基于数据采集和无线远传的工业应变遥测记录仪

　　0　引言

　　应变检测是某些工业生产过程中的重要环节,通常采用应变片实现。普通的应变检测装置采用模拟放大并驱动记录仪来实现。而在实际的工业生产过程中,需要检测的工件往往是运动系统的重要机构,仪表繁琐的接线和庞大的体积都会影响检测的顺利进行。文中讨论了一种基于数据采集和数据无线远传的解决办法,并设计实现了一款体积小、精度高、无需外接通信线路的工业用应变遥测记录仪。

　　1　系统硬件部分设计与实现

　　硬件系统由信号采集模块、存储模块、通信模块和主控模块等构成。系统要求采集的数据实现远程显示或存储到非易失介质中。系统的整体原理如图1所示。

　　1·1　主控制器模块

　　主控制器采用MSP430F149单片机。MSP430系列单片机是精简指令集超低功耗的16位单片机。MSP430F149采用16位总线,外设和内存统一编址,寻址范围可达64 K,具有统一的中断管理和丰富的片上外围模块。其片内有精密硬件乘法器、2个16位定时器、1个12位的A/D转换器、2路USART通信端口、1个DCO内部振荡器和2个外部时钟。由于F149为FLASH型单片机,可以在线对其进行调试和下载,并具有良好的可靠性和抗干扰能力,非常适合工业级运行环境的设备使用。

　　1·2　信号采集模块

　　信号采集模块需要将电阻应变片产生的电阻变化信号转换成电压信号,并对其进行放大之后送入A/D转换器。前端电路采用常用的桥式电路。将应变片置于电阻桥的一个桥臂上,其他桥臂使用与其阻值相同的精密电阻。当应变片阻值变化时,在桥臂的输出节点上会产生电势差。

　　放大电路采用集成仪用放大器AD620实现。AD620的内部集成了由3个运算放大器组成的差分放大电路。该电路增益调节非常方便,只需调节1脚和8脚之间的电阻即可实现。

　　增益与接入电阻之间的关系为:

　　式中:G为放大倍数,无量纲;RG为接入电阻,kΩ.放大电路的输出即送给A/D转换器。这里的A/D转换器选用单片机MSP430F149的片上A/D转换器。该A/D转换器能够实现12位精度的模数转换。其采样速度最高可以达到200 KSPS,配置有8路外部通道[1]。采集模块的原理图如图2所示。

　　1·3　数据记录模块

　　传统的数据记录仪一般采用机械结构。在该设计中,存储功能采用SD卡实现,对数据的保存、复制非常方便。同时,无线模块还可以将数据远传到上位机分析。

　　SD卡是一种容量大、体积小的Flash存储设备,其对外的接口非常简单。通常SD卡对外的接口有2种: SDIO和SPI总线。主机在通信过程中只能选择其中一种通信模式。通信模式对于主控制器来说是透明的,卡会自动检测复位命令的通信协议模式,而且通信模式一旦选定,系统在通电情况下不能改变[2]。由于MSP430单片机带有片上SPI总线接口,可方便地实现总线扩展,所以选用SPI总线模式。