МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ

Полезная модель относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения деформаций, усилий, давлений и других физических параметров с помощью тензорезистивных датчиков, собранных по полумостовой схеме.
Из уровня техники известен аналого-цифровой измерительный преобразователь сигналов датчиков, предназначенный для использования в составе магистрально-модульных измерительных схемах (Блокин-Мечталин Ю.К. Измерительный преобразователь сигналов датчиков для магистрально-модульных систем. Измерительная техника, 1997, №11, с. 14), содержащий источник напряжения для питания датчиков постоянным напряжением с переключаемой полярностью, дифференциальный измерительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, состоящий из преобразователя напряжения в частоту с источником опорного напряжения и преобразователя частоты в код с программируемым временем измерения (интегрирования), формирователь калибровочного сигнала, коммутатор выбора режима работы, схему смещения шкалы, схему контроля линий связи с тензорезистивным датчиком, схему гальванического разделения аналоговой части от цифровой, дешифратор команд системной магистрали.
Недостатком известного аналого-цифрового измерительного преобразователя сигналов датчиков является ограниченный частотный диапазон измеряемых сигналов, значительное время измерения (интегрирования) сигнала для получения необходимой точности измерений, сложность архитектуры, включающей большое количество дискретных элементов и узлов, выполняющих основные функции преобразования.
Известен тензометрический измерительный преобразователь (патент РФ №2400711, G01D 9/00, опубл. 27.09.2010), принятый в качестве прототипа, содержащий источник напряжения для питания тензорезистивного моста постоянным напряжением с переключаемой полярностью, источник опорного эталонного напряжения, формирователь калибровочного сигнала и дешифратор команд системной магистрали. В тензометрический измерительный преобразователь введен аналого-цифровой усредняющий сигма-дельта преобразователь, включающий коммутатор выбора режима работы преобразователя, устройство выборки и хранения входного сигнала, преобразователь с уравновешиванием заряда, цифровой фильтр нижних частот, регистр данных и регистр управления.
Существенными признаками, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются: наличие источника напряжения для питания тензорезистивного моста (датчика) напряжением с переключаемой полярностью, аналого-цифрового преобразователя, дешифратора команд системной магистрали с регистрами данных и команд (микропроцессорного блока), системной магистрали (системной информационной магистрали).
Недостатком прототипа является сложность построения распределенных многоточечных измерительных систем, сложность временной синхронизации процедуры измерения и синхронизации формирования результатов измерений при работе с однотипными, объединенными в единую измерительную систему, преобразователями, отсутствие контроля транспортных потерь результатов измерений, отсутствие защиты входных и выходных цепей от перенапряжения и гальванической развязки.
Решаемой технической проблемой является сложность архитектуры многоточечных измерительных систем, значительное время измерения (интегрирования) сигнала для получения необходимой точности измерений, сложность построения распределенных многоточечных измерительных систем, сложность временной синхронизации процедуры измерения и синхронизации формирования результатов измерений при работе с однотипными преобразователями, отсутствие контроля транспортных потерь результатов измерений, отсутствие защиты входных и выходных цепей от перенапряжения и гальванической развязки.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей по организации абсолютно синхронных измерений физических параметров со всех подключенных тензорезистивных датчиков, минимизации влияния электромагнитных помех на результат измерений, а также упрощение проектирования и реализации распределенных многоточечных измерительных систем.
Указанный технический результат достигается за счет того, что многоканальный цифровой преобразователь сигналов тензорезистивных датчиков, включающий блок прецизионных резисторов формирования полных тензоизмерительных мостов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), источник напряжения с переключаемой полярностью для питания тензоизмерительных мостов и опорного напряжения, блок микропроцессора (дешифратор команд системных магистралей) с регистром данных и регистр управления, блок цифрового интерфейса передачи результатов измерений с гальванической развязкой для передачи результатов измерений и приема/передачи управляющих команд (системная магистраль) содержит блок приема внешнего цифрового сигнала синхронизации измерений, выход которого соединен со входом блока микропроцессора, а вход, через схемы гальванической развязки, соединен с внешней системной магистралью сигнала синхронизации, при этом, аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с микропроцессорным блоком посредством межмодульного цифрового интерфейса, выход которого соединен с входом блока цифрового интерфейса управления и передачи результатов измерений, выход которого соединен через гальваническую развязку с системной информационной магистралью, выход источника опорного эталонного напряжения соединен с входом опорного напряжения АЦП и аналоговым входам напряжения питания к блоку прецизионных резисторов, а управляющий вход источника напряжения с переключаемой полярностью соединен с соответствующим цифровым выходом микропроцессорного блока. В многоканальный цифровой преобразователь сигналов тензорезистивных датчиков введен блок приема внешнего цифрового сигнала тактирования АЦП, выход которого соединен с входом сигнала тактирования АЦП, а вход, через схемы гальванической развязки, соединен с внешней системной магистралью сигнала тактирования. Каждый интерфейсный вход и каждый аналоговый вход снабжен схемами защиты от перенапряжения и гальванической развязки между входными и выходными цепями.
Таким образом достигается технический результат.
Сущность заявляемой группы изобретений поясняется графическим материалом.
На фигуре 1 показана структурная схема предлагаемого многоканального цифрового преобразователь сигналов тензорезистивных датчиков.
На фигуре 2 приведен алгоритм работы цифрового преобразователя сигналов тензорезистивных датчиков в режиме измерений.
На фигуре 3 приведен алгоритм работы цифрового преобразователя сигналов тензорезистивных датчиков в режиме конфигурирования.
Многоканальный цифровой преобразователь сигналов тензорезистивных датчиков (фиг. 1) включает в свой состав блок прецизионных резисторов 1 формирования полных тензоизмерительных мостов с защитными от перенапряжения цепям 12, аналого-цифровой преобразователь 2 (АЦП), источник напряжения 3 с переключаемой полярностью для питания тензоизмерительных мостов и формирования опорного напряжения, блок микропроцессора 6 (дешифратор команд системных магистралей) с регистром данных и регистром управления, блок цифрового интерфейса 7 с гальванической развязкой 10 для передачи результатов измерений и приема/передачи управляющих команд по системной магистрали введены блок 4 приема внешних цифровых сигналов тактирования АЦП с гальванической развязкой 9 и блок 5 приема внешних цифровых сигналов синхронизации измерений с гальванической развязкой 8, при этом шесть аналоговых входов InA блока 1 прецизионных резисторов формирования полных тензоизмерительных мостов подключаются к защитным от перенапряжения цепям 12, вход InU блока 1 подключается к выходу OutU источника напряжения 3 с переключаемой полярностью для питания измерительных мостов, а выходы OutA блока 1 соединяются с входами InA аналого-цифрового преобразователя 2, выход IO которого соединен с входом IOацп блока микропроцессора 6, выход IOEth которого соединен с входом блока цифрового интерфейса 7 управления и передачи результатов измерений, вход блока цифрового интерфейса 7 через гальваническую развязку 10, соединен с системной информационной магистралью 14, выход OutUоп опорного эталонного напряжения от источника напряжения 3 соединен с входом InUоп аналого-цифрового преобразователя 2, а цифровой вход InУпр источника напряжения 3 соединен с выходом OutУпр микропроцессорного блока 6, выход блока 4 цифрового интерфейса приема внешнего сигнала тактирования соединен с входом InCLK аналого-цифрового преобразователя 2, а его вход, через цепи гальванической развязки 9, соединен с системной магистралью тактирования 15, выход блока цифрового интерфейса 5 приема внешнего сигнала синхронизации измерений соединен с соответствующим входом InSync блока микропроцессора 6, а его вход, через цепи гальванической развязки 8, соединен с системной магистралью синхронизации 16, вход защитных от перенапряжения цепей 13 подключается к внешнему источнику напряжения, а выход подключается к входу к источнику напряжения 3 с переключаемой полярностью.
Работает предлагаемая полезная модель следующим образом: в режиме измерений (Фиг. 2) многоканальный цифровой преобразователь сигналов тензорезистивных датчиков начинает процесс измерения 18 после получения блоком микропроцессора 6 из системной магистрали синхронизации 16 первого синхропакета 17 и подачи на соответствующий вход аналого-цифровой преобразователя 2 из системной магистрали тактирования 15 импульсного сигнала 19. Аналого-цифровой преобразователь 2, входящий в состав преобразователя, начинает процесс 20 аналого-цифрового преобразования электрических сигналов, поступающих на его входы с выходов блока прецизионных резисторов 1 к которому подключено до 6-ти тензорезистивных полумостовых датчиков и передачу для хранения в блок микропроцессора 6 результатов измерения с заданной частотой дискретизации до 8 КГц. При этом эталонное опорное напряжение, необходимое для работы аналого-цифрового преобразователя 2, формирует и подает на соответствующий вход источник напряжения 3. Одновременно эталонное напряжение, с переключаемой полярностью формируемое источником напряжения 3 подается на тензорезистивные датчики, подключенных к аналоговым входам блока прецизионных резисторов 1. Частота напряжения возбуждения тензоизмерительных схем - 2 кГц и может регулироваться блоком микропроцессора 6. Частота дискретизации и частота возбуждения синхронизированы между собой. На один период (для 2 кГц) приходится 4 отсчета. Полученные данные накапливаются в микропроцессорном блоке 6 за интервал времени измерений равный 25 мс. Параллельно с получением данных от аналого-цифрового преобразователя 2, микропроцессорный блок 6 через блок цифрового интерфейса управления и передачи результатов измерений 7 (системная информационная магистраль) устанавливает и поддерживает информационный обмен с компьютером. Системная информационная магистраль 14 представляет собой цифровой интерфейс приема/передачи информации стандарта Ethernet с технологией РоЕ с и гальванической развязкой, протокол обмена TCP/IP. По завершению цикла аналогового-цифрового преобразования, по признаку 21, микропроцессорный блок 6 производит формирование и передачу информационного пакета 22 протокола TCP/IP Ethernet. Каждый пакет маркируется уникальным определенным идентификатором, полученный по системной линии синхронизации 16. Идентификатор формируется и передается в преобразователь по соответствующей системной линии синхронизации 16. Информационный пакет протокола TCP/IP Ethernet от преобразователя состоит из уникального идентификатора, служебной информации и результатов измерений по каждому из шести тензоизмерительному датчику - измерительному каналу. Системная линия синхронизации 16 и системная линия тактирования 15 представляют собой два независимых между собой цифровых интерфейса обмена информации стандарта RS-485 с гальваническими развязками, по которым преобразователь получает сигналы синхронизации и тактирования от компьютера или другого подобного внешнего устройства. Гальваническая развязка цифровых интерфейсов обеспечивает защиту от воздействия электромагнитных помех амплитудой до 4000 В. Защитные от перенапряжения цепи аналоговых входов преобразователя обеспечивают защиту от воздействия помех амплитудой до 4000 В.
Работа предполагаемого многоканального цифрового преобразователя сигналов тензорезистивных датчиков в режиме конфигурирования (Фиг. 3). Режим конфигурирования 24 активизируется при получении соответствующей команды 23 по системной информационной магистрали в интервале времени 10 секунд после включения преобразователя. В режиме конфигурирования преобразователь обеспечивает прием настроечных параметров и настроечных команд 25 для работы с системной информационной магистрали - сети Ethernet, с указанием статического IP-адреса преобразователя, маску сети, сетевой адрес шлюза, сетевой адрес компьютера, номер порта. В режиме конфигурирования производится настройка измерительных параметров преобразователя, в том числе чистота дискретизации, коэффициент усиления для каждого из шести измерительного канала. После получения преобразователем команды завершения режима конфигурирования 27 производится верификация сохраненных параметров 28. Запись, изменение, чтение конфигурационной информации преобразователя производится при помощи компьютера и специализированного программного обеспечения по системной информационной магистрали - сети Ethernet. Сохранение конфигурационной информации 26 осуществляется в памяти микропроцессора преобразователя.
В результате предлагаемый многоканальный цифровой преобразователь сигналов тензорезистивных датчиков позволяет эффективно выполнять функции приема аналоговых сигналов с шести первичных тензорезистивных датчиков, собранных по полумостовой схеме, оцифровку этих сигналов и передачу результатов по цифровым каналам связи на компьютер, при этом все измерения производятся с высокой точностью, синхронно по всем измерительным каналам. Аналого-цифровой преобразователь, при разной полярности напряжения питания тензорезистивных датчиков повышают точность измерений за счет уменьшения погрешностей от влияния электрических помех, термоЭДС в измерительных трассах и других влияющих факторов. Применение схем защиты цепей от перенапряжения и гальванической развязки позволяет использовать многоканальный цифровой преобразователь сигналов тензорезистивных датчиков в условиях интенсивных электромагнитных помех. Использование блока цифрового интерфейса тактирования АЦП и блока цифрового интерфейса синхронизации измерений в составе многоканального цифрового преобразователя сигналов тензорезистивных датчиков позволяет минимизировать затраты на проектирование сложных распределенных многоточечных измерительных систем с синхронными по времени измерениями и защитой от транспортных потерь результатов измерения.
Многоканальные цифровые преобразователи сигналов тензорезистивных датчиков изготовлены и опробованы в составе распределенной многоточечной системы измерения уровня воздействия подвижного состава на железнодорожный путь.
Исследование многоканального цифрового преобразователя сигналов тензорезистивных датчиков показало их высокую точность измерений силы воздействия подвижного состава на железнодорожный путь в рабочем диапазоне частот воздействий в условиях электромагнитных помех, вызванных работой тяговых электродвигателей ПС, синхронность измерения всеми преобразователями.
Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей по организации абсолютно синхронных измерений физических параметров со всех подключенных тензорезистивных датчиков, минимизации влияния электромагнитных помех на результат измерений, а так же упрощение проектирования и реализации распределенных многоточечных измерительных систем.