2010年第29卷第1期传感器与微系统(Transducer and M i crosyste m Technologi es)
基于DSP的杆式风洞天平实时动态补偿系统
杨双龙1，徐科军1,2，赵长辉3，张平3
(1.合肥工业大学自动化研究所，安徽合肥230009;
2.工业自动化安徽省工程技术研究中心，安徽合肥230009;
3.沈阳空气动力研究院，辽宁沈阳110034)
摘要：杆式应变天平是一种六维力传感器，在风洞试验中测量飞行器模型所受的各个方向的力和力矩。
但是，其动态响应超调量大，调节时间长，无法满足动态测试的要求。选用数字信号处理器(DSP) T M S320F2812，研制了一种实时动态补偿系统，实现对应变天平六路输出信号的动态补偿，加快应变天平的动态响应速度。
关键词：应变天平；动态性能；动态补偿；数字信号处理器
中图分类号:TB931文献标识码:A文章编号:1000)9787(2010)01)0077)04
DSP based rea l2tim e dyna m ic co m pensation syste m
for bar2shaped w i nd tunnel strain gauge balance YANG Shuang2long1,X U K e2j u n1,2,Z HAO Chang2hu i3,Z HANG P i n g3
(1.In stitute of Au to m a tion,H efe i Un i ver sity of Techno l ogy,H efei230009,C h i na;
2.Engineer i n g T echno l ogy R esea rch C en ter of Indu str ia l Au to m a ti on,H efe i230009,Ch ina;
3.Shenyang Aer odynam ic R esea rch In stitute,Shenyang110034,C h i na)
Abstr a ct:B ar2shaped stra i n gauge ba l ance is a ki nd of si x2d i m ensio n force sensor to m easure the force and m o m ent of force appli ed to the a i rcraftm ode ls i n t he wind tunne.l But its dyna m i c perfor m ance does notm eet the dy nam ic testi ng requ irem ents because the overshoot of its dy na m ic respo nse is large and the adj usti ng ti m e i s lo ng.
A rea l2ti m e dyna m ic co mpensati on system has been deve l oped usi ng DSP chip T MS320F2812.And the dy na m ic
co mpensati on for t he six out put sig na l of t he stra i n gauge ba l ance i s ach ieved by th i s syste m so as to speed the ir dy nam ic responses.
K ey word s:strain gauge ba l ance;dyna m i c perfor m ance;dy nam ic co m pensatio n;DSP
0引言
杆式应变天平实质上是一种六分量测力传感器，被广泛应用于风洞试验中，以测量飞机、导弹、火箭等模型所受的空气力和力矩[1]。由于自身结构和材料的原因，致使阻尼比过小，固有频率较低，从而动态响应速度慢。试验结果表明：杆式天平动态阶跃响应超调大，调节时间为几百毫秒到几秒钟，远远不满足动态测试的要求。目前，国外主要是借助计算机，采用有限元方法对天平结构进行应力分析，进而作优化设计[2,3]；研制评价天平静态性能指标的自动校准装置[4,5]，没有开展应变天平动态特性的研究。国内工作重点是实现天平校准的体轴系、高精度和自动化，建立了若干台由计算机集中控制的大载荷、体轴系、自动化、高精度的内式六分量应变天平静校设备[6,7]，也没有研究应变天平的动态校正问题。为此，本文在采用系统辨识的方
法[8]和设计出动态补偿器结构和参数的基础上，采用数字信号处理器(DSP)，研制实时动态补偿系统，并进行动态试验，取得很好的补偿效果。
1补偿系统方案
选用DSP作为处理核心，设计实时动态补偿系统。动态补偿器参数由M a tlab根据基于OE模型预报误差法，通过对杆式应变天平6个通道的输出和理想输出进行系统辨识而得。动态补偿器参数为[b
,b
1
,,,b
n
]和[a
,a
1
,,,
a
m
]，所对应的脉冲传递函数为
G=
Y
X
=
b
+b
1
z-1+,b
n
z-n
a
+a
1
z-1+,+a
m
z-m
,(1)
式中a
=1。将式(1)转换为差分方程，得
收稿日期:2009)05)22
77
传感器与微系统                    第29卷  y (k)=b 0x(k)+b 1x (k -1)+,+b n x (k -n )-a 1y (k -1)-,-a m y(k -m ).
(2)
实时动态补偿系统主要由数据采集模块、信号处理模块、信号输出模块、通信模块及电源管理模块组成，如图1所示。数据采集模块用于对天平输出信号进行调理并A /D 转换；信号处理模块对采集信号进行运算处理实现动态校正，以T MS320F2812为处理核心，并承担着协调控制系统工作的任务；信号输出模块用于将处理结果转换成模拟电压信号并平滑输出；通信模块为方便与上位机通信或远程监控；电源管理模块为系统中其他各模块提供工作电源。图1中八路输入通道中的额外两路是为扩展应用的备用输
入通道。
图1 系统硬件模块框图
Fig 1 B l ock d iagram of h ardw are m od u l e
T M S320F2812是一种高性能32位定点DSP ，由30MH z 有源晶振提供时钟信号，并在其内部倍频至150MH z ，其指令执行速度可达150M IPS ，即单指令周期为6.67ns 。根据杆式应变天平的特点，信号需进行放大滤波，采样保持,A /D 转换，然后，送入DSP 进行信号处理以实现对信号的动态校正，处理后再通过D /A 将其转换成电压信号并滤波输出。
杆式应变天平的动态补偿过程为：先对数据采集模块采集的杆式天平6通道数据进行均值滤波消噪，然后，代入式(2)(动态补偿的差分方程)求解，实现动态补偿。2 硬件设计
2.1 数据采集模块
数据采集模块包括前级放大、输入滤波、采样保持、多路切换、阻抗匹配及A /D 转换电路，如图2
所示。
图2 数据采集模块电路结构图
F ig 2 C i r cu it stru cture d iagram of d ata acqu isiti on m od u le
仪用运放AD620实现100倍前级差分放大。OP27搭建的二阶滤波电路截止频率取3k H z 左右。RP1为通道调零电阻。采保器AD781实现对多路信号的同步采保，以方便天平解耦运算。多路开关ADG1208依次切换八路采保输出至单通道A /D 转换电路进行A /D 转换。运放AD8021对AD G1208输出信号进行同相跟随送入至A /D 转换器，实现阻抗匹配。R 3和B AT54S 组成限幅保护电路以保护A /D 转换器。AD7612为一片16b it 高速且自带电压基准源具有低温度系数的A /D 转换器，转换速率可达600kSPS(nor m a l 模式)。系统中将其配置为?5V 量程、并口输出。
2.2 信号处理模块(逻辑控制)
信号处理模块以DSP 芯片T M S320F2812为核心，协调整个系统各模块的有序工作并承担着信号处理的任务。其功能框图如图3。外扩64k @16b it S RA M IS61L V6416)10T 增强系统数据处理的能力。74HC138地址空间映射至X I NTF6区，并对其外部地址总线高3位译码以产生外部
SRA M,A /D 转换器与D /A 转换器的片选信号。
AD781的S /H 控制引脚接至T1C MP 引脚，由GP T i m 2e r1控制。AD G1208的使能和通道切换,A /D 转换器复位及信号输出模块中D /A 转换器输出级锁存器的控制信号均由软件通过GP I O 控制。AD761
2的启动引脚接至GP I OD6_EVBS OC，由软件通过GP I O 口启动或由GP Ti m er3/4通过硬件控制启动;B USY 引脚接至GP IOE0_XINT1，进而可通过中断或查询方式读取数据。F2812读取A /D 转换结果，进行信号处理，再送至外部D /A 转换器进行转换并滤波输
出。
图3 信号处理模块功能框图
Fig 3 Fu ncti ona l b lock d i agram of sign a l pro ces s i ng m od u l e
通信模块选用F2812片上SC I A 作为串行通信口，选用MAX3221作为串口通信信号电平转换芯片，其波特率最高可达250kb it/s 。手动复位电路采用阻容式电路。
2.3 信号输出模块
系统中选用集电压基准源于一体带有两级锁存器的12位并口输入双极性电压输出型D /A 转换器MAX507。由
DSP 的一个GPIO 口控制6片D /A 转化器的输出级锁存器保证各通道数据同步输出。输出滤波电路为平滑D /A 转换器输出信号，同样由OP27搭建。输出信号满量程为?5V 。
78
第1期          杨双龙，等：基于DSP 的杆式风洞天平实时动态补偿系统
2.4 电源管理模块
电源管理模块结构框图如图4所示。系统采用?15V 双电源供电，通过电源模块向其他各模块提供模拟电源?12V 和?5V ，数字电源3.3V 和1.8V 。系统中采取模拟部分与数字部分分开供电，模拟地与数字地一点接地。TPS767D301两复位输出引脚均为开漏输出。系统中将这2个引脚与手动复位电路输出直接相接并通过电阻上拉，接入至F2812复位输入引脚，以使F2812能得到有效的上电、
断电和手动复位。
图4 电源管理模块结构框图
F i g 4 B l ock d i agram of p ower m anage m en t m odu le
3 软件设计
系统软件设计采取模块化设计方案，将完成特定功能或者类似功能的子程序组合成功能模块，功能框图如图5所示。各功能模块由主监控程序统一调度、协调控制。
图5 软件系统功能框图
F i g 5 Fun ction al b lock d iagra m of s oft w are syste m
初始化模块负责系统内F 2812，全局变量，常量参数等初始化操作。F2812初始化包括状态控制寄存器、系统时钟以及其他系统中所用到的F2812内部集成模块如,P IE ，看门狗,EV ,F l ash ,GPIO 以及XI NTF 等寄存器的初始化。全局变量、常量参数的初始化包括程序中所用的各种变量参数和系统补偿参数等的初始化。
数据处理模块完成对天平信号的滤波消噪和实时动态补偿处理。滤波消噪以消除A /D 转换器所采集的由PCB 自身或环境中叠加进来的噪声。为便于快速计算和取得较好的滤波效果，采用八点滑动均值滤波。动态补偿在系统软件中的实现就是解差分方程(式(2))。
中断模块处理系统中突发事件。输出操作模块完成处理结果格式的转换并送至D /A 转换器实现六路同步输出。看门狗模块保证系统正常运行。
主监控程序流程图如图6所示。4 动态补偿结果
将杆式应变天平的六路输出信号接入动态补偿系统的输入端和动态数据采集仪的第1~第6输入通道，将动态补
图6 主监控程序流程图
F ig 6 F l ow char t of m ai n p rogram
偿系统的输出接入动态数据采集仪的第7~第12输入通道，由动态数据采集仪对应变天平的六路输出和动态补偿系统的六路输出进行同步采集，以验证动态补偿效果。试验中，在应变天平的各个方向上进行了多种载荷的动态试验。试验结果表明：经过动态补偿，天平传感器各个方向的动态性能都得到了大幅度提升。图7为各个方向在某一负载情况下的动态补偿结果。表1为相应的动态补偿前后性能指标。
表1 杆式天平动态补偿前后性能指标
T ab 1 Dynam ic p er form an ce i nd exes of b ar 2s h aped b alance
b efo re and after com p en s a tion
F x
M x
F y
M y F z
M z
补偿前
调节时间
(ms)
242.354206.80456.56
377.36129.272348.46超调量(%)96.19122.9973.1994.4363.3794.94补偿后
调节时间
(ms)
30.2431.2730.9430.3531.8130.90超调量(%)
3.02
2.59
2.47
2.36
1.13
2.15
5 结 论
1)试验结果表明：研制的基于DSP 的实时动态校正系统能够大幅度提高杆式应变天平的动态响应速度，将调节时间均缩短至30m s 左右，超调量均控制在5%以内。
流程图转换为ns图2)试验结果比仿真结果稍差，主要是由于动态补偿系统对直接采集的数据进行补偿处理，而仿真时所用数据是经过动态数据采集仪滤波(10k H z 的截止频率)后的数据。可见动态补偿系统采集数据时噪声比较大。为此，对采集数据先进行均值滤波消噪后，再进行动态补偿，取得了比较好的效果。
3)试验中，发现动态补偿系统自身产生的噪声是影响
79
传感器与微系统                    第29
卷
图7 动态补偿响应曲线
F i g 7 R es pon se cur ve of dynam ic com pen sati on
采集精度的重要因素，为此，对动态补偿系统进行了改进，增加了硬件滤波模块，并增加了缝合电容，以降低动态补偿系统的电磁干扰。
4)在满足精度要求的前提下，通过优化程序代码、将常用代码拷贝到RA M 中运行及采用I Q m a t h 工具可将数据处理效率提高60%以上，从而为高速采样实时处理奠定了基础。参考文献:
[1] 贺德馨.近代空气动力学丛书)风洞天平[M ].北京：国防工
业出版社,2001:67-200.
[2] A ri ef Suhari yono ,J ong Hyun K i m ,Na m Seo G oo ,et a.l Design of
p reci s i on balance and aerodyna m i c ch aract eristic m easure m en t s yste m f orm icro aerialveh i cles[J].Aerospace Sci ence and Tech 2nology ,2006(10):92-99.
[3] S m it h A L,M ee D J ,Dan i elW J T ,et a.l Des i gn,m od eli ng and a 2
nalys is of a s i x compon ent force bal ance f or hypervelocity w i nd t unnel testi ng[J].Co m pu ters and Struct u res ,2001(79):1077-1088.
[4]
J ohnson G I .Experience of an auto m atic ri g for cali brati on ofwi nd t unnel bal an ce at FF A [C]M I n ternational Congress on Instrum e n 2t ati on i n A eros pace Si m u l ati on Facili ti es ,G er m any ,1993:1-10.[5] Bernd Ewal d ,PeterG ieseck e .Fu ll y au to m ati c cali brati on m ach i ne
f or i n t ernal 62co m ponen tw i nd t unnel balance i ncl ud i n
g cryogen i c balances[C]M In ternati onalCongress on Instrum en t ati on i n Aero 2space S i m u l ati on Faciliti es ,Goetti ngen,Federal Repub lic ofG er 2m any ,1989:470-476.
[6] 王朝安.一个全自动的风洞天平校准系统[J].流体力学实验
与测量,1998,12(3):92-96.
[7] 何 谨，范志刚，左保军，等.高精确度风洞天平静态校验台[J].
计量学报,2003,24(24):307-309.
[8] 徐科军.传感器动态特性实用研究方法[M ].合肥：中国科学
技术大学出版社,1999:123-167.
作者简介:
杨双龙(1985-)，男，安徽安庆人，硕士研究生，主要研究方向为自动检测及DSP 应用技术。
(上接第76页)
准方面符合国I V 标准，对控制我国城市大气污染，保护环境具有积极的意义。参考文献:
[1] 张 雨.汽油机瞬态排放分析[M ].长沙：国防科技大学出版
社,2005:4.
[2] GB18352.3-2005，轻型汽车污染物排放限值及测量方法
(中国Ó,Ô阶段)[S].
[3] 薛 华.尾气分析在汽车故障检测诊断中的应用[J].中国科
技信息,2006(8):321-323.
[4] 方 杨.基于国III 标准的汽车尾气检测分析系统[D].杭
州：浙江大学,2008.
作者简介:
王健伟(1984-)，男，山东高青人，硕士研究生，研究方向为嵌入式控制系统。
80

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。