摘要 介绍了一种多通道应变信号收集体系的模块化规划，处理了飞机强度监测中使用大批量电阻式应变片数据收集和传输的问题。该规划选用3级模块级联而成，可一起收集4096路应变信号。使用CPLD完结对4096路模拟信号的数据复接和编解码，并选用光传输技能将数据传输到远端。该规划适用于一切选用电阻式应变片(120 Ω)、收集应变信号的使用。
电阻应变式传感器是使用金属的电阻应变效应制作的一种丈量细小改变量的传感器。应变式传感器是依据丈量物体受力变形所发生应变的一种传感器。电阻应变片是电阻应变式传感器的中心部分，直接影响传感器的各种性能指标。电阻应变片的作业原理是金属的应变效应。金属导体的电阻跟着它所受机械变形的巨细而发生改变的现象，称为金属的电阻应变效应。
在现有飞机强度测验中，遍及选用电阻应变片式的丈量原理，对每个强度查核点张贴一只电阻应变片，在进行实验时，通过读取应变值来获取飞机机体节点的强度状况。一般飞机每架约选用6 000～12 000只应变片，大型飞时机更多，而每只应变片有3根电导线，这样共有数万根导线，占用较大面积、布线冗杂，线路环绕比较严重，形成测验现场紊乱。一旦某一只应变片出现问题，现场查找将十分困难，大幅增加了强度测验的复杂性和周期。
本文选用光纤进行应变信号的传输，以模块化规划，通过模块间级联的办法，使得可收集的应变片路数呈几何倍数增加，将上万根电信号转化成一路或几路光信号进行传输，从测验现场到监控室仅有一根光缆。
并且因为选用模块化规划，一旦某一路信号出现问题，能够直接带电插拔替换，大幅缩短监测进程中查找问题源的周期。通过光纤技能的引进，促进飞机强度监测体系的可靠性和结构优化。
1 体系规划
1.1 结构规划
体系结构如图1所示。组件分为发射端、光纤和接纳端3部分。发射端由1级模块、2级模块、3级模块组成。1级模块用于收集应变信号，每个1级模块最多能够收集16路应变信号;2级模块、3级模块用于数据复接和通讯，每个2级模块最多能够接16只1级模块，最多能够收集256路应变信号;每个3级模块最多能够接16只二级模块，最多可收集4 096路应变信号。一架飞机最多需求3只3级模块就能够到达收集一切节点的意图，3级模块把收集到的4 096路应力信号转化成光信号通过光纤传输到远端，在远端再通过光电转化转化成电信号并接纳、解码、提取、送到上位机进行处理。并且本产品能够依据要收集的应变路数随意增减模块数量，假如要收集几百路应变信号，只需求若干个1级、2级模块，假如收集几十路应变信号，则几个1级模块就能够满意要求，组合自在。假如其间某一模块不能正常作业，能够直接替换而不影响整个体系的作业。
1.2 部件规划
16路应变信号通过惠斯通桥转化成mV级的电压信号，送到应变信号调度电路，进行线性放大和滤波。多路挑选器挑选16路中的某一路送到精度为24 bit的高精度A/D转化器，将模拟信号数字化，CPLD接纳来自A/D的数字信号，然后发给多路挑选器指令，转化到下一路应变信号持续收集，顺次循环，直接将一切16路应变信号收集完，完结一个收集周期。CPLD将收集到的16路应变信号转化成串行信号，送到数据发送单元，进行数据传输处理，送给下一级模块。1级模块暗示框图如图2所示。
弱小信号的检测，存在以下难点：(1)电桥电压的动摇，引起输出的动摇。(2)应变片阻值一致性差，形成丈量差错。(3)应变片因为温度的补偿不处理，影响电桥输出量不精确。(4)A/D转化器的位数影响，A/D转化位数多，则转化精度高、速率低。反之，则转化精度低、速率高。(5)滤波器规划的精确与否，将决议能否将噪声信号滤除。(6)因为开端悬挂重物时，悬梁臂的颤动，会使输出电压不安稳，然后发生差错。
针对以上问题，文中提出的改善办法如下：(1)选用高精度稳压电源。(2)对应变片进行挑选，选用物理性能相同的应变片。(3)对应变片选用温度补偿设备，并在软件上进行补偿，使温度对应变片的影响降到最低。(4)在满意速率性能指标的前提下尽可能进步A/D转化器的位数，减小量化差错。(5)进一步精确的规划滤波器，将噪声信号充沛滤除。(6)推迟必定的时刻，等信号安稳后再进行采样。
16路串行数据送到2级模块，CPLD把16路串行信号接纳过来，因为每一路串行信号包含16路应变信号，16路串行信号一共含有256路应变数据，CPLD把256路应变数据进行数据复接、数据编码、并串转化等一系列处理，转化成按必定次数摆放的串行信号，发送到下一级模块。2级模块原理框图如图3所示。
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，接纳16路2级模块发送过来的应变信号，共有4 096路应变信号，然后通过光模块转化成光信号，通过光纤发送到远端，在远端由接纳端进行接纳。
接纳端原理框图如图5所示。接纳端由光模块接纳远端发送过来的光信号，转化成电信号送到后续电路进行数据接纳、解码等处理，将4 096路应变信号接纳，然后依据上位机要求的数据摆放次数顺次摆放，在通讯接口芯片把应变数据发送到上位机进行应变信号的存储、处理和显现等。
2 首要器材选型
2.1 ADC转化器的挑选
关于ADC转化器，选取的规范首要取决于采样频率和位数，以及价格、供货周期、使用状况等要素。因为体系模拟信号的通道数比较多，需求挑选多通道A/D。体系选用AD公司的AD7490。AD7490是一款12 bit的高速、低功耗的模数转化器，输入信号能够到达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的作业电压下作业频率可达20 MHz，通讯接口为高速串行接口SPI。
2.2 CPLD的挑选
Altera公司的MAX V系列CPLD具有低电压、低消耗等特色。MAX V系列的特性如表1所示，依据实际需求，挑选5M570Z作为产品的操控中心。
3 仿真成果
通过数据收集功用仿真，即AD7490操控器驱动仿真。验证了代码规划满意了规划功用，详细进程如下：模数转化芯片AD7490，正常作业前需求初始化，有3个DUMMY周期。AD7490写周期包含16个ADC时钟，ADC时钟通过体系时钟分频得到，设定ADC作业时钟为10 MHz，体系时钟为20 MHz。
CPLD引脚分配阐明如表2所示。
AD7490初始化成果如图6所示。由图6可看出，AD7490在体系时钟有用今后，先进行了3个初始化周期，然后依据需求进行形式设置和收集等操作。
AD7490初始化后，会进行数据收集，16通道的AD7490分为3个收集形式，分别是00形式、01形式和11形式。规划选用形式，3个形式都有仿真，ad_mode为形式挑选输入管脚。仿真成果如图7所示。
如图7所示，AD7490在初始化后，顺次挑选3个形式进行仿真，验证成果是正确的，满意规划要求。
4 结束语
使用A/D+CPLD规划了一种应变信号收集体系，用于飞机强度监测验验中，使用光纤作为传输介质，能够长距离传输。得到定论如下：
(1)完结了体系的原理图规划和PCB的制作，制作了体系的硬件电路板。通过硬件体系的调试，硬件部分到达规划要求，完结了各个模块之间的连接功用。
(2)CPLD选用自顶向下的规划思维，从顶层的体系结构框图下手，将体系分为ADC操控模块、数据处理模块、通讯模块。规划中从每一个子模块仿真与测验可知，软件完结满意体系规划要求，CPLD芯片起到主操控器的效果。整个体系从数据收集、传输、存储、发送期间数据安稳。
(3)在软件规划部分，遵从了CPLD规划的基本准则和硬件准则，使用常用的规划技巧，比方：调用双口RAM进行乒乓操作、串并转化以及流水线等操作，避免数据在收集或传输进程中溢出时序逻辑中的竞赛和冒险导致数据丢掉。处理好时序联系是高速收集体系的中要害，规划中对每个不同的模块增加时序束缚，以满意归纳布局布线后能到达时序收敛，并处理要害途径的延时处理等。
