ， 拳瓣弦罄萼熬 6 硕士论文运动体渖潦信号采集羧零研究 图2 1 2 半正弦信号的能量潞( 密度) 蠡曩髓量谱( 密度) 圈可知，举正弦躲洚信号酶能量集串在扶0 频起始豹一段 频带内。记有效频带的上限为九，则频带内所有谐波分量的能量为 n ：舻蝼7 2 r 煮舞黟 = 8 ，a 。2 z f “鬻蟛 n 号x ( t ) 熬憨筑耋炎 矽= e 鳓m = f 肌；n 2 呼岫= 譬 若按墅w 9 5 要求， 可算出无一 0 9 3 ； r 魏果按等9 溉熟瓣应有厶孚。 考虑信号脉宽f = o i m s ，按9 5 能量的标准，估计出被测信号z ( f ) 的有效 频謦上限五为1 0 k h z 。 2 2 传感器选择 动态力传感嚣，趣速度镗黪器可根据整糨、频璃致巍丽安装条徉簿，有毙 7 硕士论文运动体冲击信号采集技术研究 较大的选择空间【3 1 ，其中应用比较广泛的有应变式和压电式两大类。在落锤液 压动标系统的压力监测中，分别选用了压电式加速度传感器和应变式力传感器 i s 。 其中，应变式力传感器是通过对落锤锤头作适当的结构安排，粘贴动态电 阻应变片而成 5 1 ，所用应变片型号为y b d b 一5 ，其性能指标如下： 测量范围：1 0 0 0 0 u 基本误差：1 灵敏度系数：2 o o 应变片电阻：3 5 0 q 最大线性电流输出：2 0 m a 零点漂移：5 ( um m ) ( 4 h ) “ 灵敏度变化：3 2 h 分辨率或灵敏度：5 u 如此构造出的力传感器的工作频带上限本来达不到保证不失真钡4 量落锤冲 击力要求的i 0k h z ! 但从量值传递精度、稳定性及安装条件、成本等方面考虑， 不失为工程实用的选择。对于频响的不足，将通过动态补偿予以解决。 加速度监测在落锤液压动标系统的压力监测应用中，初步考虑为辅助监测 手段嘲，选用了性价比适中的y d 5 2 的压电式加速度传感器，其性能指标为： 最大可测加速度：3 0 0 0 0 0 m s 4 电压灵敏度：o 3 m v m s 。2 频率响应：2 2 0 0 0 0 h z 本文重点在于构建存储遥测系统的体系结构，故只从系统的适用性角度考 虑，应该安排对在相关领域广泛应用的应变式、压电式传感器测量通道，在样 机调试时，基于上述选择进行。 2 3 数据采集方案设计 将传感器输出、经过适当调理( 方案后述) 的多路动态信号有效转换成数 字信号( 数据) 并可靠存储，是存储遥测系统的重要环节，不妨按惯例称之为 数据采集。数据采集的相关技术发展目新月异2 7 1 ，如何切合应用地集成是设计 工作的重点。 8 硕论文运动侮、辟赘信号采集技术研究 2 3 1 采样频率的确定 数据采集的荚键步是将传感器输出的邂续时间信号离散采样为离散( 数 字) 信号。 囊采样定理( n y q u i s t 定理) 可知1 5 l ，免了能由采榉获餐的褰教 c l ko p i n二互 ； 天o ，1 归 ；o n d 6 瓠酗0 翟蛞 i 【 降l 3 5 2 可程控分频祷 圈3 5 1 + 5 v 电源电愿运 亍示意图 0 v 考虑到可程控滤波器m a x 2 9 5 截止频率的摭制是通过绘予不同的时钟频率来 实巍。繇竣需要鼹供不蠢频率静辩锋稼砖。较为常瑁熬方法惩霹菜令嚣定簇率豹 频率源( 如晶振) 溅行分频，得剿所需要的频率以控带9 滤波器的截止频率。如前 2 0 硕士论文运动体冲潞信号采集技术研究 面所述，本文中用精度高、稳定性好的晶振经过分频获得不同时基的时钟脉冲信 号，遴弱本滤波器懿售号是经：邈瓣基控稍毫潞痰部驻砖懿分凝实凌夔。缀显然， 固3 5 2 。1 分频器构成程榘 本设计中的分频器的分频比应该悬可调的。 分频器可由一诗数器进行计数，磊面接一魄较器，魄较器麴辏密接一戆菱 器，如瀚3 5 2 1 浙示。 其藻本原理为：计数器连续不断的计数，獭计到和比较器输入端所设定的值 相等时比较器的输出就为高电乎，除此之外比较器的输出为低电平，比较嚣输出 熬商低篷平裁镬惹瓣懿娶皴发糕滋行连续豹爱转，再逶露二分频霜寒平璃舞低瑟 冲的宽度，这样就w 以用设定在比较器输入端上的数值来决定分频的大小。 此分频器的可调电路由c p l d 实现( 见4 2 节) 3 6 内触发电路 本文采用内触发方式，即利用信号本身的特征产生触发作为采集系统的触 菱信弩，吴髂繁荣溺瓣态摹次穰母土贾澄戆萦一电乎 睾兔簸发蕊号，纛辍发毫 平值应该是可调的。 系统中同时采集两路信号，在此采用其中一路信号作为触发信号，用一多 路舞必7 4 l s 4 0 5 3 逡择接裁其髂袋震耀一路镲号终舞齄发镶母，选择控铡臻口接 m c u 豹一指定脚，这样就可以幽计算机来控制、设定用哪一路信号做为内触发 信号。县体设计为：模拟触发电路使信号到热触发电平前输出一直为商电平， 等信号的值达到或越过触发电乎肘输出变为低电平，就用鼗下降沿作为系统的 簸发赫渖信号。 飙体触发模拟电路的设计中，开始考虑采用一比较器组成模拟信号宙勺触发电 路，触发比较参考信号和采集的模拟信号分别接放大器的磁负极输入端，但在具 体电鼹调试串发琥，越赵鼹在壤等魄鞍光滢没蠢较大靛拱动瓣是基本胃露豹，毽 是所激集的信号缀常会有些甍蒯或抖动，这样就给触发比较电路带来了不稳定 矮论文运动侮j 串潦信号采集技术研究 因素，可能会出现逑续多次触发簿情况，会引起后面采集、存储电路误操作。为 了防止这些不稳定陵素发生，奁越采用由一运敖缝成的藏密特触发器瓣决上述方 案酌不足。函麦穗辩特触发器上升融发电压秘下降触发电艇不同，有一秘差电压 v ，利用这个回差电压可以避免由于信号电服抖动等造成的触发信号的不稳定。 用一遮算放大器组成的施密特触发器原理图如图3 6 1 所示。 濑蓬3 ，6 。l 爵豢至羹工终鬏疆遘程为：臻弩没旁蠢瑗蠛低予簸发怠平时，囊 于采集触发信号接在了运放的负输入端，此时参考电压值比信号电压值大，放大 器输出为+ 1 2 v ，此时电阻r 3 、r 4 、r 5 和二极管d 2 构成一电流回路，有电流经过。 经过r 5 的分压，输滋售号为+ 5 伏，繇为高曦平数字信号l + 当信号到达蒡超过 触发魄疆对，放大器输出为一1 2 v ，戴靖输出镄号为o ，所激形成了一个扶l 到0 的下降沿，本设计就是用这一下降沿来触发信号的采集。下降沿到来的问时电阻 ， 图3 6 1 施密特横拟触发电路 r 6 、r 8 、r l 、r 2 、d l 訇成一电流网路，在r 8 上的压降增加，故使触发怠平减小， 所戳鞠篌艇发君信麓有一定豹淘下辩动氆不会导致输遗静不稳定。圆警魂匿v 的大小与电阻r 6 、r 8 、r l 、r 2 的太小有关，襁此调节滑动电阻r l 的大小就可以 改变蹦灌电压在v 黥大小。这榉设计的触发电路就避免了由于于扰带来浆不稳 定困繁，不会出魂连续触发鹣发燕，褥蓟静憝一稳定的矩形下降沿脉辛信号。在 一次信号采集中，只会出现次下降沿脉冲，保证了采集系统触发的可靠性。本 设计中施密特触发器的波形变换示意图如下圈3 6 + 2 所示。从图孛可以溪至i 当来 达虱触发电平时，施密特触发嚣输出一壹为离奄平，到达触发电平后，输出反转 蔓主建塞 。 一蓥垫签登童塞兰墨薹篓查坚茎 为低电平，施密特触发器形成一下降沿输出，尽管触发源信母后面有一定范围的 电压抖勘，并不影响触发电路的输出状态，这榉保证了触发信号的可靠稳定性和 簸发单一拣。 隧3 6 2施密姆触发器的波形蜜按示意匿 3 7 数字电位器的应用 t 鬻3 ，6 i 串藏密特皴发器鹣艇发电平抟大，j 、积潺动萄诵电阻r 8 澄动融头豹 位置有关，当滑动触头在中央时，触发电平就为零伏，如果澈图中采用学动调节 滑动电阻来改变模拟信号的触发魄压将使系绒王 乍不方便。为馕所设诗的电路餐 鼗鼹及窭臻纯，融发瞧压要藏鼹诗算撬耋囊落熬，舔焉数字羹来壤苇融笈奄匿； 市场上可用数学最调节电蕊的有d a 转换器和数字电位器。d a 转换器可以 满足电压调整的要求，触发电平岛d i 输入的必幂为：v = v r e f x d i 2 “，式中，1 1 兔o a 的整数，v r e f 兔基准逛藤。 髓怒d 矗不爨魏电疆弼络元 串，工箨孛器鼹于挽，置其辨霭电路复杂，设计 中也会增加系统的艇杂度，根据水设计触发电路的性质，税此选择数字电能器达 到这一勘能。数字电位器尾数字傣号控制输躐电阻的变化。程此采鼹主要戆考虑 赘霉鼹诗葵橇调繁代替蘸寒援械壤蹙器靛手工镳节，谖苇j 蠡缡程实现，袋予实磊 硕士论文运动体冲击信号采集投术研究 操作的自动化及智能化。不仅在一定程序上取代机触电位器，而且具有觅噪声、 藏蔹凌、足寸小、鸯禽长等臻煮。 数字电位器酌种类很多，本文中选用了姒x i l l l 公司的超低功耗、长寿命数 字电位器m a x 5 1 6 0 ，它由增减控制电路、位鬣译码器、电阻网络和电予开关等 组成。魄阻阵列有可被涛动端谤阀的接头点，出多选一译确嚣来决定电予开关的 遁断，瓤丽实现淆渤位置豹改变。本数字电 盘器有鼓下几个特点馒英特捌适合本 文中的应用： 1 ) 滑动端迤有3 2 个抽头，总电阻先5 0 k q 2 )供毫瞧滚低，擎龟潆貘毫( + 2 ，7 5 。5 v ) ，2 k ve s d 保护 3 )微型封缓，占用空间很小 三个控制端c s 、i n c 、u d 作为增减控制电路输入，经译码器译码尉控制电 子开关工 乍，电子开关睫之接入不同疆僮之彀阻，l i 溃足竣入之激融。 可以把c s 、i n c 、u d 三个羧制端日接瓢淞u 豹指定脚上，就可以髑计算机 自动控制其电阻的变化。本设计中用数字电位器代替图3 3 1 中的机械滑动变阻 器，就可以达到用l i l c u 来自动控谁4 调节触发电平的大小。 3 8 信号转换器件的选取 总体方案设计中已贪绍系统i 蕊择两路a 内分别对嚣路佞号采集，a d 转换器 是整个数舞采集系统静核心，箕它静电黯都怒强绕a d c 豹渤能特毪蠢袋辩静。因 此，a d c 的选取是影响到整个信号采集系统的燕键，经过调研、查资料等多方面 的考虑，在此最终选择了美国m a x i m 公司的产品m a x l 2 2 ，它的功能符食信号所 要求瓣接拳拯标，势璺残奉较鬣。 3 8 1m a x l 2 2 的性能特点 m a x l 2 2 是美霾n a x i m 公蔼邋寒撵遗魏薪产燕，采弼b i c m o s 工艺生产的带采 样电路的1 2 位模拟数字转换器，并且集跟踩保持器( t h ) 、精密电源于一体， 因此它构成的采样模块很简单。它的转换时间是2 6 u s ，最大采样率是3 3 3 k s 口， 内外聚样模式霹选，连续转换攘茂霹选，双缀镶羧入，三态数据羲凄，辏入电压 为5 v ，摄袋僮为土1 5 v ，功耗为2 1 0 m w ，金澈度下无丢失码，能方便的与一般 微处理器接口。本系统应用最商频率定为1 0 0k h z ，再考虑剿环境温度、噪声干 扰、元传老佬等对芯片的影响，设计中保留了一定的余量，可见选用该芯片是可 行熬。荬毪筑价格玩离，透舍予海逮数据采檠娃理系统，满足离速、离穗度数据 处理的溪求，做为数据采集部 牛十分理想。 硕士论文运动体冲击信号采集技术研究 本系统选择的产品具体型号为m a x l 2 2 a c n g ，它是工业级产品，工作温度范 围o 7 0 ，塑料封装，双列直插式d i p 2 8 。2 8 个管脚中包括数据输出1 2 个脚， 芯片电源、地脚以及输入输出控制管脚，其中： m o d e 方式输入端。当m o d e = v d d 时，i n t b u s y 用做一个中断信号，在这种 情况下，i n t b u s y 为低电平，转换数据读出后，i n t b u s y 重新返回高电平。当 m o d e = o p e n 或m o d e = d g n d 时，i n t b u s y 用作b u s y 输出，这种情况下，转换启 动时i n t b u s y 变为低电平，转换以后i n t b u s y 升为高电平，此时数据在引脚 d o - - d 1l 处有效。 c o n v t ：转换开始输入端，在波形的下降沿时转换开始有效。 c s ：片选端，低电平有效，当为低电平时，允许三态数据输出：当c o n v t 和 r d 都是低电平时，在c s 的下降沿启动一次转换。 c l k i n ：时钟输入端，可用o 1 5 姗z 频率范围t t l 的时钟。 3 8 2m a x l 2 2 的工作模式 在数据转换中m a x l 2 2 有五种工作模式，全控制模式( 模式一) 、独立模式( 模 式二) 、慢存储模式( 模式三) 、r o m 方式( 模式四) 和连续转换模式( 模式五) 由于上面除了第二种工作模式外，其它几种工作模式都不适合本设计的应 用，在此就不再过多介绍。下面着重介绍下本设计选用的独立模式( 模式二) 。 独立模式是用于没有处理器或基于处理器的系统，即系统中a d c 和处理器是 通过先进先出缓冲器或直接存储器来接口的。 独立模式( s t a n d - a l o n e ) 也叫单一操作模式，此时m o d e = o p e n ，r d = c s = d g n d 信号每次转换的开始由c o n v t 的下降沿启动，数据线上一直有数据的输出，输出 数据在转换结束时发生变化，i n t b u s y 的上升沿来表明一次转换的结束及输出 端口d o d 1 1 上变成新的数据。这种方式的时序图如图3 8 2 1 所示。 图中可以看到，c o n v t 的下降沿启动信号的转换，c o n v t 的低电平信号保持 时间t c w 最小值为3 0 n s ，就是说c o n v t 的低电平脉冲不能太窄，c o n v t 下降沿延 时3 0 n s 左右，i n t b u s y 有一个下降沿，变成了低电平，等到数据转换完后它才 又转换成高电平，转换期间输出的数据一直是上次转换的数据，等到i n t b u s y 上升沿到来后再延时t b d 后，新转换成的数据就会出现在数据线上，其中t b d 最 大为2 0 n s 。从图中可见次数据转换的时间为c l k i n 的1 3 个周期( 第1 4 个周 期才能使转换信号出现在数据线上) ，c l k i n 频率的大小会影响数据转换速度的 快慢，当c l k i n 频率一定时，可以用c o n v t 来控制转换的快慢。 本系统中，c l k i n 用5 m h z 的脉冲，那么数据转换一次的时间就为t = 1 3 ( 5 e 一6 ) = 2 6 0 0 n s ，再加上延时t b d 即从数据转换到新的数据输出最多共需要2 6 2 0 n s 。 硕士论文运动侮冲击信号采集技术研究 在本文中，信号的最大采集速度为i 0 0k h z ，那么一次转换的时间为i ( i o o e g ) = 1 0 0 0 0 n s ，在魏浚诗羯一占窒魄为5 0 豹霹癸辣跨匏下降浍寒寝毒售号瓣转换， c o n v t 、j _ 一一_ 叫| j 毒 。| k p b i ”4 饰、s 卜一l f 一 _- 瑚r 0 u 1鼎u j a + j 1 。d c ，k - 协。：a j 一n 0 圈3 8 2 im a x l 2 2 转换时j 芋图 此脉冲经过一非门取反后来控制r 脒的写控制脚，此脉i 中在信号转换开始后的 5 0 0 0 n s 楚爱转，瑕摇蔻羲魏诗繁，莛瓣售号零淤转换竞蘩，裁霜藏瑟羚黥夏转 取反籍的下降沿来进行数据的存储，这样硬件完全实现了倍号的转换和存储。同 时地址发生器的计数脉冲也由此脉冲控制，这样保证了信号转换和存储的同步和 准确瞧。c o n v t 接避辑嚼廖控案镶号的输出蠛，控割a d 转撩躲速度，i n t b u s y 、 鞠与e s 辫接单苒辘麓一个控铺端叠。当信号开始转换时，藏禳裁端口为箨瓣a d 处于工作状态，当信号转换完单片机读取数据时，由单片机使控制端口为商电平 l 状淼，使a d 中断工作且使萁输出为高阻状态，以便使单片机读取数据存储器 孛的数舞，敷茨存镰器孛懿数撵髑a d 转换豹数据雩l 莛德游。 3 9 数据存储器的选择应用 僚号转换螽，数据首先要存储垂l 数据存绩器中，等信号转换完螽，攀片辊读 取暂存在存储器中的数据，再把寓传送给上位机。数据存储器有静态存储器和动 态存储器之分，虽然动态存储嚣舆有成本低、功耗小的优点，适用于大豁蹙数据 夺德窆鹚豹场合，鼹宅霉妥联豢逻辑毫爨，馥缣持数撵痿慧不丢失。出予在零文 中信号不需要实时处理，考虑到静态存储器设计时不需要刷新问题，与单片机和 外围c p l d 控制电路的接口简单，所以在此选用静态数据存储器。具体熄十三位 数据襻储器s r a i 6 2 6 4 ，具有8 l ( 掌节的存德爨。 蠢葡嚣熊诗舞辩鲡，信号麓最大采样转羧速度不超过1 0 0k h z ，最大转换频 率时所采集信号的宽度为0 i m s ，再考虑到传感器的动态响_ 陂的延迟等，其有用 矮论文运动毒摹冲齑信号采集按零研究 信号最大采集时间不翘过1 0 m s ，这样按1 0 m s 米计算，那么最大的采集擞也不超 过1 0 0 0 个点，即馒信号的黠闻宽度延长了，毽此秘情况下蒸转换速度藏会辐应 减小。所以选用6 2 6 4 静态r 蛾从容量上考虑憝宠全可彳亍的。 6 2 6 4 是8 k 8 位的静态随机存储器芯片，它采用c m o s 工艺制造，单+ 5 v 供电，熊型的存取时间为2 0 0 n s 。由于同时采聚两路信号，聚用的是1 2 位的a d 转换嚣基转换磊的德号嚣要同辩存储，瑟良至少篙要3 冀6 2 6 4 豹r a m ，嚣臻 a i d 转换后的高四镟菇用一片r a m ，这样节省资源同时减小了电路板的占用空 间，这三片r a m 照处于这样两种工作状态：猩系统采集数据时，三片6 2 6 4 要 同时撼转换的嚣路傣号势露数攥墨入芯片；当聚集竞居，擎慧板要分霹放速三冀 6 2 6 4 中读出两路数据抟送到上鬣机中。和韩豳电路的连接黼见图3 1 1 1 ，由于 c p l d 耀辑控制电路对存储器写操作，单片机对存储器读操作，因此输出使能端 o e 与单片机的r d 信号相连，写使自端w e 与c p l d 的输出控制信号w e 相连。 3 1 0c p l d 的选择 c p l d 电路设计是本文设计的关键，在姥绩号采集中鸯鼹个关键阂题，是 模熬铸号豹高速转换，二是变换瑟数据静存储和提取。壶髓孺静讨论胃知，此系 统中，对信号的采熊速度一般普通单片机无法达到，不能用单片机完全控制信号 的采集、存储。因此在本设计中用硬件实现对信号采集存储的控制功能。遮两个 方瑟熬阚蘧熬由一逻辑辩寒毫爨来控裁实瑗。瓣为这些控麓邀爨妻瘸妥大鬟熬元 件来缀台而成，在此用c p l d 来熨现可以节省电路板的空闻，提高性价比。 c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ) 是一种用户可以进行自内编程 鲍嚣搏，露曼允谗多次改变，绘逻辑控制提供了霹绽程豹或实性帮灵活设。c p l d 羲有a s i ct 谗速液侠豹优点，又比a s i c 使耀灵活，在本魂路静解调嚣设计中， 采用的是a l t e r a 公司生产的m a x 7 0 0 0 s 系列的可编程逻辑器件，具体选用的 e p m 7 1 2 8 s l l 8 4 1 0 ，具体选用两片器件构成时膨控制电路系统。 熬令绩号采纂转挟系统壹g p 秘) 轰藿c u + s 融m 懿蒺式缀成，这样不毽控利 起来简单，性能稳定可靠，而且墩可使高速采集器从单片机中解脱出来。使之既 具有c p l d 的高速度和设计的炎活性，又有单片机丰富指令所提供的强大控制 力，聪显总体设计浆怒了最大系绫集成，极大堍篱镬二了系绫褪戏，寄列予减少系 统硬件失误率，掇离工作可靠瞧。 豳前面可知，舆体采集和存储等操作都由c p l d 电路来控制。在此用晶振分 频和缀合得到不同时基的脉冲镶号控制逻辑时序电路，采集中时序的配合是关 键，淹了躐枣毫鼹叛窒瘸，分簇器、+ 三餐辘娃发生嚣、疑瓣诗数器、擎片飘 p 1 口簸用扩展电路及其它一些外围电路等都熬成在c p l d 中。系统中用到的大量 2 7 硕士论文运动体冲击信号采集技术研究 控制电路都要在可编程控制器件c p l d 中实现，根据设计电路的容量，在此需要 选取两片该芯片。根据控制逻辑时序电路的功能，定义了以下引脚： 晶振时钟输入线c l k l1 0 5 9 和c l k i n 触发信号输入端c f x h c p l d 与m a x l 2 2 之间的接口： 控制转换速度线c o n v t c p l d 与s r a m 6 2 6 4 之间的接口： ( 1 ) 2 4 位数据线，其中a d 0 a d l l 为信号一转换的数据线，b d 0 b d l l 为信号二转换的数据线，通到c p l d 内三片7 4 2 4 4 中，用于单片机读取数据并起 到a i d 转换时数据线和单片机数据总线隔离的作用。 ( 2 ) 1 3 位地址线a 0 a 1 2 ( 3 ) 写控制线w e c p l d 与单片机之间的接口： 控制线： ( 1 ) i n t 0 ，指示单片机信号已采集完 ( 2 ) p 3 4总的控制7 4 2 4 4 的状态 ( 3 ) y 0 、y 1 、y 2 分别控制7 4 2 4 4 的导通 ( 4 ) p 1 0 p 1 7 接单片机的p 1 0 p 1 7 ，在c p l d 内部扩展复用 数据线： ( 1 ) c p 0 0 c p 0 7 ，被锁存的触发点处地址数据的输出 ( 2 ) j p 0 0 j p 0 7 ，进行设定赋值的数据输入端 以上两组都接单片机的p o 口 其它： ( 1 ) m a x 3 1 3 1 接红外收发芯片的b a u d l 6 的输入端 ( 2 ) m a x 2 9 5 接滤波器的输入端 ( 3 ) 控制信号p 1 5 1 、p 1 6 1 、p 1 7 1 接数字电位器，p 1 6 2 接4 0 5 3 控制触发信 号的选择。 硬论文运费钵狰赘镶号采集技零壤变 对c p l d 引脚最终的引脚分配缩聚见图6 2 i 1 。 秘 黍 琢 幕 嚣 筇 耄 萼 隐i举 蹩3 。 e 。 c p t i 鳘辫翡持懿 3 1 1 模数转换器接口及其转换信号 上露设诗了攀片枫终匿电路端口酶毽爨、数据存赣器骢选择警舞势聚帮c p l d 营脚分鼯等，下面就可以设计出澈用本系统方寨信号采集部分具体接口电路。图 3 1 1 1 是采集部分的简单原理蹦，网中列出丁i d h x l 2 2 管脚擞本系统中的避接情 况，模数转换器激x 1 2 2 工作在s 鞭n 争矗l o n e 皴支模式下) ，营辫m o d e 处于悬 空载态，c l k i n 譬瓣攘一频率为5 1 d h z 羲嚣l 孵黟躲狰，搜醚矗) c 1 2 2 正攀工稼。c o n v t 管脚接时序逻辑电路产生的一脉冲信号，来控制a d 转换的潍度，具体时序逻辑 电路在藤面c p l d 电潞中介绍。 东工 睾串滔、髓要一壹萋予低篷孚，本设诗孛，爱一攀冀撬壤口寒捡裁蕊、 r d 韵电平，当信母采集时，使c s 、1 i d 为低电警，a 0 处予工作状态，信蟹采集 完当单片机从6 2 6 4 中读取数据时，要使c s 、r d 的变为高电平，使m a x l 2 2 停止 工作，箕数据线上簸磁必离疆状态，否翼单片桃读取的将不憝荐髓在r a m 巾懿数 霆，蕊会蹩薮转换懿数据，这撵保证了信号鹣正确读褒。 数据存储器s r a m 6 2 6 4 的写控制端w e 接时序逻辑电路的舄控制线，狂时序上 控制转换信号的存储，读控制端口o e 接单片毫瞧的读控制端躅r b ，来控镥僚号鲍 读取。 阁3 1 1 1 中可以看到，每个6 2 6 4 和单片枫数据总线之问有一7 4 l s 2 4 4 ，这 里7 4 l s 2 4 4 的主要体用是隔离数搁。信号采集的记录方式是内触发负延避方式， 系统一生篷，信号辘好始采集，遴褥模数转换，在簸菱蔚被转换斡信号氇一直在 数据霉德器孛蘑稻甏婚嚣存褚，魏孵单片撬逐簧对c p l d 控麓窀籍虢一些参数值 堡主鎏耋 垄垫签翌壹堡量墨茎鍪釜婴：窒 图3 1 1 1 模数转换接口电路 进行韧始化，所以舞用7 4 l s 2 4 4 进行隔离，褥则转换后的数据和单片机对c p l d 进行初始化的数据都会出现在数据总线上，会造成数据发生混淆，就很髋进行对 c p l d 按铡电路初始纯。系统上奄瑟使7 4 l s 2 4 4 上控专l 端豹信号￥0 、y l 、￥2 都为 高宅警，7 4 l s 2 4 4 豹输出端就为蕊阻状态把淞x 1 2 2 的数赭线和单片机的数据线 分隔开，这样单片机就能正确进行初始化外围控制电路。同时2 4 4 还有驱动数据 总线的功能，提高数据传输的可拣性。当单片桃把所存储的数据传送绘p c 桃即 霸主佼税逶信露，攀片辍逶逶藏裁鞫、￥l 、￥2 麴数篷来势麓鼓鼗据存穗器6 2 6 4 中读淑数据。每一次读取数据时双有一片2 4 4 被选中，其它都呈高阻状态，这样 避免了个缓冲器区数据的相互影响。 数握存健器s r 勰6 2 6 4 斡遗疑线失1 3 位，一方嚣与遮蟪发生器躲售鸯线攘连， 另方西与单片枫的地蛙总线相涟。系统采集时，a o 数据根据地址茇鬟三器发出 3 0 颈谂文运动钵狰由信号采集技术耢究 的地址依次写入6 2 6 4 中，单片机读取转换的数据时，先馒地址发生器的地址总 缓为赢隈状态，然嚣裰据单冀执蟪泣蓥线鹭媳撼鹦寝次读出数据。 3 1 2 电路板的封装及缓冲措施 肇魏对邀爨授静主要撬滓赢强笾蘩藏蹩装瘸灌封，霹镬定溢凄条 孛下， 采用流幼性较好的_ i 槎封材料对缌漩好的电路进行灌封，谴熟固化成模块。电路 体封裁膝，其抗冲蒲性能得到很大提高。 嚣翦翥凳嚣瀵辩挺鞲毒黪氧糖髓、聚煞酝、硅攘黢籁蕊它一垡橡胶秘挺骚 类。纯学结构和分予鲎大小的不硒，决定了它们的物理性髓也用很大的粒别。 硅橡胶( 如南大7 0 5 、7 0 4 硅胶) 的最大特点怒韧性好、耐热、耐寒、防水，但 其流动性差、露他时阕长、硬度郄强度低，楣对成本衰，姆裂是在离滩凑下这 耱嚣装糖精会交搿瓣导羲毫鼹终麓臻，不遣臻予嘉过载舔境，藿再霸在低滠帮 潮湿的环境中。环飘树脂是使用较多的一种灌射材料，其煅太的特点感粘合力 强、强度高、灌封工艺简单。但题其固化内应力太，没有弹性。常常鬻聚在其 孛添热一些其它柩辩婆改善其综套往链。聚氯鬻夔蘩毪、弹性、硬霾帮奔予硅 橡胶釉环氧树虢之闷，基本可满怒系统封装的鬻求，但怒它的液体流动憾不太 好，滔商其固化过糕中释放的c 0 。气体会产嫩气泡，而使用聚氨酯封戮时，要 是真空慕将匿纯环境攘残寞空，戳保证灌封艘爨。在实嚣使惩薅，上述器耱灌 封耪辩鄹蔫要瓣入逶璧静嚣张剡、缮舞裁窝其它一鎏壤辩。 缓冲是提高存储测试系统抗挝载能力的谢散办法。冲街实验表明。采用改 性环栽树脂封装驰瞧鼹模块可在5 0 0 0 0 9 重力加速度 孛击条梅下正常王 乍。当渖 老过载囊大辩，裁嚣要袋取特剃缓沸整薅。 缓冲的原理是利用缓冲体的弹塑性变形以及阻尼作用，减弱由于载体加速 度或减速运动而作用予存储测试仪的力，使测试仪承受比栽体小的过载峰值。 不遂t 缓砖蒋除了越缓砖藏蓑侔瓣终，还畿够案羧遵冁饔竣衰藏载诲与露挺撞 击对，两在其内部形成豹应力波，并防止测试仪与载俸之间的剐性撞裔。常用 的方法有橡胶弹簧缓冲、v 型或w 型刚性缓? 申、石英准流体材料作为容器间填 充材辩熟缓冲等。 本系统孛，可戳褥主窀貉掇和毫源线黯板豪放在金蒜畿俸肉，并徽灌封处 理，将强度高、韧憾好调