振弦式传感器信号采集仪的研制重点

硕士学位论文

振弦式传感器信号采集仪的研制

ＤｅｓｉｇｎｏｆＶｉｂｒａｔｉｎｇＷｉｒｅＳｅｎｓｏｒＳｉｇｎａｌＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ

学号：２１００９０６７

完成Ｆｔ期：２Ｑ！三生三月！目

大连理工大学

ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

大连理工大学学位论文独创性声明

作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文题目：

盏重塞篮盛墨焦曼墨篡垡鲍叠剑作者签名：夏。丞叠日期：ｊ丝堕年—五月—三日

大连理工大学硕士学位论文

摘要

改革开放以来，我国的经济迅猛发展，各项工程建设取得了令人瞩目的巨大成就。但为了保障基础设施建设快速发展的同时，也能保障安全生产，需要不断改进和完善工程领域内的安全监测技术。目前工程中主要应用振弦式传感器来对压力、应力、渗压、沉降、拉力等关系到系统安全的相关物理量进行测量。振弦式传感器信号采集仪主要用来采集振弦式传感器的输出信号，是促进工程建设领域安全生产的有力保障。本文研制了一种采用ＳＴＭ３２单片机的新型振弦传感器信号采集仪，该采集仪不仅能直接实时查询采集数据，并能与计算机通信，实现对各个监控点的实时有效监测。

本文改进了传感器的激励电路的电路结构，结合软件程序实现了反馈式扫频激振，降低了电路的复杂度和电路体积。在频率测量方面，充分利用ＳＴＭ３２片上资源，实现了等精度测频，提高了频率信号的测量精度。在电路设计方面，设计了小信号的拾取放大电路。该电路包含带通滤波电路，滤除了噪声干扰，提高了信号的测量精度。

振弦信号采集仪主要由两大部分组成：主控模块和测量模块。主控模块的作用是设置传感器的采集参数，并向测量模块发出传感器的采集命令。测量模块的作用是测量传感器的输出信号，并将测量数据发送给主控模块。主控模块硬件部分包括单片机最小系统、电

源电路、电压监控电路、键盘电路、ＲＳ．４８５电路、数据存储电路、时钟复位电路等。测量模块硬件部分包括单片机最小系统、电源电路、自收发ＲＳ一４８５电路、ＡＤ转换电路、隔离激振电路、拾振电路等。软件部分主要介绍了主控模块的操作流程、发送采集命令程序、系统电压监测程序、ＳＤ卡监测程序、测量模块死机修复程序以及存储数据文件程序等。测量模块软件部分介绍了模块初始化程序、白适应激振程序、等精度测频程序等。本文还着重介绍了自定义的ＲＳ一４８５通信协议，该通信协议可以实现主控模块与４个测量模块的可靠通信。

最后本文给出了利用Ｐｓｐｉｃｅ软件对系统模拟电路的仿真。软件仿真可以提高电路设计的可靠性，并充分验证电路的参数，确保电路设计的准确可靠。本文还给出了测试仪采集振弦渗压计的测量数据，根据对测试结果的分析，测试仪可以满足工程应用的需求。

关键词：振弦式传感器；ＳＴＭ３２；扫频激振；Ｐｓｐｉｃｅ

振弦式传感器信号采集仪的研制

ＤｅｓｉｇｎｏｆＶｉｂｒａｔｉｎｇＷｉｒｅＳｅｎｓｏｒＳｉｇｎａｌＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｓｉｎｃｅｔｈｅｒｅｆｏｒｍａｎｄｏｐｅｎｉｎｇｕｐ，Ｃｈｉｎａ’Ｓｅｃｏｎｏｍｙｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ａｎｄｔ

ｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｈａｖｅｍａｄｅｔｈｅｒｅｍａｒｋａｂｌｅａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｓａｆｅｔｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎａｎｅｅｄｓｔｏｃｏｎｔｉｎｕｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅａｎｄｐｅｒｆｅｃｔｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｉｅｌｄ．Ｉｎｃｕｒｒｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｓｔｒｅｓｓ，ｏｓｍｏｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｓｏｍｅｏｔｈｅｒｄａｔａｒｅｌａｔｅｄｔｏｓｙｓｔｅｍ’Ｓｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｔｈｅｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｍａｉｎｌｙｕｓｅｄｔｏｃｏｌｌｅｃｔｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒ’Ｓｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌ，ｉｓａｓｔｒｏｎｇｇｕａｒａｎｔｅｅｔｏｐｒｏｍｏｔｅ

ｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ’Ｓｓａｆｅｔｙｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄ

ａｋｉｎｄｏｆｎｅｗｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｂａｓｅｄ

ｏｎＳＴＭ３２ＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ（ＭＣＵ），ｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｃａｎｄｉｒｅｃｔｌｙｃａｐｔｕｒｅｒｅａｌ－ｔ

ｉｍｅｓｅｎｓｏｒｄａｔａ，ａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｗｉｔｈｔｈｅ

ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙａｃｈｉｅｖｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｅａｃｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔ．

Ｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｂｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｓｅｎｓｏｒｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｇｒａｍ，ａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅａｄａｐｔｉｖｅｓｗｅｅｐｅｘｃｉｔｉｎｇａｎｄｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｓａｎｄｃｉｒｃｕｉｔｓｉｚｅ．Ｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｗｅｍａｋｅｆｕｌｌ

ｕｓｅｏｆｔｈｅＳＴＭ３２ｃｈｉｐｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅ

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌ．Ｉｎｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ，ｗｅｈａｖｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｐｉｃｋ－ｕｐｏｆｓｍａｌｌ・ｓｉｇｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ

ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｗｅａｄｄｅｄａｂａｎｄ—ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔｔｏｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｉｎｏｒｄｅｒｔｏｆｉｌｔｅｒｏｕｔｔｈｅｎｏｉｓｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌ．

Ｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｗｏｐａｒｔｓ：ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅ．ＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅｉＳｕｓｅｄｔｏｓｅｔｔｈｅｓｅｎｓｏｒａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｉｓｓｕｅｔｈｅｓｅｎｓｏｒ

ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｈｅｓｅｎｓｏｒｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌａｎｄｓｅｎｄｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔａｔｏｔｈｅ

ｍａｓｔｅｒｍｏｄｕｌｅ．Ｍａｓｔｅｒｍｏｄｕｌｅｈａｒｄｗａｒｅｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｓｍａｌｌｅｓｔｓｉｎｇｌｅ・ｃｈｉｐｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ｋｅｙｂｏａｒｄｃｉｒｃｕｉｔ，ＲＳ－４８５ｃｉｒｃｕｉｔ，ｄａｔａｓｔｏｒａｇｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅｃｌｏｃｋｒｅｓｅｔｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｅｔｃ．．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｈａｒｄｗａｒｅｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｓｍａｌｌｅｓｔｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔ，ＲＳ－４８５ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ＡＤｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｓｏｌａｔｅｔｈｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｐｉｃｋ－ｕｐｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｐａｒｔｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅｏｆｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｓｅｎｄｉｎｇａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃ

ｏｍｍａｎｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｖｏｌｔａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅＳＤｃａｒｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｃｒａｓｈｆｉｘｉｎｇａｎｄｓｔｏｒｉｎｇｄａｔａｆｉｌｅｓｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｓｏｆｔｗａｒｅｓｅｃｔｉｏｎｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｍｏｄｕｌｅｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ａｄａｐｔｉｖｅｅｘｃｉｔｉｎｇｐｒｏｇｒａｍ，ａｎｄ

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ｅｑｕａｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ．Ｔｈｅ

ａｒｔｉｃｌｅａｌｓｏｈｉｇｈｌｉｇｈｔｓａｓｅｌｆ－ｃｕｓｔｏｍｅｄＲＳ．４８５ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃ０１．ｗｈｉｃｈｃａｒｌａｃｈｉｅｖｅｒｅｌｉａｂｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｏｆ

ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒ０１ｍｏｄｕｌｅｗｉｔｈｆｏｕｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅ．

Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｇｉｖｅｓｏｆｔｗａｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅａｎａｌｏｇｃｉｒｃｕｉｔｓＰＳｐｉｃｅ

ｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｓｏｆｔｗａｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｃａｒｌｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄｉｔｃａｎｆｕｌｌｙｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｔｅｓｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｄｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｐｉｅｚｏｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｔｅｓｔｅｒｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄａｔａ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＶｉｂｒａｔｉｎｇＷｉｒｅＳｅｎｓｏｒｓ；ＳＴＭ３２；ＳｗｅｅｐＥｘｃｉｔａｔｉｏｎ；Ｐｓｐｉｃｅ—ＩＩＩ—

振弦式传感器信号采集仪的研制

目

录摘要…………………………………………………………………………………ＩＡｂｓｔｒａｃｔ．．．．．．．．．．．．．…………．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．……．…．．．．．．．．．．．．．．．．………………………………．…．．．．．．．．．

．

．

Ｉ

Ｉ

ｌ

绪

｛仑………………………………………………………………………………………………………………１

１．１振弦式传感器信号采集的研究意义…………………………………………１１．２本课

题相关的国内外研究现状………………………………………………２１．３本论文研究的主要内容………………………………………………………

３１．４本论文组织结

构………………………………………………………………４２采集仪系统总体方案设计…………………………………………………………一６

２．１单线圈振弦式传感器…………………………………………………………６

２．１．１振弦式传感器结构……………………………………………………６

２．１．２振弦式传感器数学模型………………………………………………６

２．１．３振弦式传感器信号测量原理…………………………………………７

２．１．４典型振弦式传感器介绍………………………………………………７

２．２传感器激振原理………………………………………………………………９

２．２．１高压拨弦激振原理……………………………………………………９

２．２．２低压扫频激振原理……………………………………………………９

２．３本课题的传感器信号检测原理………………………………………………９２．４振弦式传感器信号采集仪主控模块方案设计……………………………．１１２．５振弦式传感器信号采集仪测量模块方案设计……………………………．１２２．６本章小

节……………………………………………………………………．１３３振弦式传感器信号采集仪的硬件设计与实现……………………………………１４

３．１振弦式传感器信号采集仪系统整体结构…………………………………．１４３．２主控模块硬件电路设计……………………………………………………．１４

３．２．１主控模块单片机选型与最小系统电路设计………………………．．１４

３．２．２主控模块电源电路设计……………………………………………．．１５

３．２．３键盘电路设计………………………………………………………一１８

３．２．４ＲＳ．４８５电路设计……………………………………………………．１８

３．２．５存储器电路设计……………………………………………………。１９

３．２．６液晶显示电路设计…………………………………………………一２０３．２．７实时时钟电路设计…………………………………………………．．２１

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３．２．８复位监控电路设计…………………………………………………．．２ｌ

３．３测量模块硬件电路设计……………………………………………………．２２

３．３．１测量模块单片机选型与系统电路设计……………………………一２２

３．３．２测量模块电源电路设计……………………………………………．．２３

３．３．３

测量模块自收发ＲＳ．４８５电路设计…………………………………２４３．３．４

ＡＤ转换电路设计……………………………………………………２４３－３．５隔离激振电路设计…………………………………………………．．２５

３．３．６拾振电路设计………………………………………………………．．２６

３．４接口板硬件电路设计………………………………………………………．３１

３．４．１接口板电源模块设计………………………………………………．．３ｌ

３．４．２接口板隔离ＲＳ．２３２电路设计………………………………………３ｌ

３．４－３接口板网络接口电路设计…………………………………………一３２

３．５本章小结……………………………………………………………………．３３

４振弦式传感器信号采集仪的软件设计……………………………………………３４

４．１主控模块程序设计…………………………………………………………．３４

４．１．１主控模块初始化程序设计……………………………………………３４

４．１．２主控模块采集程序设计……………………………………………．．３４

４．１．３系统电压监测程序设计……………………………………………．．３７

４．１．４ＳＤ卡检测程序………………………………………………………３８

４．１．５测量模块死机修复程序……………………………………………．．３８

４．１．６存储文件输出程序设计……………………………………………．．３９

４．２测量模块程序设计…………………………………………………………．４０

４．２．１测量模块初始化程序设计…………………………………………．．４０

４．２．２测量模块整体工作流程……………………………………………．．４１

４．２．３自适应激振程序设计………………………………………………．．４１

４．２．４等精度测频程序设计………………………………………………．．４２４．２．５

ＲＳ．４８５总线通信协议………………………………………………．４３４．３计算机辅助调试程序………………………………………………………．４４

４．４本章小结……………………………………………………………………．４５

５振弦式传感器信号采集仪的测试结果与分析……………………………………４６

５．１巴特沃斯带通滤波器仿真分析与测试……………………………………．４６

５．１．１巴特沃斯滤波器幅频响应曲线……………………………………．．４６

振弦式传感器信号采集仪的研制

５．１．２带通滤波器蒙特卡罗仿真分析……………………………………．．４６

５．１．３带通滤波器最坏情况仿真分析……………………………………．．４８

５．２信号模拟放大电路整体仿真分析…………………………………………．４９

５．２．１信号模拟放大电路幅频响应………………………………………．．４９

５．２．２信号模拟放大电路蒙特卡罗分析……………………………………５０

５．２．３信号模拟放大电路系统最坏情况分析………………………………５２

５．３振弦式传感器信号采集仪测试结果………………………………………．５２

５．３．１传感器压强计算公式………………………………………………．．５２

５．３．２标准差………………………………………………………………．．５２

５．３．３传感器水深测量结果与分析………………………………………．．５３

５．３．４传感器频率测量结果与分析………………………………………．．５３

５．４本章小节………………………………………………………………………５４

结论…………………………………………………………………………………………………………．．５５参考文献………………………………………………………………………………．．５６附录Ａ检测仪主控模块电路原理图………………………………………………一５８附录Ｂ检测仪测量模块电路原理图…………………………………………………５９附录Ｃ接收数据处理流程图…………………………………………………………６２附录Ｄ等待发送数据流程图………………………………………………………．．６３攻读硕士学位期间发表学术论文情况

………………………………………………

．

．

６

４

致

谢…………………………………………………………………………………………………………．．６５火连理工大学学位论文版权使用授权书……………………………………………．．６６

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１绪论

１．１振弦式传感器信号采集的研究意义

白１９７９年开始实施改革开放以来，中国经济以高于建国以来任何时期的速度发展，中国发生了天翻地覆的变化。而从上个世纪９０年代末，中国的国民生产总值一直以不低于７％的年增长率增长，高速的经济发展促使了政府对桥梁、大坝、大型建筑、地铁、造船等领域的大量投资，在提高人民群众的生活水平的同时，也拉动了内需，促使了经济的进一步发展。经济的发展和政府的投资也对煤炭、石油等能源产生了大量需求，也促使了政府在这些能源领域的投资Ｉｌｌ。然而，基础设施和能源领域的大量投资带来了众多的项目，这就要求在促进经济发展的同时，能够保证安全生产和保障人民群众的生命财产安全。国家和企业如今面对越来越多的来自于安全生产方面的挑战，为了积极应对挑战，需要国家对工程建设中勘察、施工、验收、运行等过程进行严格监控，督促监督企业重视和落实安全生产的规章制度，不断采用先进的安全监控技术和监测设备，并建立完善的安全预警系统。

在煤矿、油田、大坝、桥梁、造船等工程领域中，需要对压力、应力、渗压、沉降、拉力等关系到系统安全的相关数据进行监测。人类最早的安全监测主要是依靠人工来完成，而过多的依靠人工来监测具有诸多缺点。人工监测具有更多的主观性，过多的依靠个人的经验，这样很难达到全面准确，并且人工无法监测生产中高危险、高辐射、高污染等场合，而随着人力成本的不断上升，人工安全监测成本也越来越昂贵。第三次工业革命以后，随着电子测量技术、计算机技术和传感器技术的发展，越来越多的工程监测中采用基于传感器的电子测量方式。压力、应力、渗压、沉降、拉力等参数的测量，需要传感器具

有较高的稳定性、精度及输出信号能够长距离传输。振弦式传感器可以对上述参数的测量，非常适用于桥梁、大坝等工作环境恶劣而技术要求又很高的安全监测环境【２】。

在计算机技术兴起之前，最初的传感器主要是将压力、水位、位移等待测物理量转换为电压或电流形式的模拟量。模拟量是随着时问连续变化的物理量，可以由硬件电路实现加减乘除等数学运算。但模拟电压、电流信号不易于远距离传输，抗干扰能力差；信号一旦受到干扰，不易对信号进行数据恢复。频率信号相对于模拟电压，具有抗干扰能力强，易于信号的长距离传输和恢复，便于单片机等处理器对信号的采集和测量。随着计算机技术的兴起，工程领域中使用的传感器往往倾向于采用输出为频率信号的传感器，来实现远程分布式多点监测。随着频率型输出的振弦式传感器一经出现并投入应用，

振弦式传感器信号采集仪的研制

几乎是目前能够长期稳定给出工程监测参数的唯一传感器，也是在工程领域内广泛应用的传感器【ｊｏｊ。

除了输出信号形式是频率信号这个优势，振弦式传感器还主要具有以下优点：

（１）具有较高的测量精度，相对于电阻应变片等传感器抗电磁干扰能力强，可以准确反映被测量的物理量：

（２）功耗低，节省能源，适合电池供电场合；

（３）坚固耐用，使用寿命长，长期工作稳定性好，不需要人工维护，大大降低了应

用成本；

（４）可以应用于低温、高温、高辐射等恶劣的环境中，可以安装到矿山、煤矿、水库、大坝、核电站等监测场合，适用范围广泛；

（５）振弦式传感器的机械机构简单，安装方便睁７｜。

综上所述，振弦式传感器可以应用于桥梁、大坝、大型建筑、地铁、造船、煤炭、石油等领域的安全预警和安全监测中。为了实现采用振弦式传感器的安全监测，需要研制振弦式传感器的信号测量仪器。这类仪器属于智能仪表的范畴，需要根据传感器自身的特性并结合计算机技术来实现。本文设计的振弦式传感器信号采集仪就是根据传感器自身的特点，激励传感器并采集传感器信号，利用最新的单片机技术实现振弦式传感器的信号采集和计算。鉴于振弦式传感器在工程领域内的重要作用，本文研制振弦式传感器信号采集仪，对于促进安全生产具有重要意义。

１．２本课题相关的国内外研究现状

２０世纪２０年代，谢弗和麦哈克公司联合研制了第一款振弦式传感器，该传感器可以测量应变，但该传感器标距较短、测量范围较小、灵敏度较低，无法应用到工程监测中，只能应用于实验室中的科学实验。但随着振弦式传感器的技术发展，传感器不仅可以测量应变，还可以测量液位、压力、渗流、位移等物理量，测量距离大大提高，测量范围也逐渐增大，传感器的灵敏度也越来越高，这些重大进步促使振弦式传感器的性能符合工程应用的要求。２０世纪３０年代，前苏联研究开发了采集振弦式传感器信号的监测设

备，该采集设备的研制成功促使了振弦式传感器在工程监测领域中的成功应用。而该传感器一经应用，就几乎是可以长期给出液位、压力、渗流、位移等物理量可靠数据的唯一传感器器。２０世纪３０年代以后，振弦式传感器的技术发展越来越快，传感器越来越具有更高的性能，测试仪器也越来越智能，工程应用也越来越多。目前国际上，西欧国家和美国在振弦式传感器技术上的研究较为领先，世界上较为著名的振弦式传感器

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生产公司有美国基康公司、法国德莱马克公司和德国麦哈克仪器仪表公司。这些公司相关研究起步时间早，研究开发的传感器和测试仪性能稳定，测量精度高，研制和生产了种类繁多的传感器，广泛的应用于世界各地的监控领域中，然而这些传感器的价格相对于国内来说较为昂贵。目前国内广泛应用的来自国外的传感器主要是美国基康公司生产的，该公司振弦式传感器品类广泛，性能先进，在水利水电、桥梁、煤矿等领域均有应用【８】ｏ

我国从上个世纪中叶开始研究振弦式传感器技术，目前也取得了较快的发展。虽然国内的振弦式传感器的研制工作起步较晚，但发展到目前为止，也产生了一批在国内有影响力的公司：山东科技大学洛赛尔传感器技术有限公司、丹东永舜工程测试仪器厂、南京格能仪器科技有限公司、江西飞尚科技有限公司、浙江金坛土木工程仪器公司等。在这些公司中的技术实力最强是山东科技大学洛赛尔传感器技术有限公司，该公司依托于山东科技大学，传感器的性能位居国内前列。早在上个世纪７０年代山东科技大学就开始了振弦式传感器的相关研究，研制出的振弦式传感器和测试仪器可以满足高压力大位移的测量，可以应用于煤矿安全检测中。目前山东科技大学该领域知名教授有崔玉亮、邓铁六等。１９

８４年南京水利科学研究所研制了可以监测３２个点的振弦式传感器巡回检测装置。在这以后，８０年代中后期，我国利用金属钨研制出了基于钨弦的振弦式岩石传感器和动态土压力传感器。９０年代我国成功研制出了单线圈振弦式传感器，这种单线圈传感器弦长较短，不易产生倍频干扰，体积小，同时激振和拾振线圈共用同一个线圈，简化了电路接１：３，目前应用广泛【９ｄ２１。本课题的研究针对的是这种类型的传感器的信号采集。

目前振弦式传感器的研究和应用依然相当广泛，国内外也做了大量的改进和提升传感器性能的研究。传感器逐渐朝着高精度、大量程、小体积、多应用等方向迈进。在传感器性能提升的过程中，就产生了对改进采集传感器信号测试仪的需求，而随着计算机技术和嵌入式处理器的发展，不断采用新型的嵌入式处理对传感器的扫频激振和信号采集的应用也越来越多１１３Ｉ。

本课题研制的振弦式传感器信号采集仪针对的是目前应用广泛的单线圈振弦式传感器，并结合了目前应用广泛的意法半导体的ＳＴＭ３２单片机和自适应激振、等精度测频等技术，完成传感器的信号采集和分析处理。

１．３本论文研究的主要内容

本文研究并设计了振弦式传感器信号采集仪，由主控模块、测量模块及接口板构成。主控模块的功能是控制采集卡数据采集、显示传感器采集数据、存储采集数据并能与计

振弦式传感器信号采集仪的研制

算机进行数据通信，此外还具有监测电源电压的功能，避免采用蓄电池供电时，电池过放而充电不及时造成电池损坏。测量模块可以连接８路传感器，分时对传感器扫频激振，采用等精度测频的方式测量传感器的输出信号，提高信号的测量精度。

本课题的主要研究内容包括：

（１）探讨了传感器的两种常用激振原理，并针对它们的缺点，给出了本文设计的传感器检测原理：

（２）设计了主控模块和测量模块的系统组成方案；

（３）详细介绍了主控模块、测量模块及接口板各个部分的硬件电路设计，给出了重要模块电路的电路原理图；

（４）详细介绍了主控模块的键盘操作流程，并介绍了系统电压监测、ＳＤ卡检测、测量模块死机修复、存储文件等程序，探讨了这些程序的功能，并给出了这些程序的执行步骤；

（５）介绍了测量模块的整体工作流程，详细探讨了自适应激振程序和利用单片机片上输入捕捉模块、定时器模块实现等精度测频，重点介绍了实现４个测量模块与主控模块可靠通信的ＲＳ一４８５通信协议；

（６）讨论了利用Ｐｓｐｉｃｅ软件对系统设计的巴特沃斯电路和信号拾取电路的软件仿真，进行了蒙特卡罗分析和最坏情况分析，并对通过仿真验证的巴特沃斯带通滤波器

进行实际测试：

（７）对振弦式渗压计进行了实际测量。

１．４本论文组织结构

本文由绪论、系统总体方案设计、系统硬件设计、软件设计及测试结果构成。

第一章绪论，主要介绍了振弦采集仪的相关应用背景，分析了研究振弦式传感器信号采集仪的在促进安全生产方面的重大意义。

第二章介绍了振弦式传感的机械结构和数学模型，探讨了高压拨弦和低压非隔离扫频激振方案的优缺点，给出了本课题的传感器信号采集原理以及本课题的主控模块和测量模块的设计方案。

第三章按照第二章的设计方案，给出了系统整体硬件结构图，并详细介绍了主控模块、测量模块、接口板各个部分的电路。讨论了这些电路的工作原理，给出了电路的具体原理图。４

人连理工大学硕士学位论文

第四章主要介绍系统的软件设计。介绍了主控模块的各部分软件程序，详细介绍了主控模块的操作流程。介绍了测量模块的自适应激振程序和等精度测频程序，给出了程序的实现方法。详细探讨了ＲＳ．４８５总线的通信协议，给出了数据接收和数据发送的详细

程序流程。

第五章给出了Ｐｓｐｉｃｅ软件仿真的仿真结果和测试仪的具体测试结果。软件仿真验证了模拟电路的设计满足要求。最后还介绍了本测试仪对振弦渗压计的测试。５

振弦式传感器信号采集仪的研制

２采集仪系统总体方案设计

２．１单线圈振弦式传感器

２．１．１振弦式传感器结构

振弦式传感器按照组成结构划分主要有双线圈型和单线圈型，目前得到广泛应用的是单线圈型振弦式传感器，具有体积小，稳定性高，精度高等优点。

图２．１

单线圈型振弦式传感器示意图Ｆｉｇ．２．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｎｇｌｅ—ｃｏｉｌ—ｔｙｐｅｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅ

ｓｅｎｓｏｒ，３单线圈型振弦式传感器的组成结构如图２．１所示。传感器主要由磁铁、激励与接收线圈、钢弦、膜片、支座等构成。钢弦一端固定在支座上，另外一端连接弹性膜片。当弹性膜片受到的压力或者拉力发生变化时，会导致钢弦受到压缩或拉伸，

钢弦的应力发生变化。激励与接收线圈与钢弦平行安装。单线圈型的传感器的激励线圈与接收线圈是同一个线圈，通过分时复用的形式实现对传感器的激励和传感器信号的接收。利用单线圈传感器这种激励线圈和接收线圈分时复用的形式，可以降低钢弦的长度，有利于传感器的小型化，并减少了传感器的连接线和降低了外围电路的复杂程度。

２．１．２振弦式传感器数学模型

若钢弦上两端的应力为Ｆ，则弦自由振荡时的频率厂为：

厂＝寺后

泣・，６

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，式中，为钢弦有效长度，Ｐ为钢弦的密度‘１４】。根据公式（２．１）可知，钢弦两端的应力大小Ｆ为：

Ｆ＝４ｐ１２ｆ２（２．２）

，钢弦有效长度和钢弦密度是可以认为相对不变的，故钢弦的应力与频率的平方成正比。工程上通常将频率的平方转换为模数来表示，公式（２．３）为模数计算公式。

Ｍ：上

（２．３）

１０００由公式（２．２）、（２．３）可知，钢弦应力计算公式为：

Ｆ＝４０００，０１２Ｍ（２．４）

２．１．３振弦式传感器信号测量原理

根据传感器的机械结构可知，传感器上的弹性膜片受到压力或拉力时，钢弦上的应力会发生相应变化。振弦式传感器中主要的信号检测单元是钢弦。当传感器中的线圈中加入适当的激励信号，根据电磁感应原理，钢弦在受到磁力的作用时，一部分电能转化为钢弦的弹性势能和动能；当线圈上的激励信号消失时，钢弦的振荡形式为有阻尼的振荡；钢弦振荡过程中，会切割磁铁的磁感线，导致线圈所在处的磁通量发生变化，根据电磁感应原理，线圈中产生交变的感应电动势。根据物理学原理，钢弦在做有阻尼振荡时，振荡频率与自身受到的应力有关，而线圈中感应电动势的频率与钢弦的振荡频率相同ｉ巧１。测量出感应电动势的频率，便可得知钢弦的振荡频率，算出传感器的钢弦所受到的应力大小，进而计算出传感器所测量的渗压、位移、拉力、压力等物理量。

２．１．４典型振弦式传感器介绍

目前世界上振弦式传感器的领导者是美国基康公司，该公司具有众多的发明及丰富的设计经验，卓越地发展了振弦传感器相关技术，该公司的传感器产品拥有ＩＳ０９００１质量体系认证，具有品质高、可靠性高、寿命长等优点，广泛地应用于世界各地。１９９８年，在北京创立了北京基康仪器公司，是目前国内顶尖的野外安全仪器供应商和系统解

决方案服务商。北京基康成立１０年来共销售了约１２亿元人民币的产品，广泛应用于水利水电、轨道交通、港口码头、核电、矿山等大中型工程［１¨１７】。如前所述，基康公司在振弦式传感器领域内领先的技术实力和在中国市场的广泛影响力，本文以基康公司的，ＢＧＫ－４５００Ｓ型振弦式渗压计为例，来介绍振弦式传感器。

振弦式传感器信号采集仪的研制

图２．２振弦式渗压计结构

Ｆｉｇ．２．２Ｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｐｉｅｚｏｍｅｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

如图２．２所示，振弦式渗压计的主体部分由钢弦、磁铁、Ｏ型线圈、激励与接收线圈、膜片、半导体温度计、透水石、透水座、Ｏ型线圈等构成，传感器可以安装在建筑物、基岩、测压管、堤坝、管道和压力容器中。由特殊钢材制成的传感器壳体和其他关键部分，使传感器可以应用于各种恶劣环境中。透水石是由５０微米小孔烧结不锈钢构成，有利于空气从渗压计的空腔中排出，适合水位测量。渗压计的工作过程如下：

（１）取下透水石，使水充满透水石和传感器之问的腔体，排除透水石和透水座腔体中的空气；

（２）放置传感器于待测环境中至少１５分钟，达到与外界环境的温度平衡；

（３）传感器初始安装时，膜片上会承受一个压力，此时对传感器激励，测量得到传

感器钢弦振动的初始频率：

（４）测量此时的传感器温度；

（５）当渗压计测量的水位发生变化时，膜片上承受的压力会发生变化，这时激励传感器，测量得到传感器钢弦此时的振动频率；

（６）测量这时的传感器温度；

（７）根据传感器率定表表样中相关参数，结合测量得到的频率和温度计算此时的压强１１８］。

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２．２传感器激振原理

２．２．１高压拨弦激振原理

高压拨弦的激振方式通常选用三极管对交流脉冲信号放大，通过变压器将三极管输出的交流信号耦合到倍压整流电路中。通过控制对倍压电路中电容的充电时间，来调节电容两端的最终充电电压。当电容两端电压达到１１０Ｖ左右时，控制可控硅导通，电容两端的电压加到振弦线圈上。线圈上的电流产生磁力驱动钢弦振动，当驱动电流消失时，由于惯性和空气阻力的存在，振弦做有阻尼衰减自由振荡，此时振动频率即为钢弦的固有频率。高压拨弦的激振电路由变压器和倍压整流电路等构成，电路结构较为复杂，体积庞

大，不利于传感器测试设备的小型化。高压拨弦作用到线圈两端的电压较大，相应拨动钢弦的磁力较大，易造成传感器钢弦和线路的老化。传感器输出信号的幅度较小，信号持续时间相对较短，因此采用这种方式传感器的测量精度较低ｌｌ引。

２．２．２低压扫频激振原理

振弦传感器振荡的固有频率存在一个大致范围，通常为４００．４５００Ｈｚ。根据物理学中的共振原理，当作用到传感器上的激励信号的频率与传感器钢弦固有频率接近或相等时，钢弦发生共振。共振状态下，钢弦振荡的幅度较大。低压扫频激振采用包含传感器振荡频率范围的低压激励脉冲，加到传感器线圈上。作用到传感器的脉冲信号频率在激励频率段内按照一定步进变化，为了保证钢弦能够起振，脉冲信号需要在每个小的频率段内保持一段时间。相对高压拨弦激振方式，钢弦振动幅度大，线圈中感应的感生电动势较大，传感器输出信号持续时间长、幅度大。低压扫频的激振方式，对传感器的检测精度高，但所需时间较长。通常为了降低扫频时间，通常可以人为将扫频频率段分成几个小段，或利用反馈激振的方式，提高激振的效率，降低测量时间【２０】。

２．３本课题的传感器信号检测原理

鉴于高压拨弦激振方式的电路复杂、传感器易老化、检测信号精度低和低压扫频时间长的弊端，本设计采用改进的反馈式隔离激振电路对传感器进行扫频激振。具体做法是按照传感器的类型将激振频率范围进行大体分类，然后将每一类传感器的频率区间分为四段，这样对传感器的扫频就按照频率段来进行初步扫频。初步扫频之后，对得到的频率信号进行检测。根据传感器的特性可知，当激励频率与传感器固有频率比较接近时，即满足

公式：

ｆｏ一了ｄｆｏ≤ｆｏ≤ｆｏ＋了ａｆｏ（２．５）一９一

振弦式传感器信号采集仪的研制

时，钢弦才会有效振动。故得到初步检测频率后，以初步检测频率ｆｎ为中心，按照公式（２．５）计算频率区间，得到新的扫频激振区间。按照新的扫频激振区间对传感器进行复激振，复激振后钢弦振荡剧烈，传感器输出信号幅度高，持续时间长，这种激振方式可以大大提高传感器的检测精度。

传感器输出的衰减振荡的正弦波信号最终经过放大、滤波、整形后，最终出现在测量信号的单片机引脚上的信号是频率几乎固定的方波信号。为了提高对方波信号的测量精度，减少数字测量系统中的－Ｉ－１误差对系统测量结果的影响，本课题采用了等精度测频的测量方法。

厂×＂

六＝坐（２．６）

ｂ

等精度测频的原理是设定一个闸门时间ｋ，开始计时时并不立即对待测信号和标准信号进行计数，而是等到待测信号的下降沿到来时开始对待测信号和标准信号计数；当闸门

时间结束时不立即停止计数，而是等到待测信号下降沿到来时，停止计数【２１】。若待测信号的计数值为吩，标准信号的计数值为刀。；待测信号的频率为六，标准信号频率为工，则待测信号的频率可以按照公式（２．６）计算。

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图２．３等精度测频

Ｆｉｇ．２．３Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉａｇｒａｍ本课题具体实现方案是将待测信号连接到ＳＴＭ３２单片机的输入捕捉引脚，采用单片机内部的锁相环输出为输入捕捉模块计数器的参考时钟，定时器来提供闸门时间的定时。由公式（２．６）可知：厂．为ＳＴＭ３２单片机内部锁相环输出的频率，比较稳定，相对ｆ较大，误差可以忽略不计；Ⅳ。为整数，可以认为是精确的；Ⅳ，，为基准时钟信号的计数值，在计数周期内误差为±ｌ。本测试仪采用的基准时钟频率为７２ＭＨｚ，待测频率信号频率范围为４００－４５００Ｈｚ，基准时钟频率远远大于待测信号频率，基准时钟信号的±

１误差对系统测频精度的影响便大大减轻了。１０

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２．４振弦式传感器信号采集仪主控模块方案设计

振弦式传感器信号采集仪主控模块功能主要有以下几个方面：

（１）初始化系统的电源检测模块、按键模块、ＲＳ．４８５通信模块、液晶显示模

块、实时时钟模块、ＵＳＡＲＴ模块等：

（２）对测量模块发出预激振命令，检测测量模块的返回信号，判断测量模块的连接状态和传感器的连接状态；

（３）显示系统初始化后的界面，显示电源电压、系统时间、ＳＤ卡的连接状态、测量模块的连接状态及传感器的测试数据：

（４）读取存储器中系统设定参数，如传感器激励频率范围、系统时间等；

（５）监测按键状态，读取按键输入的控制参数，并在液晶显示屏上实时显示配置参数；

（６）根据按键的配置参数，发送命令给振弦测量模块，并接收和存储测量模块返回

的数据；

（７）检测ＵＳＡＲＴ接口，检测到计算机发送的命令后，根据命令内容设定配置参数，或返回相应的数据：

（８）此外液晶显示屏能显示中文界面，便于操作人员的使用。

图２．４主控模块系统架构

Ｆｉｇ．２．４Ｍａｓｔｅｒｍｏｄｕｌｅｓｙｓｔｅｍａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ

根据上面介绍的主控模块的功能，设计的系统架构如图２．４所示，主控模块的主要功能模块由ＳＴＭ

３２处理器、液晶显示模块、存储器、ＲＳ．４８５通信模块、键盘、电源模块、ＵＳＡＲＴ、实时时钟构成。ＳＴＭ３２处理器是主控模块的控制核心，与ＲＳ．４８５接口电路构成ＲＳ．４８５通信模块与测量模块通信；读取存储器来获得初始配置参数，并将配置数据写入存储器；

振弦式传感器信号采集仪的研制

初始化液晶显示模块，并显示交互界面；片上ＲＴＣ模块完成实时时钟的功能；片上ＵＳＡＲＴ模块与ＭＡＸ２３２芯片构成ＲＳ．２３２模块与上位机通信；电源芯片用以转换出所需的电源；配置处理器的连接键盘引脚为输入，监测按键的状态。

２．５振弦式传感器信号采集仪测量模块方案设计

振弦式传感器信号采集仪测量模块功能主要有以下几个方面：

（１）初始化系统的ＡＤ测量模块、激振模块、拾振模块、ＲＳ－４８５通信模块；

（２）监测ＲＳ．４８５总线接收到的数据包，并解析数据包；

（３）当接收到的命令是本模块采集传感器的命令时，按照命令配置的参数激励选择的传感器，测量相应的传感器的频率和温度；

（４）当解析数据包是发送给其他模块时，判断并记录其他测量模块的采集情况；（５）采集完传感器时，判断本模块是否是最高优先级的测量模块，当本测量模块的优先级最高时，向主控模块返回测量模块数据，而当本测量模块优先级不是最高时，继续监测数据包，直到判断本模块是最高优先级的模块。

振弦监控模块：

图２．５测量模块架构

Ｆｉｇ．２．５Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ

根据上面介绍的测量模块的功能，设计的系统架构如图２．５所示，测量模块的主要功能模块有ＳＴＭ３２处理器、ＲＳ．４８５通信模块、电源模块、光电隔离模块、激振

模块、拾振模块、ＡＤ测量模块。ＳＴＭ３２处理器是测量模块的核心，运行ＲＳ・４８５通信程序、ＡＤ测量温度程序、传感器激振程序、传感器等精度测频程序等；单片机片上ＵＳＡＲＴ

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模块与ＳＰ３４８５芯片构成的４８５通信模块，可以与主控模块通信；单片机采用ＳＰＩ接口与ＡＤ７７０５芯片及外围电路构成传感器测温电路；单片机将输出比较模块的方波频率信号通过光电隔离后，由驱动光耦作用到传感器上，激励传感器；拾振模块检测传感器输出的衰减振荡的信号，通过放大、滤波、整形、光电隔离后传送给单片机的输入捕捉引

脚。

２．６本章小节

本章介绍了振弦式传感器的具体结构，根据传感器结构分析了传感器的数学模型，推导了相关计算应力的数学公式，并介绍了振弦传感器的信号测量原理及典型振弦式传感器。详细分析了振弦传感器两种常见激振方式和两种方式的优缺点，给出了改进后的反馈式低压扫频的原理。最后本章介绍了振弦信号采集仪的主控模块和测量模块的系统结构设计方案。

振弦式传感器信号采集仪的研制

３振弦式传感器信号采集仪的硬件设计与实现

３．１

振弦式传感器信号采集仪系统整体结构

振弦数据采集仪主要由三大部分组成，系统结构图如图３．１所示。数据采集仪主要

由主控模块、振弦测量模块和接口板三部分组成。主控模块通过ＲＳ４８５总线访问插接在测量接口板上的测量模块。仪器主体可以最多插接４个测量模块，每个测量模块可以连接最多８个振弦传感器，测量接口板上相应具有３２个传感器接口。计算机通过隔离通

信模块与振弦主控模块通信，计算机上运行的采集仪监控软件，实现对采集仪的控制和数据监测。

隔离通信模块一～

测量接口板

液品显示存储器

薯

珀西

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ｓＴＭ３２处理器．－通Ｒ信Ｓ－４模８块５

ＳＴＭ３２处理器。。。。电＝；ｆ《！按块

键盘

丰控模块振弦测量模块

振弦测量模块

——————一——————————。———。

振弦测量模块

测量接口板

图３．１

振弦系统整体结构示意倒

Ｆｉｇ．３．１

Ｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｙｓｔｅｍ

３．２主控模块硬件电路设计

３．２．１

主控模块单片机选型与最小系统电路设计

主控模块控制核心应具有丰富的片上集成模块、较快的处理速度、较低的功耗、低

廉的成本等特点。经过对市场上主流的处理器进行分析和比较，采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６作为系统的中央处理器。ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６是ＳＴ公司基于ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核的单片机，Ｃｏｒｔｅｘ．Ｍ３内核是专门设计用于满足高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用需

求的内核。该芯片是具有３２位总线的高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用单片机。芯片主要资源有频率为７２ＭＨｚ的片上锁相环模块、５１２

ＫＢＦｌａｓｈ、６４ＫＢＳＲＡ卜１、

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定时器模块、实时时钟模块、ＳＤＩＯ模块、１６个ＡＤ转换通道及ＵＳＡＲＴ模块等口２｜，丰富的片上资源简化了系统的电路设计和程序设计。

根据选定的ＳＴＭ３２芯片，设计的单片机最小系统电路如图３．２所示。单片机最小系统电路是单片机可以正常运行的最小单元，需要具备时钟电路、复位电路、程序下载电路等。８ＭＨｚ无源晶振连接到单片机的ＯＳＣＩＮ和ＯＳＣＯＵＴ引脚构成最小系统的时钟电路，提供系统程序运行的基本参考时钟。复位电路采用电阻与电容构成，并在电容两端并联复位开关，方便系统的调试。程序下载电路采用ＳＷＤ接口的形式，这种形式相对于ＪＴＡＧ接口电路，具有下载速度快，占用单片机的引脚少等优势【Ｚ引。最小系统电路的程序启动设定为从片内ＦＬＡＳＨ启动，对ＳＴＭ３２系列单片机而言，需要将ＢＯＯＴ０

引脚接地。

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图３．２

ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６单片机最小系统

Ｆｉｇ．３．２

ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６ｓｍａｌｌｅｓｔｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐｓｙｓｔｅｍ

３．２．２

主控模块电源电路设计

主控模块的电源输入来自于线性稳压电源或免维护蓄电池模块的１２Ｖ左右输出电

压，主控电源模块的功能是提供系统工作所需的３路电源：８．８Ｖ、５Ｖ、３．３Ｖ。

振弦式传感器信号采集仪的研制

８．８Ｖ电源是用来提供给测量模块，需要将输入电压１２Ｖ电压转换为８．８Ｖ。考虑到

目前市场上的集成芯片没有直接输出电压是８．８Ｖ，本文采用了可调电压输出的电源管理芯片ＬＭ２５９６．ＡＤＪ及外围电路构成８．８Ｖ电源。ＬＭ２５９６一ＡＤＪ电源管理集成电路是降压型开关电压调节器，最大输出电流为３Ａ，可输出的电压范围是１．２Ｖ．３７Ｖ。器件内部具有１５０ＫＨｚ的固定频率发生器，相对于低频开关调节器而言，可以使用更加小规格的电感。

外接器件可以使用标准规格的电感和电容，提高了电路的通用性和电路设计的简便性。该器件还具有输出误差小，振荡频率误差不超过１５％等特点。

采用ＬＭ２５９６．ＡＤＪ芯片设计的具体电路如图３．３所示。二极管Ｄ３将输入电源和ＬＭ２５９６－ＡＤＪ芯片隔离，避免电源受到器件工作时的干扰；电容Ｃ３０起到滤除输入低频

噪声和提供器件工作的瞬态电流；二极管Ｄ５起到续流作用，电感Ｌ３和电容Ｃ３ｌ构成

滤波电路，其中Ｌ３还具有储能的作用：电阻Ｒ４８、Ｒ４９起到输出电压反馈的作用，输

出电压按照下面的公式计算：

厂

Ｐ

、

ｖ＝１．２３ｌ１＋竺ｌ（

３．１）ｏ’

Ｌ民。／

，根据选取的元件，输出的电压为８．８Ｖ。电容Ｃ２８是前馈电容器，提高输出电压的稳定

性。

Ｖ矾

ＧＮＤ

图３．３

８．８Ｖ电源电路

Ｆｉｇ．３．３

Ｃｉｒｃｕｉｔｏｆ８．８Ｖｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ

５Ｖ电源用来将输入电压转换为５Ｖ输出，提供给主控板上的继电器及运放电路。本

系统采用ＬＭ２５９６—５．０单片式电源管理集成电路实现５Ｖ电源，该芯片与ＬＭ２５９６．ＡＤＪ除了输出电压之外，其余特性基本相同，最终设计的外围电路如图３．４所示。

大连理工大学硕＋学位论文

ＶＩＮ

图３．４

５Ｖ电源电路

Ｆｉｇ．３．４

Ｃｉｒｃｕｉｔｏｆ５Ｖｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ

Ｃ３４００１１１７－２５Ｖ

３．３Ｖ电源采用ＬＭｌｌｌ７作为电源转换芯片。ＬＭｌｌｌ７是低压差线性降压型电源芯片，

输出负载电流为８００ｍＡ时，压降仅为１．２Ｖ。该芯片的最大输出电流为８００ｍＡ，片上集

成了．齐纳二极管，保证了电压输出的精度为１％，线性调整率不超过Ｏ．２％，负载调整率不

超过０．４％。此外该芯片还具有热保护和异常情况下限制电流输出的保护功能。

３．３Ｖ电源模块电路如图３．５所示。芯片输入端采用了输入旁路电容，滤除噪声。输出电容采用了等效串联电阻较低的１００ｕＦ的钽电容和１００ｎＦ的陶瓷电容，用以提高电路

输出电压的稳定性和瞬态响应。

Ｕ１３

图３．５

３．３Ｖ电源电路

Ｆｉｇ．３．４

Ｃｉｒｃｕｉｔｏｆ３．３Ｖｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ

考虑到整个系统可能需要在野外的环境下工作，在没有交流电源或交流电源因意外中断时，需要采用电池供电，这就需要系统的电源模块能够将系统的电压检测出来，实现低电压报警。为了检测系统的电压，本文设计了如图３．６所示的系统电源检测电路。电路原理是，输入电压通过电阻Ｒ５３、Ｒ５４分压，经过运放ＬＭ２５８阻抗变换后，输出给单片机的ＰＣ４引脚。程序设定ＰＣ４为ＡＤ转换模块的电压输入通道，通过获取ＰＣ４

引脚上的电压值进而计算得出电源电压。

振弦式传感器信号采集仪的研制

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图３．６系统电源检测电路

Ｆｉｇ．３．６Ｓｙｓｔｅｍｐｏｗｅｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ

３．２．３键盘电路设计

根据系统的功能需求，需要设计一个具有１６位按键的键盘。实现１６位按键的键盘主要有两种方案：一种是通过１６个ＩＯ口与１６个按键相连，这种方式优点是电路设计简捷，程序编写较为简单，按键响应速度较快，而缺点是占用单片机口线较多；另一种方式是４＊４矩阵键盘，这种方式占用单片机的ＩＯ较少，具有节省单片机口线资源的优势，但是程序编写较为麻烦，按键响应速度不够快速。本设计选用的ＳＴＭ３２处理器具有丰富的ＩＯ口，故采用１６个ＩＯ口直接与按键相连，简化程序的编写，提高按键的响应速度。

品

图３．７键盘电路

Ｆｉｇ．３．７Ｋｅｙｂｏａｒｄｃｉｒｃｕｉｔ

３．２．４ＲＳ．４８５电路设计

ＲＳ－４８５电路采用了３．３Ｖ供电的４８５通信接口芯片ＳＰ３４８５，ＳＰ３４８５的逻辑电平与单片机的逻辑电平兼容。根据系统的功能分析，当主控模块发送数据的时候，不需要同时接收数据，故采用数据收发切换的半双工通信模式。ＲＳ．４８５半双工通信电路如图３．８所示。

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ＧＮＤ图３．８

ＲＳ．４８５半双工通信电路Ｆｉｇ．３．８ＲＳ－４８５ｈａｌｆ－ｄｕｐｌｅｘ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ

３．２．５存储器电路设计

本课题采用的存储器为ＳＤ卡，ＳＤ卡具有体积小、重量轻、应用广泛、支持热插拔、便于计算机读取等优点。ＳＤ卡具有三种接口传输模式：４位ＳＤ模式、１位ＳＤ模式、ＳＰＩ模式。４位ＳＤ模式的接口由４位数据线、时钟线、命令线构成，最高数据传输率为１００兆比特／秒。１位ＳＤ传输模式具有一位数据线、一位命令线、片选线、时钟线构成。ＳＰＩ模式由数据输入线、数据输出线、片选线、时钟线构成。

主控模块单片机ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６具有主机模块ＳＤＩＯ，该模块提供了ＡＨＢ总线访问ＳＤ卡的操作接口，单片机内核通过该模块可读写ＳＤ／ＳＤＩＯＭＭＣ卡。ＳＤＩＯ接口的主要功能有：完全兼容多媒体卡系统规格４．２，并支持１位、４位、８位三种模式的总线；完全兼容多媒体卡各种系统规格的版本；完全兼容ＳＤ２．０；完全兼容ＳＤＩＯ２．０，并支持ｌ位和４位ＳＤＩＯ的数据通信模式；兼容ＣＥ－ＡＴＡ数字协议版本１．１。

为了满足系统相关数据的及时存储，本课题采用４线ＳＤ模式实现ＳＴＭ３２单片机与ＳＤ卡的数据通信，最终接口电路如图３．９。经过实际测试，单片机与ＳＤ卡的数据通信速率为９６兆比特／秒。１９

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１Ｆ

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图３．９

ＳＤ卡接口电路Ｆｉｇ．３．９ＳＤｃａｒｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｉｔ

３．２．６液晶显示电路设计

主控模块选用的液晶模块采用带中文字库的ＺＬＧ３２０２４０Ｋ。该液晶屏的工作范围为．２０．７０。Ｃ，符合系统工作温度的要求。液晶屏的ｉｍｅｌ８０８０总线接口可以与ＳＴＭ３２处理片上集成的ＦＳＭＣ总线连接，大大简化了底层电路结构和液晶驱动程序编写。液晶屏由３２０行和２４０列组成，可以满足用户界面和汉字显示的要求。该液晶模块还具有背光控制引脚，可以由外部控制器实现背光的开启和关断，达到液晶屏的功耗动态调节的目的。

ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６具有灵活的静态存储器控制器（ＦＳＭＣ）模块，配置该模块为ＳＲＡＭ总线的模式可以与液晶屏的ｉｎｔｅｌ８０８０总线接口连接，为了实现系统的智能调节功耗，采用一个三极管构成的开关电路控制液晶屏幕背光的开启或关闭，达到节能降耗的目的。最终电路的接口电路图如图３．１０所示。

图３．１０液晶接口电路

Ｆｉｇ．３．１０ＬＣＤｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｉｔ

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３．２．７实时时钟电路设计

本系统设计要求有实时时钟来指示系统的时间，以便于对系统数据的完善记录。ＳＴＭ３２的ＲＴＣ模块是片上一个独立于内核的定时器，具有连续计数的功能，软件设定相应的寄存器后可以提供系统时钟，并且设定的时间可以通过程序修改。由于ＲＴＣ模块的相关寄存器位于系统后备寄存器区域，当采用独立电源给后备寄存器区域供电时，即使系统电源中断，后备寄存器内的寄存器的内容仍然保持不变，ＲＴＣ模块外接晶振依然能够振荡，提供时钟输入。

最终实时时钟电路采用３２．７６８ＫＨｚ的无源晶振连接到单片机的ＲＴＣ时钟输入引脚，构成ＲＴＣ时钟电路，提供给ＲＴＣ运行时钟。采用３Ｖ纽扣锂电池给后备寄存器区域供电，确保系统在断电后，仍能保持时钟电路的持续运行以及系统备份寄存器中保存的系统参数不因断电而丢失。

３．２．ｖ复位监控电路设计

考虑到系统实际应用环境的复杂性，可能受到意想不到的外界干扰，单片机系统程序运行可能会出现不可恢复的异常，进而导致整个系统的崩溃，造成产品的设计失败。因此为了避免出现这种情况，需要设计一种电路能够在单片机处在这种不可控状态时，将系统恢复到系统可控状态。比较理想的是将系统恢复到出问题之前的状态９但是这种方法技术难度大，技术上目前不可实现。目前使用较多的方案是将异常状态的单片机恢复到复位状

态，这是容易实现也是目前应用的方案。这种方案采用复位监控芯片，该类芯片内部具有一个独立于系统的时钟计数单元，该单元可以持续计数，当计数达到一定时间后，芯片会发出一个持续一段时间的脉冲复位信号，如果该信号作用到单片机的复位引脚，那么单片机将发生复位。但是单片机正常工作状态下是不允许发生复位的，这类芯片通常具有一个输入引脚，或者具有内部清零寄存器，单片机以某种总线形式来访问，通过引脚或总线访问片内寄存器，会清除复位监控芯片计数器，避免发出复位信号。单片机正常运行程序时，会在低于芯片复位时间内，清除复位监控芯片计数器，而当单片机处于异常时，单片机则不可能执行清除复位芯片计数器的程序，那么计数超时后，芯片发出复位信号，单片机复位并重新进入已知的状态。

本文采用的复位监控芯片是Ｅｘａｒ公司的ＳＰ７０６，该芯片主要有如下优点和特性：・（１）具有高可靠性和低至４０ｕＡ的待机电流：

（２）具有精确的电压监控器，可以精确的监控系统电源电压；

（３）复位脉冲有效持续时问是２００ｍｓ，独立计数器计数时间是１．６ｓ，超过则发出复位信号：

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（５）仅仅需要一根口线与单片机相连便可实现计数器清零；

（６）具有电源电压监控和系统电池电压过低监控的功能［２４１。

如图３．１ｌ所示，最终复位监控电路选用的芯片是ＳＰ７０６ＳＥ，系统电压检测的阈值是２．９３Ｖ，单片机的ＰＢｌ引脚与芯片相连，系统刚上电时，设定ＰＢｌ为输出，此时打开看门狗功能，并立即翻转ＰＢｌ，清零计数器。当系统正常运行时，小于１．６秒的时间内，读取ＰＢｌ引脚的状态，并翻转ＰＢｌ；系统进入异常时，ＰＢｌ的状态将不会改变，超过１．６秒时，系统复位。

３．３测量模块硬件电路设计

图３．１１复位监控电路

Ｆｉｇ．３．１ＩＲｅｓｅｔＭｏｎｉｔｏｒｃｉｒｃｕｉｔ

３．３．１测量模块单片机选型与系统电路设计

测量模块单片机电路如图３．１２所示。

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ＳＴＭ３２单片机选用ＳＴＭ３２ＲＢＴ６，该芯片具有片上锁相环模块，最高工作频率为７２ＭＨｚ，１２８ＫＢＦｌａｓｈ、２０ＫＢＳＲＡＭ、３个集成输出比较和输入捕捉功能的通用定时器及ＵＳＡＲＴ模块等【２５】。芯片外接８ＭＨｚ晶振，采用ＳＷＤ下载方式，并设定程序从片内ＦＬＡＳＨ内启动运行。

３．３．２测量模块电源电路设计

电源模块将输入的８。８Ｖ电源转换为＿５Ｖ和３．３Ｖ电源。测量模块采用开关电源芯片ＬＭ２５９６实现由８．８Ｖ到５Ｖ的转换，提高电源的利用效率，采用ＬＭｌｌ１７将５Ｖ转为３．３Ｖ。系统设计中，模拟电路供电采用的是双电源供电的方式，比单电源供电方式相比具有输出精度高，抑制温漂性能好，具有稳定的参考地等优点。系统．５Ｖ电源采用

ＭＡＸ８８９实现＋５Ｖ到．５Ｖ的高效转换。ＭＡＸ８８９芯片采用电荷反极性开关技术，电压输入范围是２．７Ｖ．５．５Ｖ，输出可调的负电压的绝对值的最大值等于输入电压，最大输出电流为２００ｍＡ。

芯片采用的电荷反极性开关技术原理如图３．１３所示，ＭＡＸ８８９芯片内部具有时钟振荡电路，该电路提供的时钟频率即为控制开关的开关频率。根据图３．１３可知，ｓ１、Ｓ２控制连接在ＣＡＰ＋和ＣＡＰ．上的电容Ｃ刚充电，而Ｓ３、Ｓ４控制电容放电。Ｓ１、Ｓ２闭合，Ｓ３、ｓ４断开时，此时电容ＣＦＬＹ两端电压增加，并且ＣＡＰ＋的电压高于０Ｖ：当Ｓ３、Ｓ４闭合，Ｓ１、Ｓ２断开时，ＣＦＬＹ向ＣｏｕＴ放电，此时ＣＡＰ＋的电压为０Ｖ，而电容ＣＦＬＹ两端电压不能突变，故此时输出的电压加到电容Ｃ叭仃上的电压相对于地为负电压；系统调节四个丌关的开关速率就能控制输出电压的大小。

图３．１３电荷反极性开关

Ｆｉｇ．３．１３Ｃｈａｒｇｅｒｅｖｅｒｓｅｐｏｌａｒｉｔｙｓｗｉｔｃｈ

最终设计的－５Ｖ电源的电路图如图３．１４所示，系统采用１ｕＦ的陶瓷电容做充电电容，电阻Ｒ１４、Ｒ１５采用精度为１％的表贴碳膜电阻，提高系统反馈电压的精度，输出电容采用低等效串联电阻的１０ｕＦ陶瓷电容，降低负电源输出电压的纹波。

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振弦式传感器信号采集仪的研制

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０５Ａ∞ＦＢ店删鲫图３．１４．５Ｖ电源电路图

Ｆｉｇ３．１４Ｃｉｒｃｕｉｔｏｆ・５Ｖｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ

３．３．３测量模块自收发ＲＳ．４８５电路设计

测量模块ＲＳ．４８５通信电路采用ＳＰ３４８５芯片。根据系统的设计需要，ＲＳ一４８５通信模块实现系统的半双工的通信。为了简化单片机程序的编写和减少对单片机口线的占用，设计了一种ＲＳ．４８５自收发电路。

如图３．１５所示，ＲＳ－４８５自收发电路工作原理如下：默认状态下，ＰＡ２为高电平，三极管截止，４８５处于接收状态；当ＰＡ２上有数据开始传输时，发送低电平时，ＰＡ２为低电平，三极管导通，４８５收发器处于发送状态，向总线发送逻辑‘０’，而当发送高电平时，４８５收发器又处于接收状态，但是总线此时是逻辑‘１’，对于总线上的接收器来说相当于接收到逻辑‘ｌ’。

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ＳＰ＇３４８５Ｅ图３．１５

ＲＳ．４８５自收发电路Ｆｉｇ３．１５ＲＳ－４８５ｓｅｌｆ－ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｃｉｒｃｕｉｔ

３．３．４ＡＤ转换电路设计

系统需要测量传感器的温度，利用传感器上自带的热敏电阻，通过电阻分压来测量传感器的温度。为了满足系统测量温度范围和测量精度要求，本课题采用了１６位精度

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的ＡＤ转换芯片ＡＤ７７０５１２引。ＡＤ７７０５是亚德诺半导体技术公司的一款芯片，该芯片的主要优点如下：

（１）采用先进的１６位△．∑技术，输出１６位无丢失代码；

（２）输入信号接口和参考电压源为差分输入的形式，降低了共模干扰；

（３）具有片上ＰＧＡ，输入信号增益可调节；

（４）非线性度低，不超过０．００３％；

（５）输出接口为ＳＰＩ的形式，便于与处理器通信。

△．∑技术主要是利用数字信号处理技术，先对输入信号进行过采样，产生粗糙的量化信号，输入信号相当于经过了一个调制器，调制器输出的脉冲占空比来反映模拟电压的大小。调制器将信号的量化噪声调制到高频处，因此调制器此时的输出信号是包含很多高

频噪声的。接下来经过一个数字低通滤波器，将高频量化噪声滤除，提高信号转换的信噪比。最后经过一个抽取器，降低信号的输出速率，剔除冗余信号，抽取器的抽取率直接影响系统的输出数据率，并与ＡＤ转换器的有效位数相关。抽取率越高，数据‘输出率越低，ＡＤ转换器的有效位数越高。

如图３．１６所示，ＡＤ７７０５电路采用外接４．９１５２ＭＨｚ的晶振作为转换器的时钟输入，采用四线ＳＰＩ接口与单片机通信。供电电源为５Ｖ，提高了系统的测量电压的范围；参考电压是ＴＬ４３１输出的２．５Ｖ，并采用１０ｕＦ的钽电容滤除参考源上的低频噪声，提高参考源的精度。

Ｃ７０２０ｐＦ

图３．１６

ＡＤ７７０５电路Ｆｉｇ３．１６ＡＤ７７０５ｃｉｒｃｕｉｔ

３．３．５隔离激振电路设计如图３．１７所示，测量模块采用了低压扫频的隔离激振电路。

振弦式传感器信号采集仪的研制

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礴器线圈

图３．１７光耦ＴＬＰ２５０激振电路Ｆｉｇｕｒｅ３．１７ＯｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒＴＬＰ２５０ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ

高速光耦ＴＬＰ２５０将单片机产生的激振信号隔离升压后作用在传感器上。ＴＬＰ２５０内部结构图如图３．１７的右半部分所示，ＴＬＰ２５０由ＧａＡＩＡｓ发光二极管和集成的光电检测单元构成。光电探测器将发光二极管的亮灭状态检测出来，提供给后面的逻辑电路，逻辑电路控制后级推挽输出直接驱动传感器线圈。推挽电路的输出电流最大为１．５Ａ，可以满足对传感器线圈激振时的电流需求。

３．３．６拾振电路设计

传感器输出的衰减振荡的正弦信号幅度实测为ｍＶ级，信号的有效频率范围是４００Ｈｚ至４５００Ｈｚ。信号不可避免的受到工频干扰及来自外界环境的电磁干扰。为了满足信号采集的需要，信号调理电路需要将信号放大２０００倍以上，加入带通滤波器滤除低频干扰和高频干扰。放大和滤波后的信号经过施密特触发器进行信号整形和高速光耦光电隔离后，由单片机进行频率测量。信号调理电路的结构如图３．１８所示，按照信号的处理过程依次为：前置差分放大、带通滤波、中间级放大、滤波后满幅度放大、施密特整形、光耦隔离转换等模块。前置差分放大采用仪用放大器ＡＤ６２０，消除信号中的共模干扰，完成初步放大。带通滤波器由二阶巴特沃斯低通滤波器和高通滤波器级联构成，滤除信号中的噪声。最后一级的满幅摆放大器用来减小最后一级运放饱和造成的影响，避免运放长期处于饱和状态。施密特触发器将满幅放大输入信号整形为方波信号。光电隔离电路采用高速光耦６Ｎ１３７，将整形后的信号隔离传送给单片机。

前置带通中间满幅

施密光耦特整

放大滤波放大放大隔离

形图３．１８拾振模块结构图

Ｆｉｇ．３．１８Ｐｉｃｋ－ｕｐｍｏｄｕｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍ

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（１）前置放大器电路设计

前置放大器电路采用高精度仪用放大器ＡＤ６２０。ＡＤ６２０的自身电压噪声低，温度特性好，稳定性高，性能优于采用３运放构成的仪用放大电路，共模抑制比为１００ｄＢ，特别适合作为前置放大器。该芯片的压摆率的典型值为１．２Ｖ／ｇｓ，系统最大输出电压近似为是６．８Ｖ，根据公式

／２面Ｓ瓦Ｒ

（３・２），可知交流条件下大信号最大频率为２８ＫＨｚ，而信号频率最大值为４．５ＫＨｚ，可以充分保

证信号的交流放大带宽１２７１。如图３．１９所示，ＡＤ６２０前置放大电路输入端，采用了滤除Ｉ强干扰的低通滤波器，避免放大器对外来小信号的整流，影响测量精度。电路设定的放大倍数为５０．４倍，考虑到系统的增益带宽为１２０ｒｄａｚ（增益为ｌｏｏ），此放大倍数下，放大带宽为２３８ＫＨｚ，满足信号输入频率范围。

ＡＧＮＤ

图３．１９前置放大电路

Ｆｉｇ．３．１９Ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔ

（２）带通滤波器设计

带通滤波器采用低通滤波器与高通滤波器串联的方式实现，低通滤波器的截止频率大于高通滤波器的截止频率。如果采用的低通滤波器和高通滤波器都是二阶巴特沃斯滤波器，那么二者串联构成二阶巴特沃斯带通滤波器。

传感器输出的频率范围是４００Ｈｚ至４５００Ｈｚ，通过实际测试发现低频干扰主要是５０Ｈｚ工频干扰和大大高于４５００Ｈｚ的高频干扰；滤波器通带范围内的幅频响应曲线应较为平坦。根据上述条件可以提出带通滤波器的设计要求。

振弦式传感器信号采集仪的研制

设计要求：带通滤波器的通带频率范围为３６０Ｈｚ至５０００Ｈｚ之间，带通滤波

器采用二阶巴特沃斯低通滤波器和二阶巴特沃斯高通滤波器串联构成，并满足低通滤波器的截止频率大于高通滤波器的截止频率。在满足项目预算的前提下，选择精度高的电阻和电容，而器件容差不可避免的影响滤波器的截止频率，同时考虑到第一级运放输入端具有低通滤波器，故巴特沃斯低通滤波器的截止频率应该大于５０００Ｈｚ，高通滤波器的截止频率应该低于３６０Ｈｚ并高于５０Ｈｚ。

器件选择与参数计算。为了尽量减少电路中的噪声，运算放大器采用高精度低噪声运放ＯＰ０７。ＯＰ０７的压摆率为Ｏ．３矿／∥ｓ，大信号放大带宽为７ＫＨｚ，满足系统设计要求。二阶低通滤波器和高通滤波器的通带增益均为１．５８６，此时等效品质因数Ｑ为０．７０７。在不超过项目预算的情况下，尽量选用精度高的电阻和电容，最终选择电阻的容差为１％，电容的容差为５％。由于运放电路中电阻不宜选择过大或者过小，通常电阻的选择范围是几千欧姆至几十千欧姆。根据计算可得带通滤波器电路中的各个元件参数如图３．２０所示。

１０２

图３．２０带通滤波器电路

Ｆｉｇ．３．２０Ｂａｎｄ－ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ

（３）中间级放大器电路设计

中间级放大采用了反相放大器来提高电路的抗干扰性，防止放大电路产生自激振荡，设定的放大倍数为．４．７倍，运放选用ＯＰ０７运算放大器，具体电路如图３．２１所

示。

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图３．２１

中问级放大电路Ｆｉｇ．３．２１Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｓｔａｇｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔ

（４）满幅摆放大电路设计

如图３．２２所示，满幅放大电路采用具有轨到轨输出的ＡＤ６２３将信号进一步放大。ＡＤ６２３的压摆率为Ｏ．３矿／Ｉｚｓ，大信号放大带宽为４．７７ＫＨｚ满足系统设计要求。为了满足系统后级检测信号的要求，经过实际试验，最后一级放大倍数为５０倍。

图３．２２满幅放大电路

Ｆｉｇ．３．２２Ｒａｉｌ－ｔｏ・ｒａｉｌａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔ

（５）施密特触发器设计

满幅度放大电路输出信号由施密特触发器来进行整形，施密特触发器的优点是具有两个稳定状态，信号正向递增具有一个阀值电压，逆向递减具有另外一个阀值电压。这种具

有两个阀值电压的形式提高了信号整形的稳定性，避免信号的毛刺对整形输出信号的影响。

为了合理的设定触发器的电压阀值，本课题采用了ＮＥ５５５结合外部阻容器件来实现施密特触发器。具体电路如图３．２３所示，当信号的电压是逐渐递增时，假定系统的电压阀值为１．６７Ｖ，当信号电压超过１．６７Ｖ时，阀值电压变为一１．６７Ｖ，这时即使信号在１．６７Ｖ

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附近小幅度振荡，也不会改变输出状态；当信号电压逐渐降低时，需要低于．１．６７Ｖ才能改变输出状态，此时信号阀值电压变为１．６７Ｖ，只要信号不大于１．６７Ｖ输出状态一直保持不变。

图３．２３施密特触发器电路

Ｆｉｇ．３．２３ＳｃｈｍｉｔｔＩｒｉｇｇｅｒｃｉｒｃｕｉｔ

（６）光耦隔离电路设计

最终设计的光耦隔离电路如图３．２４所示。

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ＶＦ—ｖｏ。￥慨…Ｌ：！Ｌ５Ｎ陀ＧＮＤ］图３．２４光耦隔离电路Ｆｉｇ．３．２４Ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒｉｓｏｌａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ

为了避免单片机电路的高频干扰通过电源电路耦合到模拟放大电路，本课题采用了光耦隔离电路，来将模拟电路与数字电路的电源分开。为了避免信号隔离时输出波形失真，光耦隔离电路采用的是６Ｎ１３７高速光耦。６Ｎ１３７内部具有光电探测器、高增益放大器和开漏输出的三极管，数据传输速率高达１０Ｍｂ／ｓ，隔离电压为５０００Ｖ。上述特性可以满足系统对信号上升速度和隔离度的要求。３０

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３．４接口板硬件电路设计

３．４．１接口板电源模块设计

设计隔离５Ｖ电源电路如图３．２５所示。

图３．２５隔离５ｖ电源

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宁ｊ‰专Ｆｔ３Ｎ＇Ｉ）二极管Ｄ３将开关器件的噪声与输入电源隔离，降低开关器件对电源造成的ＥＭＩ干扰，输出采用了１００ｕＦ的钽电容，对信号进行滤波。隔离５Ｖ电源设计采用的是亨乾电子的ＷＦｌ２Ｄ５－５开关电源集成模块，该模块的特性如下：输入电压范围宽（９—１８Ｖ），即使输入电源发生小范围波动，依然能保证模块工作；模块输出功率为５ｗ，输出电流最大可达１Ａ；具有输入滤波电路；输出纹波仅为５０ｍＹ：隔离电压为５００Ｖ；满载效率为８０％。

非隔离３．３Ｖ电源芯片采用凌力尔特公司的ＬＴｌ７６３，该芯片最大可输出５００ｍＡ电流，最大输入电压可达２０Ｖ，最终设计电路如图３．２６所示。

图３．２６

３．３Ｖ电源电路Ｆｉｇ．３．２６Ｃｉｒｃｕｉｔｏｆ３．３Ｖｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ

３．４．２接口板隔离ＲＳ．２３２电路设计

隔离ＲＳ一２３２电路的作用是将测试仪主体部分与外部通信电路隔离，避免因为外

部电路引人的突发高电压损坏测试仪主体。实现该电路设计，需要利用光电耦合器完成信号的隔离传输，并结合Ｍ＿Ａ．Ｖ２２３２芯片实现电气信号的转换。

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图３．２７隔离ＲＳ一２３２电路

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考虑到上位机与测试仪的传输数据速度较低，本系统设计的通信波特率为９６００。为了实现这一通信速率，隔离用的光耦采用低成本的Ｐ５２１，该光耦仅有４个引脚，具有成本低，节省电路板空间等优点。ＭＡＸ２３２采用美信公司的芯片，该芯片是专用ＲＳ．２３２标准串１：３单电源电平转换芯片，具有片上集成电荷泵，仅需一路５Ｖ电源供电。最终设计的隔离ＲＳ．２３２电路图如图３．２７所示。

３．４．３接口板网络接口电路设计

振弦式传感器信号采集仪可能会安装到水库、大坝等地方，并且监控场合需要多个信号采集仪，为了有效的管理多个采集仪和采集数据的远距离组网传输，这就需要将采集的数据通过网络进行高速、远程、可靠传输。

用户电路扳

图３．２８

ＺＬＳＮ２０００应用示意图Ｆｉｇ．３．２８ＺＬＳＮ２０００ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍ

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如图３．２８所示，为了实现振弦式传感器信号采集仪的组网传输，本课题采用了ＺＬＳＮ２０００嵌入式设备联网模块。ＺＬＳＮ２０００模块起到网关的作用，将网络通信协议转换为ＵＳＡＲＴ通信协议。单片机等嵌入式系统可以利用ＺＬＳＮ２０００串口

转网络模块，将数据传入以太网或从以太网接收数据。ＺＬＳＮ２０００采用５Ｖ电源供电，具有与单片机全双工通信的串口线以及网络接口线，将网络数据和串口数据进行透明的双向转换。

ＺＬＳＮ２０００可以提供ＴＣＰ和ＵＤＰ工作模式，用户可以通过上位机或设备进行配置。ＺＬＳＮ可以满足监控场合的温度范围，保证数据高效、快捷、低丢包率的在网络上传输。

图３．２９

ＺＬＳＮ２０００电路图Ｆｉｇ．３，２９ＺＬＳＮ２０００ｃｉｒｃｕｉｔｄｉａｇｒａｍ

如图３．２９所示，ＺＬＳＮ２０００模块采用１９针接口与振弦测量模块接口板连接，单片机与ＺＬＳＮ２０００模块通过ＴＴＬ电平的串口以全双工模式连接，采用一个ＬＥＤ来指示模块是否连接到服务器，另外两个ＬＥＤ来指示数据的收发状态，采用网络变压器和ＲＪ４５Ｂ接口与网络连接。

３．５本章小结

本章详细的介绍了振弦式传感器信号检测仪的主控模块、测量模块、接口板电路各个模块电路。介绍了关键电路模块的芯片、模块的工作原理和工作特点，并着重介绍了拾振电路的各个组成模块电路。

振弦式传感器信号采集仪的研制

４振弦式传感器信号采集仪的软件设计

４．１主控模块程序设计

４．１．】主控模块初始化程序设计

ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６具有复杂的时钟系统和外围模块，由于芯片设计架构采用低功耗的设计模式，外围模块要正常工作，需要先开启对应时钟，然后配置外围模块的工作模式。除了配置外围模块时钟，系统正常工作还需要配置中断向量表和输入输出端口。根据上述介绍，主控模块初始化程序流程如下：

（１）开启外部输入的８ＭＨｚ时钟源，配置各条总线的时钟，设定锁相环的工作频率为７２ＭＨｚ；

（２）开启系统用到的外设模块的时钟源；

（３）配置系统使用到的ＩＯ口为相应的推挽输出、输入上拉、输入下拉、模拟输入、模块复用等模式；

（４）配置系统ＦＬＡＳＨ存放系统的中断向量表以及系统中断的优先级模式，开启系统外设模块用到的中断通道，并设定中断的优先级：

（５）配置时钟模块用到的ＲＴＣ模块，配置ＲＳ．２３２模块用到的ＵＳＡＲＴｌ模块，配置ＲＳ－４８５模块用到的ＵＳＡＲＴ３模块，配置系统计时器模块ＴＩＭＥＲ２模块，配置电源电压检测用到的片上ＡＤＣ模块，配置液晶模块用到的ＦＳＭＣ模块，配置ＳＤ卡用到的ＳＤＩＯ模块：

（６）初始化系统显示界面相关数据，设置系统相应的显示时间，对测量模块发出初始检测连接命令，判断并显示测量模块的连接状态；

（７）进入系统主程序。

４．１．２主控模块采集程序设计

主控模块操作流程主要是根据系统按键和系统菜单状态来设定系统的相关参数，完成数据的采集操作。

系统的按键模块采用的是１６个ＩＯ口直接连接轻触按键开关，配置ＩＯ口的工作模式为输入上拉模式，当按键按下时，ＩＯ读取状态为低电平，弹起时为高电平。系统的按键功能定义如图４．１所示。按键功能类型主要有：

（１）０－９数字键，设定系统的采集次数、系统时间等；（２）ＥＳＣ返回键，设定系统操作的返回：

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（３）ＥＮＴ确定键，设定系统操作的选中；

（４）ｆ、Ｉ为上下选择调节键，调节系统的功能选项；

（５）ＤＩＳＫ键，设定将当前数据写入ＳＤ卡；

（６）ＴＥＳＴ键，按下时开始数据采集操作。

Ｆｉｇ．４．１Ｓｙｓｔｅｍｂｕｔｔｏｎ

系统显示主界面有模块信息、系统设置、系统信息三个主菜单。

模块信息界面显示４个测量模块与接口板的连接情况、４个模块具体信息菜单、ＳＤ卡连接状态、系统工作电压范围、系统当前时间。系统设置界面显示系统４个测量模块的设置菜单、时间校准菜单、设置采样次数菜单、连续采样菜单、定时采样菜单。

系统信息菜单包含：主控模块与测量模块通信的波特率、ＳＤ卡的存储容量、测量温度分辨率、测量频率分辨率、测量温度范围、频率测量范围、系统通信方式和系统工作电源电压范围。通过上下选择按键和ＥＮＴ键来确定从主界面菜单进入下一级菜单，ＥＳＣ按键来实现系统的下一级界面返回上一级界面。

从主界面进入模块信息界面，可以通过上下选择按键来选择进入，通过选择４个模块具体信息菜单，进入到感兴趣的模块来查看模块各个通道测量传感器的频率和温度值。系统设置界面下：可以进入感兴趣的模块来设定模块的８个通道的采集范围；进入时间校准

界面，设定系统的日期时间；设定系统的采样次数；设定系统是否工作于连续采样模式；进入系统定时采样，来设定系统的定时采样。

如图４．２所示所示为系统的采集流程图，为了保证采集到的数据能关联上正确的时间信息，需要对当前时问进行校准（如果时间正确，可以不校准），系统具有三种采样模式，分别是定次采样、定时采样和连续采样。

振弦式传感器信号采集仪的研制

定次采样可以允许用户进行指定次数的采样，采样次数范围为０－－－９９次；定时采样可以允许用户进行指定时间间隔的采样，若用户所设定时间间隔小于最小值，则系统会自动将采样时间间隔置为最小值；连续采样允许用户进行快速的不间断采样，即上次采样完毕则立即进入下一次采样。无论是哪种采样模式，系统每进行一次采样都会将采集数据在相应页面进行显示并将采样数据及当前的时间自动保存至ＳＤ卡中，以便用户提取分析。

系统操作流程程序的具体工作流程如下：

（１）当系统ＴＥＳＴ按键按下、设置系统采集方式为定时采样或连续采样时，系统开始采集传感器信号；

（２）调用读取系统时间程序，获取ＲＴＣ模块的时间，校准当前系统的时间，确保数据存储能关联系统时间；

（３）读取模块设置界面的参数，向测量模块发送数据采集命令，打开测量模块的传感器通道：

（４）根据选择的采集模式进入相应的采集模式：

（５）连续采集模式的优先级高于其他两种模式，当模块设置界面为连续采集模式时，系统连续对传感器进行连续采集；

（６）定次采集高于定时采样，程序先读取系统设置界面设置的采集次数，当ＴＥＳＴ键按下时，系统开始定次采集；

（７）当系统进入定时采集时，程序先获取定时采集设置界面设置的定时采集的时间间隔，系统开始按照设定的定时间隔开始采集：

（８）主控模块发出采集命令后，等待测量模块发送采集完毕的数据，然后将采集数据在相应页面进行显示并将采样数据及当前的时间自动保存至ＳＤ卡中，以便用户提取分析；

（９）当系统的数据采集完毕之后，可以返回模块采集信息采集显示界面，查看相应的采集数据。

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校准当前时间

ｌ

打开指定模块

的援应通道

ｌ

Ｉ津螺皿蝉螬｝ｌ

Ｉ趣掉米件俣Ａ

定次采样

定时采样Ｉ连续采样，■’Ｐ

设定采样次数设定定时采样闯隔勾选连续采样

ｌ

Ｊ，按ＴＥＳＴ键进行

返回系统设置菜单定次采样

即进行定时采样，Ｊ，

，

等待测量模块反馈采集数据ｌ

返回模块采集信息显示菜单，查看相应采集数据

图４．２系统采集流程图

Ｆｉｇ．４．２Ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｓｙｓｔｅｍａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ

４．１．３系统电压监测程序设计

系统电压检测流程如图４．３所示。系统供电输入电压通常情况下为１２Ｖ，而单片机ＡＤ转换器的端口最大输入电压为３．３Ｖ，电压信号需要经过电阻分压将电压降低到可测范围。电阻分压和电压跟随器构成电阻分压器，加入的电压跟谁器起到了阻抗缓冲的作用，单片机电压检测端口等效于连接到电阻分压电路上，单片机片上模数转换器对电压端口上的电压进行模数转换，根据电阻分压的关系及ＡＤＣ的参考电压可以按照比例来计算系统的供电电压，并在模块状态信息上显示系统电压。当系统的电压小于１０．８Ｖ时，为了提醒用户及时进行充电，会调用蜂鸣器报警程序，提醒用户更换电池或充电。

振弦式传感器信号采集仪的研制

图４３系统电压监测流程图。

Ｆｉｇ．４．３Ｓｙｓｔｅｍｖｏｌｔａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｆｌｏｗｃｈａｒｔ

４．１．４ＳＤ卡检测程序

如图４．４所示，系统上电即对ＳＤ卡外设进行初始化，然后不断实时监测ＳＤ卡检测端口，若检测端口为低电平则说明已有ＳＤ卡插入，否则ＳＤ卡未插入，此时即使有数据采集，系统也会自动关闭存储程序，只进行显示不存储。

图４．４

ＳＤ卡检测程序流程图Ｆｉｇ４．４ＳＤｃａｒｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｆｌｏｗｃｈａｒｔ

４．１．５测量模块死机修复程序

主控模块通过ＲＳ．４８５总线连接４个测量模块，为了提高无人监控时系统工作的稳定性，设计采用了一种死机自修复模式。当用户完成设定选通通道时，系统会自动提取

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最大响应时问为６＊Ｎ秒，若测量模块采样过程中响应时间超过最大响应时间则判为

死机，此时主控模块则会切断测量模块电源，并保存当前设置，两秒后再重新开始，使其正常运作。具体流程如图４．５所示。

开始

选通模块通道

获取最大选通

模块通道数Ｎ

量模块末响趴是．１测量模块超过６・Ｎ秒／’＿１

出现死机否测量模块正常自动切断测量模块电源＿＿＿＿＿＿●＿＿●＿＿－＿＿＿＿＿＿＿——

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．：Ｉ．．．．．．．．．一

两秒后重新

打开电源

（

堕室）图４．５测量模块死机自动修复流程图Ｆｉｇ．４．５Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｃｒａｓｈｅｓａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｒｅｐａｉｒｆｌｏｗｃｈａｒｔ

４．１．６存储文件输出程序设计

系统的测试数据以ＦＡＴ３２文件系统的形式对数据进行组织。每当主控模块接收到测量模块采集完毕指令，则立即对本次的采集数据进行存储，并将其保存至文本文档ｄａｔａｌ中。每存储一次，ＳｔｏｒｅＮｕｍ加１，当ＳｔｏｒｅＮｕｍ＞１００００时，则删除旧数据文本ｄａｔａ０，再将新数据文本ｄａｔａｌ重命名为ｄａｔａ０，并新建空文本文档ｄａｔａｌ用以存储下一万次的采集数据。具体文件输出流程如图４．６所示。

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４．２测量模块程序设计

图４．６文件输出流程图

Ｆｉｇ．４．６Ｆｉｌｅｏｕｔｐｕｔｆｌｏｗｃｈａｒｔ

４．２．１测量模块初始化程序设计

ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６与ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６具有类似的芯片结构，

测量模块初始化程序流程如下：

（１）开启外部输入８ＭＨｚ时钟源，配置各条总线的时钟，设定锁相环的工作频率为７２ＭＨｚ；

（２）开启系统用到的外设模块的时钟源；

（３）配置系统使用到的ＩＯ口的工作模式；

（４）配置系统ＦＬＡＳＨ存放系统的中断向量表以及系统中断的优先级模式，开启系统外设模块用到的中断通道，并设定中断的优先级模式为１６级抢占式；

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（５）配置ＲＳ．４８５模块用到的ＵＳＡＲＴ２模块，配置系统定时用到的滴答寄存器，配置等精度测频用到的输入捕捉模块和定时器模块，配置模块激振用到的输出比较模块，配置与ＡＤ７７０５通信用的ＳＰＩ模块等；

（６）初始化系统相关数据；

（７）进入系统主程序。

４．２．２测量模块整体工作流程

测量模块整体工作流程如图４．７所示，系统进入主循环后，测量模块监测ＲＳ－４８５总线；当接收到本模块采集指令时，开始采集；采集结束后，等待高优先级的模块发送完数据后，将本模块的数据发送到主控模块。

图４．７测量模块１：作流程

Ｆｉｇ．４．７ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＭｏｄｕｌｅｗｏｒｋｆｌｏｗ

４．２．３自适应激振程序设计

自适应激振程序流程如图４．８所示，自适应激振程序是为了更好的激励传感器，延长信号的输出时间，提高信号的输出幅度。根据前文提到的传感器信号检测原理，程序先对传感器进行全频率范围预激振；预激振之后，对获得的测量值进行判断，如果获得的测量值不在传感器正常输出频率范围内，则程序终止，此时可能传感器未连接或主控模块设定的传感器类型错误；如果获得测量值正常，则重新计算激振区间，并激励传感器。

振弦式传感器信号采集仪的研制

图４．８自适应激振流程

Ｆｉｇ．４．８Ａｄａｐｔｉｖｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ

４．２．４等精度测频程序设计

等精度测频程序充分利用了单片机片上的输入捕捉模块、定时器模块以及片上锁相环资源，通过设定单片机输入捕捉中断为下降沿中断，来实现对待测信号的检测，结合软件程序计算待测信号频率，提高待测信号的测量精度。等精度测频程序流程如图４．９所示，测频开始时打开闸门定时器；第一次输入捕捉中断到来时，清零待测信号和标准信号的计数值；在输入捕捉中断中对系统时钟和待测时钟同步计数：定时器定时时间到后，等待待测信号的下降沿；当待测信号下降沿到来后，停止计数并读取待测信号和标准时钟的累加值；根据公式（２．６）计算。

测频开始

今！时时『日ｊ到？＞‘

二运二

二二］＝二二！

计算图４．９等精度测频程序流程图

Ｆｉｇ．４．９Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｏｇｒａｍｆｌｏｗｃｈａｒｔ