本發(fā)明涉及船舶狀態(tài)監(jiān)測，尤其是一種用于船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的全國產(chǎn)芯片應(yīng)變采集板。

背景技術(shù)：

1、大型服役船舶結(jié)構(gòu)的安全性一直是人們關(guān)注的重點，其中結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的重要技術(shù)手段，近年來受到工程領(lǐng)域研究人員和使用者的普遍重視。結(jié)構(gòu)應(yīng)變采集器是組成大型船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部件，目前生產(chǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)變采集器的國內(nèi)外廠家較多，但適用于在役船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測的應(yīng)變采集器并不多，尤其是采用全國產(chǎn)芯片組成的結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測用成熟的應(yīng)變采集器還沒有看到。

2、結(jié)構(gòu)應(yīng)變采集板是組成應(yīng)變采集器的基本組成單元，一個結(jié)構(gòu)應(yīng)變采集器由一個或多個應(yīng)變采集板組成。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，國產(chǎn)芯片制造能力得到大幅提升，包括制造工藝、設(shè)計水平、材料和設(shè)備的改進，這些技術(shù)進步使得國內(nèi)芯片制造商能夠提供高性能、低成本的芯片產(chǎn)品，為國產(chǎn)應(yīng)變采集板的設(shè)計制造提供了更多選擇，不再完全受限于國外芯片。雖然國產(chǎn)芯片取得了很大進步，但與進口芯片相比，國產(chǎn)芯片在性能和穩(wěn)定性方面仍存在較大差距，因此要實現(xiàn)應(yīng)變采集器的性能指標不降低情況下的完全國產(chǎn)化，是本領(lǐng)域技術(shù)人員的主要攻克難題。基于此，本發(fā)明公布了一款能滿足當前船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測需要的全國產(chǎn)芯片應(yīng)變采集板，對于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件自主可控具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明人針對上述問題及技術(shù)需求，提出了一種用于船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的全國產(chǎn)芯片應(yīng)變采集板，主要解決采用全國產(chǎn)芯片實現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)變高精度、低功耗測量的難題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

2、一種用于船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的全國產(chǎn)芯片應(yīng)變采集板，包括電源管理單元、橋路單元、信號調(diào)理采集單元、控制處理單元和通訊單元；

3、電源管理單元用于給其余各單元提供所需供電電壓，以及用于向橋路單元、信號調(diào)理采集單元提供基準電壓；

4、橋路單元連接信號調(diào)理采集單元形成一個通道，通道為立式半橋模式，通道輸入端接入外部的應(yīng)變傳感器，通道輸出端連接控制處理單元，應(yīng)變傳感器用于將船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號；

5、控制處理單元通過通訊單元與外部連接，控制處理單元用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、采集板id地址分配、傳感器及采集板故障診斷、定時控制激勵橋壓輸出、根據(jù)外部載荷信息自動調(diào)整采樣頻率。

6、其進一步的技術(shù)方案為，電源管理單元包括供電接入電路、直流降壓電路、微控制器供電電路、信號調(diào)理采集供電電路、信號調(diào)理采集限流電路和基準源電路；

7、供電接入電路的輸入端接入外部直流電源，輸出端連接直流降壓電路的輸入端，外部直流電源經(jīng)過降壓后輸出第一供電電壓，直流降壓電路的輸出端分別連接微控制器供電電路和信號調(diào)理采集供電電路的輸入端，第一供電電壓經(jīng)過微控制器供電電路轉(zhuǎn)換為第二供電電壓，用于給控制處理單元供電，第一供電電壓和第二供電電壓還用于給通訊單元供電；

8、信號調(diào)理采集供電電路的輸出端連接信號調(diào)理采集限流電路的輸入端，第一供電電壓依次經(jīng)過信號調(diào)理采集供電電路和限流電路轉(zhuǎn)換為供電限流電壓，用于給橋路單元和信號調(diào)理采集單元供電，當信號調(diào)理采集供電電路接收到控制處理單元發(fā)送的有效使能信號時，輸出供電限流電壓，否則不輸出電壓，從而實現(xiàn)定時控制激勵橋壓輸出；

9、信號調(diào)理采集限流電路的輸出端連接基準源電路的輸入端，基準源電路的輸出端輸出基準電壓。

10、其進一步的技術(shù)方案為，在供電接入電路中：

11、直流電源的正負端通過接線端子的p+和p-接入應(yīng)變采集板，p+通過自恢復(fù)保險絲連接肖特基二極管的陽極，肖特基二極管的陰極連接第一共模濾波器的正輸入端，第一共模濾波器的正輸出端作為輸出供電接入電路的輸出端，第一瞬態(tài)抑制二極管的第一端和第二瞬態(tài)抑制二極管的第二端接在肖特基二極管和第一共模濾波器之間；p-依次連接第二、第一氣體放電管的第二端、第三瞬態(tài)抑制二極管的第二端、第一瞬態(tài)抑制二極管的第二端和第一共模濾波器的負輸入端，第一共模濾波器的負輸出端接地，第一氣體放電管的第一端、第三氣體放電管的第二端接在p+和自恢復(fù)保險絲之間，第二、第三氣體放電管的第一端、第三瞬態(tài)抑制二極管的第一端均連接殼體地，第二瞬態(tài)抑制二極管的第一端連接第三瞬態(tài)抑制二極管的第一端；

12、供電接入電路起到防雷、防浪涌、靜電釋放、正負極反接、電源濾波和短路防護功能。

13、其進一步的技術(shù)方案為，直流降壓電路的核心芯片為芯洲科技有限公司生產(chǎn)的sct2433ster同步降壓電源芯片，微控制器供電電路的核心芯片為圣邦微電子股份有限公司生產(chǎn)的sgm2028-3.3電源轉(zhuǎn)換芯片，信號調(diào)理采集供電電路的核心芯片為sgm2202-3.6電源轉(zhuǎn)換芯片，信號調(diào)理采集限流電路的核心芯片為西安拓爾微電子股份有限公司生產(chǎn)的sti9712限流芯片，基準源電路的核心芯片為江蘇潤石科技有限公司生產(chǎn)的rs431bysf3基準源芯片。

14、其進一步的技術(shù)方案為，橋路單元包括橋壓激勵電路和傳感器接入電路；

15、橋壓激勵電路的輸入端接入基準電壓，輸出端連接傳感器接入電路的激勵端，橋壓激勵電路用于向傳感器接入電路的激勵端提供激勵橋壓；

16、應(yīng)變傳感器通過接線端子的第一端、第三端接入傳感器接入電路，第一端和激勵端之間連接第一半橋匹配電阻，第三端和激勵端之間連接第二半橋匹配電阻，在第一、第二半橋匹配電阻與接線端子的相應(yīng)端口之間，分別引出輸出端s+和s-作為橋路單元的輸出端，連接信號調(diào)理采集單元的輸入端，第一、第二半橋匹配電阻與應(yīng)變傳感器組成惠斯通電橋，接收船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)，且第一、第二半橋匹配電阻與應(yīng)變傳感器阻值不同，從而形成立式半橋模式。

17、其進一步的技術(shù)方案為，在橋壓激勵電路中：

18、第一分壓電阻電路的第一端作為橋壓激勵電路的輸入端，分壓端連接第一運算放大器的同相輸入端，第一運算放大器的反相輸入端連接第二分壓電阻電路的分壓端，第一運算放大器的輸出端連接第二運算放大器的同相輸入端，第二分壓電阻電路的第一端接在第一、第二運算放大器之間，第二運算放大器的輸出端連接三極管的基極，第二運算放大器的反相輸入端連接三極管的發(fā)射極，三極管的集電極作為供電端，在三極管的發(fā)射極和地之間配置電容，從電容和三極管之間引出一端口作為橋壓激勵電路的輸出端；

19、第一、第二運算放大器為橋壓激勵電路的核心芯片，采用江蘇潤石科技有限公司生產(chǎn)的rs8522xm運算放大器。

20、其進一步的技術(shù)方案為，信號調(diào)理采集單元用于實現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字信號傳輸至控制處理單元；

21、在信號調(diào)理采集單元中：橋路單元的輸出端s+通過第一電阻連接儀表放大器的正輸入端，橋路單元的輸出端s-通過第二電阻連接儀表放大器的負輸入端，儀表放大器的參考電壓輸入端接入基準電壓，儀表放大器的rg端口之間配置有放大增益電阻，儀表放大器的輸出端通過第三電阻連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，轉(zhuǎn)換后通過i2c總線的sda引腳和scl引腳傳輸至控制處理單元的相應(yīng)引腳；

22、儀表放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器為信號調(diào)理采集單元的核心芯片，采用圣邦微電子股份有限公司生產(chǎn)的sgm620儀表放大器和sgm58031模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

23、其進一步的技術(shù)方案為，控制處理單元包括微控制器，采用北京兆易創(chuàng)新科技股份有限公司生產(chǎn)的gd32f107ct6微控制器；微控制器內(nèi)部集成了硬件初始化函數(shù)模塊、讀取配置參數(shù)函數(shù)模塊、adc模數(shù)采集函數(shù)模塊、應(yīng)變計算函數(shù)模塊、can發(fā)送函數(shù)模塊、can接收中斷函數(shù)模塊、參數(shù)設(shè)置函數(shù)模塊、地址自動規(guī)劃函數(shù)模塊、心跳函數(shù)模塊和故障診斷函數(shù)模塊；

24、應(yīng)變采集板上電后，執(zhí)行硬件初始化函數(shù)模塊，再執(zhí)行讀取配置參數(shù)函數(shù)模塊以獲取應(yīng)變采集板配置參數(shù)；若當前應(yīng)變采集板的地址為備用應(yīng)變采集板的默認地址，則執(zhí)行地址自動規(guī)劃函數(shù)模塊為備用應(yīng)變采集板自動分配地址，再執(zhí)行can接收中斷函數(shù)模塊，否則直接執(zhí)行can接收中斷函數(shù)模塊；若接收中斷，則執(zhí)行參數(shù)設(shè)置函數(shù)模塊，參數(shù)設(shè)置函數(shù)模塊實時接收外載荷信息并自動調(diào)整采樣頻率，否則在到達采樣時間時依次執(zhí)行adc模數(shù)采集函數(shù)和應(yīng)變計算函數(shù)模塊，在未到達采樣時間時依次執(zhí)行心跳函數(shù)模塊和故障診斷函數(shù)模塊；最后通過can發(fā)送函數(shù)模塊向上位機傳輸應(yīng)變計算函數(shù)模塊計算結(jié)果和故障診斷函數(shù)模塊診斷結(jié)果。

25、其進一步的技術(shù)方案為，在通訊單元中：

26、采用隔離型電源芯片實現(xiàn)供電電壓隔離；can收發(fā)器與控制處理單元之間通過磁藕隔離芯片進行數(shù)字隔離，從而實現(xiàn)信號調(diào)理采集單元輸出的數(shù)字信號和外部通訊網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號的電氣隔離；在can收發(fā)器的canh和canl引腳與上位機接線端子之間的can通訊網(wǎng)絡(luò)上依次設(shè)置瞬態(tài)電壓抑制器、第二共模濾波器、熱敏電阻和多個第四氣體放電管；

27、通訊單元的核心芯片為廣州金升陽電子科技有限公司生產(chǎn)的scm3421asa型號的can收發(fā)器，以及蘇州納芯微電子有限公司型生產(chǎn)的nsi8021型號的磁藕隔離芯片。

28、其進一步的技術(shù)方案為，一個應(yīng)變采集板包含四個通道，每個通道輸入端接入應(yīng)變傳感器，四個通道輸出端采用級聯(lián)的方式，控制處理單元連接任一通道輸出端；

29、一個或多個應(yīng)變采集板放置在金屬殼體中，并與航空連接器連接形成一個獨立使用的多通道應(yīng)變采集器，多個應(yīng)變采集板之間通過can總線級聯(lián)。

30、本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：

31、本技術(shù)公開的應(yīng)變采集板是用于船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測的重要部件，包括電源管理單元、橋路單元、信號調(diào)理采集單元、控制處理單元、通訊單元等硬件部分和內(nèi)部嵌入式函數(shù)模塊，各單元采用全國產(chǎn)芯片搭建，通過can總線可實現(xiàn)多個采集板組態(tài)級聯(lián)，數(shù)量自由組態(tài)構(gòu)成應(yīng)變采集器，具有自動識別傳感器及采集板故障，更換故障采集板后id地址自動調(diào)整，精確定時控制激勵橋壓輸出，從而降低傳感器發(fā)熱量，提高測量準確度，根據(jù)外部載荷信息自適應(yīng)調(diào)整應(yīng)變采樣頻率等特征。該應(yīng)變采集板具有功耗低、精度高、測量穩(wěn)定和可實現(xiàn)級聯(lián)等顯著優(yōu)點。