基于FPGA的柔性應變測量裝置設計

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

0   前言

固體火箭發動機的推進劑藥柱具有一定彈性，受重力、溫度等因素影響，藥柱內部會產生應力。在應力作用下藥柱表面會產生應變，通常應變量較大。當應變達到一定程度時，藥柱內部會產生孔隙，表面會產生裂紋，藥柱會發生破壞性改變。而藥柱的狀態直接影響著火箭發動機的飛行狀態，藥柱如果存在缺陷很可能引起飛行任務失敗^[1-3]。因此采取措施測量藥柱表面的應變具有重要意義。因為藥柱具有彈性而且體積較大，其表面應變通常可達數毫米，無法使用普通應變傳感器測量。火箭發動機生產過程中需要進行高頻振動試驗考核，振動過程中需要實時監測藥柱表面應變情況。通常振動頻率可達1 kHz，需要設計高速測量裝置才能滿足測試需求。本文使用柔性應變計設計柔性應變傳感器，具有測量范圍大、便于粘貼、可雙向測量的特點，解決了藥柱應變測量的難題。基于FPGA 設計高速應變測量裝置，具有多路采集、數據存儲和顯示等功能，可實時處理多路應變信號。

1   測量原理

1.1 應變測量原理

具有彈性的物體受到應力時會產生應變，應變量與應力大小成正比。固體火箭發動機推進劑為高分子復合材料，制成的藥柱具有彈性。當藥柱受到重力影響或者溫度發生變化時，都會引起內部產生應力。應力會引起藥柱內部和表面產生應變，應變量與應力^[4-5]存在如下關系：

（ε 應變量、F 應力、E 彈性模量） （1）

固體火箭發動機的推進劑藥柱體積較大，而藥柱的彈性模量較小，通常約為0.8 MPa，因此藥柱產生的應變量較大，最大可達10%。普通的應變傳感器使用剛性材料制成，只能用來測量微小應變，最大量程約為1%，無法滿足藥柱應變測量需求。設計中選擇柔性材料制成的應變傳感器來測量藥柱的應變量。

1.2 應變傳感器

應變傳感器選擇的柔性材料制成大量程柔性應變計^[6]屬于大塑性應變測量應變計，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，是材料及結構的彈塑性應力應變分析的理想測試元件。

該應變計相對于普通應變計提升了敏感絲柵材料的延展性和伸長率，改進了應變計敏感絲柵結構，降低了基底剪切應力和焊盤應力的集中影響，改善了應變計的拉伸特性，可避免大應變時斷線產生，最大能夠測量20% 范圍內的雙向應變量。該應變計可以滿足藥柱應變測量需求，主要參數如下：

●   測量極限：±20%；

●   溫度范圍：-30 ～ +60 ℃；

●   阻值：120 Ω；

●   阻值偏差：標稱值±1%；

●   應變系數：≥ 2.0。

2   測量裝置設計

2.1 測量裝置組成

圖2 應變測量裝置系統組成

如圖2 所示，柔性應變測量裝置由多個應變計和采集裝置組成。應變計黏貼在藥柱表面不同位置，用于感應應變。采集裝置位于藥柱外部，可同時采集多路應變量，并具有運算、存儲、顯示和發送等功能。

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轉換模塊、存儲模塊、時鐘模塊、按鍵輸入模塊、串口通信模塊、USB 接口模塊、數據顯示模塊組成，其內部組成框圖如圖3 所示。

其中電源模塊實現電源濾波及轉換為系統中其他模塊及傳感器供電；控制器模塊采用FPGA 實現對系統整體運行過程的控制，主要是對用戶指令的響應以及其他功能模塊的控制；AD 轉換模塊由多片AD 采集芯片組成，模塊受控制器模塊的控制，將輸入的應變傳感器信號轉換為數字量，并傳送至控制器模塊。存儲模塊由數據存儲模塊和參數存儲模塊組成，其中參數存儲模塊存儲裝置運行參數，例如采集通道、數據采集頻率等；數據存儲模塊存儲AD 轉換模塊采集到的傳感器數據。時鐘模塊為一個萬年歷芯片，為系統提供時鐘基準，可由紐扣電池供電，保證在系統斷電的情況下時鐘芯片能夠運行。按鍵輸入模塊采集按鍵信息，傳遞給控制器模塊進行處理，響應用戶輸入。

串口通信模塊實現與上位機的數據通信，將上位機的控制指令傳送給控制器模塊并將數據發送至上位機，通信總線為RS485。USB 接口模塊為一個USB 主機接口，可以將數據傳送至上位機。顯示模塊由LCD 顯示屏組成，以顯示用戶設定通道的應變量。

2.3 采集裝置重要電路設計

2.3.1 組橋電路

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

圖4 組橋電路原理

2.3.2 信號采集電路設計

采集電路由放大電路和AD 轉換電路組成。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 轉換器輸入電壓要求。同時在放大電路的信號輸入端和信號輸出端設計濾波電路，以濾除干擾噪聲，提高信號質量。

圖5 信號放大電路原理

放大后的信號進入AD7699BCPZ 進行AD 轉換，AD7699BCPZ 是一款8 通道、16 位、逐次逼近型模數轉換器，可以實現模擬信號數字化的高速轉換，最高轉換速率可達500 kS/s，轉換精度達0.01% 以上。設計中通過FPGA 控制多片AD7699BCPZ， 每片AD7699BCPZ 的8 個通道連接8 個應變傳感器。藥柱隨機振動試驗時振動頻率約為1 kHz，應變傳感器信號變化頻率與振動頻率相同。8 個應變傳感器的信號總帶寬約為8 kHz，AD7699BCPZ 的最高轉換速率可達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 同時工作，可以同步采集多路應變傳感器輸出信號，實現對藥柱表面多個應變量的實時采集。

圖6 AD轉換電路原理

2.3.3 控制器電路設計

控制器的核心器件為FPGA，設計中選擇Altera 公司（編者注：已被Intel 并購）生產的EP4CE10F17C8芯片，該芯片內部集成有邏輯單元（LE）、嵌入式存儲器（M9K）、嵌入式18×18 乘法器、通用PLL、全局時鐘網絡以及輸入/ 輸出單元（I/O），可以使用Verilog語言編寫程序控制AD 轉換芯片、存儲芯片、USB 通信芯片和顯示屏控制芯片，實現應變傳感器數據采集、數據存儲、外部通信和數據顯示等功能，同時還可以通過內部加法器和乘法器對采集到的數據進行運算處理。

存儲電路由參數存儲電路和數據存儲電路兩部分組成，如圖7 所示。參數存儲電路選擇FM25CL64-GA，用于保存多路應變傳感器的校準參數。該芯片是一款非易失性鐵電隨機存儲器，存儲容量為64 kB，可無限次讀寫數據，掉電下仍可長期保存數據。數據存儲電路選擇MT29F128G08AJAAAWP-ITZ，用于保存采集、運算處理后的應變量數據。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、存儲容量大的優點。由于振動試驗中藥柱應變變化頻率可達1 kHz，而且通常振動時間可達1 h 以上。所以采集到的應變量數據很大，設計中共使用2 片MT29F128G08AJAAAWP-ITZ，總存儲容量為256 GB，可滿足數據存儲要求。

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，分別實現USB 通信和數據送顯的功能。USB 通信電路的主要器件為CY7C68013A-56PVXC，其內部集成8051 微處理器和USB2.0 收發器， 具有USB IF 高速通信功能。設計中FPGA 通過8 根數據線與CY7C68013A-56PVXC 連接， 可實現數據的高速處理和收發。顯示屏控制電路是通過FPGA 控制一片C8051F040 單片機實現的，FPGA 與單片機通過16 位數據總線連接，FPGA 將數據發送給該單片機，單片機對數據進行緩存并將并行數據轉換為串行數據，通過串口發送至顯示屏，實現數據顯示。同時，單片機還可以接收外部按鍵信號，響應外部控制指令。

3   軟件設計

應變測量裝置嵌入式軟件設計分為兩部分，分別為應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現對應變傳感器的數據采集及存儲，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控制實現高速AD 轉換及數據存儲^[7]。信號采集模塊主要有三個狀態，系統常態為采集模式，在該模式下，測量裝置實時進行數據采集并發送至交互控制模塊，由交互控制模塊顯示各應變傳感器實時數據，不記錄數據；當測量裝置采集開關關閉后，測量裝置進入記錄模式，在該模式下，測量裝置實現高速AD 轉換及數據存儲，并周期發送數據至數據顯示模塊；當測量裝置連接上位機軟件并接收到指令后進入上傳模式，在該模式下，測量裝置停止數據采集及存儲，與上位機進行交互，將數據上傳至上位機軟件。信號采集模塊上電后首先進行各模塊初始化設置，然后判斷系統狀態并進入相應狀態的控制模塊，執行相關流程控制。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，實現用戶和信號采集模塊間的信號中轉，所使用的核心控制器件為C8051F040 單片機。交互控制模塊接收信號采集模塊傳輸的數據并顯示時間、使用容量、通道應變量等信息，同時接收按鍵控制指令實現時間更改、緩存清除、應變校準等功能。

4   結束語

本文基于柔性應變傳感器和FPGA 設計的柔性應變測量裝置，解決了固體火箭發動機推進劑藥柱應變測量的難題，充分發揮了FPGA 實時性信號處理的優勢，可在高頻振動下同步測量多處藥柱應變，實現對藥柱健康狀況的監測，對推進劑改進和發動機研制^[8]都具有重要意義。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志社2021年11月期）