CN106771352B - 一种应用于弹载测试的加速度记录装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于弹载测试系统中的加速度记录装置，该加速度记录装置包括加速度传感模块、信号调理模块、STM32单片机模块、Flash模块以及供电模块；加速度传感模块获得加速度信号，输出到信号调理模块，信号经信号调理模块调理后，输出到STM32内置的A/D转换模块，A/D转换模块将加速度对应的电压信号转化为数字信号，经stm32信号处理模块可将处理后的信号输出到Flash模块进行保存，此外可将数据通过USB端口传输到上位机进行实时处理。本发明具有测量范围宽、启动快、功耗低、直流供电、冲击振动、可靠性高等优点，在较高的频带范围内能够保持良好的线性。

Description

一种应用于弹载测试的加速度记录装置
技术领域
本发明属于加速度测量与记录领域，特别是一种应用于弹载测试的加速度记录装置。
背景技术
加速度传感器也称为加速度计是用来测量加速度的惯性传感器件，可用于倾斜角、惯性力、冲击及震动等惯性参数的测量。加速度传感器在汽车、航空航天、军事、工业、医疗等领域有着极为广泛的应用，其中高精度加速度传感器以其体积小、功耗低，与其配合使用的检测电路受温度影响较小等特点而备受关注，高精度加速度传感器是基于微电子机械系统加工而成的微加速度计，高精度加速度计是在微电子技术的基础上发展起来的，它是利用微电子加工技术，制作微型机械结构结合集成电路实现各种功能的技术。在军事和航空航天领域高精度加速度计也是惯性导航系统中重要的惯性器件之一，其精度水平直接决定了惯性导航的精度，它还可与高精度陀螺一起应用于车辆和飞行器导航等领域。高精度加速度计同样在机器人自动控制、地震勘探等领域也有很重要的应用价值。
在加速度传感器的基础上，发展起来的加速度记录装置主要应用于运输过程冲撞冲击振动监测记录、装配线监测、制动系统、易碎性测试、实验室落体实验测试、飞行颠簸测试、机器监测、火车车钩连接冲击测试等方面，但是目前的加速度记录装置存在着功耗大、成本高的缺陷，只能应用于特定的领域，严重限制了加速度记录装置向更宽更广的领域的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于弹载测试的加速度记录装置，克服目前的加速度记录装置存在着功耗大、成本高的缺陷的缺点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种应用于弹载测试的加速度记录装置，包括加速度传感模块、信号调理模块、Stm32单片机模块、Flash模块和供电模块；
所述加速度传感模块输出端与信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与Stm32单片机模块的A/D信号输入端相连，Stm32单片机模块与Flash模块相连，Stm32单片机模块通过自带的USB端口与上位机相连；供电模块为加速度传感模块、信号调理模块、Stm32单片机模块和Flash模块供电；
加速度传感模块用于完成加速度信号到电信号的转换；
信号调理电路用于将输出的电信号调理成Stm32单片机模块的A/D转换模块可处理的电平范围；
STm32单片机模块用于将模拟信号转换为数字信号，并将其数据存储到Flash模块中，通过判断STm32单片机模块是否与上位机连接来确定是对Flash数据是读还是写；Flash模块用于存储数据。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明的加速度记录装置测量范围宽、启动快、功耗低、直流供电、冲击振动、可靠性高，在较高的频带范围内能够保持良好的线性；(2)本发明采用的核心数据处理芯片为Stm32F407系列，在满足数据处理速率和控制功能等要求的同时，节约设计成本，可使本发明在以后获得更加广阔的应用前景；(3)本发明采用了电阻桥和差分放大电路以及恒流二极管对输出信号进行调理，可以适合不同传感器输出信号；(4)本发明可实现电池供电与USB供电双种供电模式。
附图说明
图1为本发明应用于弹载测试的加速度记录装置的总体结构框图。
图2为本发明的信号调理模块电路图。
图3为本发明的Flash模块电路图。
具体实施方式
结合图1，一种应用于弹载测试的加速度记录装置，包括加速度传感模块、信号调理模块、Stm32单片机模块、Flash模块和供电模块；
所述加速度传感模块输出端与信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与Stm32单片机模块的A/D信号输入端相连，Stm32单片机模块与Flash模块相连，Stm32单片机模块通过自带的USB端口与上位机相连；供电模块为加速度传感模块、信号调理模块、Stm32单片机模块和Flash模块供电；
加速度传感模块用于完成加速度信号到电信号的转换；
信号调理电路用于将输出的电信号调理成Stm32单片机模块的A/D转换模块可处理的电平范围；
STm32单片机模块用于将模拟信号转换为数字信号，并将其数据存储到Flash模块中，通过判断STm32单片机模块是否与上位机连接来确定是对Flash数据是读还是写；Flash模块用于存储数据；Stm32单片机模块通过自带的USB端口完成加速度记录装置与上位机之间的数据传输。
进一步的，所述信号调理模块包括运算放大器和H桥电阻电路；加速度传感模块输出的电信号和供电模块输出的基准沿电压信号经过H桥电阻电路进行调和，然后经过运算放大器获得差分信号，即为信号调理模块的输出信号。
进一步的，如图2所示，所述信号调理模块包括LT1991型运算放大器U3、第一电阻R3、第二电阻R4、第三电阻R5、第四电阻R6、第五电阻R12、恒流二极管D4、与加速度传感模块连接的排针P2；第一电阻R3、第二电阻R4、第三电阻R5、第四电阻R6构成H桥电阻电路；
LT1991型运算放大器U3的第十引脚分别与第一电阻R3和第二电阻R4的一端连接，第一电阻R3的另一端接排针P2的第二引脚，同时还与恒流二极管D4连接，恒流二极管D4接18V信号电压；
第二电阻R4的另一端接排针P2的第一引脚，同时与第三电阻R5和第五电阻R12的一端连接，第五电阻R12的另一端接地，第三电阻R5的另一端与第四电阻R6的一端连接，同时与LT1991型运算放大器U3的第一引脚连接，第四电阻R6的另一端接供电模块；LT1991型运算放大器U3的第五引脚接地，第六引脚OUT连接Stm32单片机模块的AD输入端。
进一步的，所述的Flash模块包括Flash存储器、D锁存器和与非门。
进一步的，所述Stm32单片机模块采用的是Stm32F407系列芯片。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
结合图1，一种应用于弹载测试的加速度记录装置，包括加速度传感模块、信号调理模块、Stm32单片机模块、Flash模块和供电模块。
所述加速度传感模块输出端与信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与Stm32单片机模块的一个A/D信号输入端相连，Stm32单片机模块同步处理处理输入的信号，Stm32单片机模块的FSMC数据/地址复用端口和控制端口与Flash模块的输入端相连，同时Stm32单片机模块的FSMC数据/地址复用端口也和Flash模块的数据输出端相连，Stm32单片机模块的USB端口与外部上位机相连；供电模块为上述各模块供电。
加速度传感模块完成加速度信号到电信号的转换；信号调理电路是将输出的电信号调理成Stm32单片机模块的A/D转换模块可处理的电平范围；STm32单片机模块同时处理模拟信号到数字信号的转换，并将其数据存储到Flash模块中；通过判断STm32单片机模块是否与上位机连接来确定是对Flash数据是读还是写；Flash模块则完成数据的存储功能；Stm32单片机模块自带的USB端口功能完成加速度记录装置与计算机之间的数据传输。
整个装置开始工作时，加速度传感模块获得加速度信号，输出到信号调理模块，信号调理电路是将输出的电信号调理成Stm32单片机模块的Tm32单片机模块同时处理模拟信号到数字信号的转换可处理的电平范围，STm32单片机模块同时处理模拟信号到数字信号的转换，并完成信号数据的处理。STm32单片机模块同时可将处理后的信号输出到Flash模块进行保存，也可将数据通过STm32单片机模块的USB端口将数据传输到计算机进行实时处理。在弹载测试中，加速度记录装置要固定在弹体上，在弹体运动过程中，加速度记录装置将弹体的加速度数据实时地记录到Flash模块，后通过USB数据传输模块输出到计算机处理，获取弹体运动轨迹。
结合图2，本发明的信号调理电路主要由芯片LT1991外围电路以及H桥电阻电路信号调理模块构成，其原理在于传感器的信号与基准沿电压信号通过调理H桥电路，H桥电路是采用双路输入，每一路都串联两个电阻，并且在两路两个电阻之间取电压值，且在传感器信号输入的时候会有一个18v信号电压通过整流二极管D4对传感器信号起辅助调理，然后将两路电压输入LT1991的1脚与10脚，获得差分信号，即可获得由传感器信号到调理信号，只要调整H桥电路上的电阻即可适应处理器所能处理电压信号。
将LT1991输出OUT(6脚)连接Stm32单片机模块的AD输入端。
所述的Flash模块包括Flash存储器、D锁存器和与非门；由于STM32单片机对Flash存储模块是有16位(0-15位)引脚是地址/数据复用引脚，所以当STM32单片机对Flash存储器进行数据读写时，首先，STM32单片机产生地址信号(0-19位)，其中0-15位是同时传输到flash存储器和D锁存器，16-19位是直接传输到Flash存储器，在复用引脚0-15位从地址信号向数据信号切换前，STM32单片机NADV信号产生变化(由高电位变成低电位)，输入到与非门，与非门的输出接入D锁存器的LE锁存使能，即完成Flash的地址锁存。地址锁存完成后，STM32单片机的0-15位的地址/数据复用引脚切换到数据信号，完成一次数据的读写。
结合图3，本发明的Flash模块则完成数据的存储功能，主要包括芯片S29AL008D，芯片SN74LVC16373A、芯片SN74AHC1G00。其中S29AL008D是Flash存储器，芯片SN74LVC16373A是16路D锁存器，芯片SN74AHC1G00是逻辑与非门，由于采用Stm32单片机模块的FSMC功能，采用的是FSMC的端口复用。故Stm32关于数据的16位数据口中0-15位是与地址位复用，而在进行读写时，根据读写时序，标志位Stm32模块中的NADV(93引脚)与芯片SN74AHC1G00逻辑与非门B端(2引脚)相连，输出(4引脚)与16路D锁存器SN74LVC16373A的LE端(25引脚,48引脚)相连。16位复用数据/地址端口分别于16路D锁存器SN74LVC16373A的D端口和S29AL008D的数据端口，Stm32未复位用的地址未16-18位地址为与S29AL008D的相对应的地址端口相连，16路D锁存器SN74LVC16373A的输出口与S29AL008D的相对应的地址端口相连。S29AL008D的NWE端口(11引脚)与Stm32单片机模块的NWE端口(86引脚)相连，S29AL008D的RESET端口(12引脚)与Stm32单片机模块的RESET端口(79引脚)相连，S29AL008D的BY/RY端口(15引脚)与Stm32单片机模块的BY/RY端口(78引脚)相连，S29AL008D的CE端口(26引脚)与Stm32单片机模块的CE端口(89引脚)相连，S29AL008D的NOE端口(28引脚)与Stm32单片机模块的NOE端口(86引脚)相连，S29AL008D的BYTE端口(47引脚)与Stm32单片机模块的BYTE端口(48引脚)相连，这就构成了完整的Flash模块。
本发明的供电模块则完成整个加速度记录装置的供电功能，主要包括芯片LTC3127，芯片ADR01AUJZ，芯片LTC3467以及芯片FDC6420C。外部供电的电源通过两种方式，一种是通过排针外接干电池，一种是通过USB连接供电，当处于USB供电时，USB的上电信号通过一个分压电路产生一个适应Stm32单片机模块的电压信号输入到Stm32单片机模块的READ_EN(1引脚)，然后Stm32单片机模块的GATE端口(90引脚)控制芯片FDC6420C来控制外部干电池的电源开关，USB供电和干电池模块是分开供电的，当USB供电与干电池模块同时存在是，由USB供电，当只有干电池时由干电池供电。
为了满足小体积的要求，控制器采用高性能的STM32F407系列微控制器。这种嵌入式芯片包含ADC和USB接口，同时可以实现高速的并行接口读写，满足数据的高速存储。
本发明所设计的加速度记录装置可以通过测量范围广的加速度传感器获得加速度信号，通过转换，将加速度信号转化为电信号，并对该电信号进行处理和记录，保存加速度信息，实现加速度数据的记录和处理，并为后续速度信息和轨迹信号的获取打下基础。

Claims (2)

1.一种应用于弹载测试的加速度记录装置，其特征在于，包括加速度传感模块、信号调理模块、Stm32单片机模块、Flash模块和供电模块；
所述加速度传感模块输出端与信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与Stm32单片机模块的A/D信号输入端相连，Stm32单片机模块与Flash模块相连，Stm32单片机模块通过自带的USB端口与上位机相连；供电模块为加速度传感模块、信号调理模块、Stm32单片机模块和Flash模块供电；
加速度传感模块用于完成加速度信号到电信号的转换；
信号调理电路用于将输出的电信号调理成Stm32单片机模块的A/D转换模块可处理的电平范围；
STm32单片机模块用于将模拟信号转换为数字信号，并将其数据存储到Flash模块中，通过判断STm32单片机模块是否与上位机连接来确定是对Flash数据是读还是写；Flash模块用于存储数据；
所述信号调理模块包括运算放大器和H桥电阻电路；加速度传感模块输出的电信号和供电模块输出的基准沿电压信号经过H桥电阻电路进行调和，然后经过运算放大器获得差分信号，即为信号调理模块的输出信号；所述信号调理模块包括LT1991型运算放大器(U3)、第一电阻(R3)、第二电阻(R4)、第三电阻(R5)、第四电阻(R6)、第五电阻(R12)、恒流二极管(D4)、与加速度传感模块连接的排针(P2)；第一电阻(R3)、第二电阻(R4)、第三电阻(R5)、第四电阻(R6)构成H桥电阻电路；
LT1991型运算放大器(U3)的第十引脚分别与第一电阻(R3)和第二电阻(R4)的一端连接，第一电阻(R3)的另一端接排针(P2)的第二引脚，同时还与恒流二极管(D4)连接，恒流二极管(D4)接18V信号电压；
第二电阻(R4)的另一端接排针(P2)的第一引脚，同时与第三电阻(R5)和第五电阻(R12)的一端连接，第五电阻(R12)的另一端接地，第三电阻(R)的另一端与第四电阻(R6)的一端连接，同时与LT1991型运算放大器(U3)的第一引脚连接，第四电阻(R6)的另一端接供电模块；LT1991型运算放大器(U3)的第五引脚接地，第六引脚(OUT)连接Stm32单片机模块的AD输入端；
供电模块外部供电的电源通过两种方式，一种是通过排针外接干电池，一种是通过USB连接供电，当处于USB供电时，USB的上电信号通过一个分压电路产生一个适应Stm32单片机模块的电压信号输入到Stm32单片机模块的READ_EN，然后Stm32单片机模块的GATE端口控制芯片FDC6420C来控制外部干电池的电源开关，USB供电和干电池模块分开供电，当USB供电与干电池模块同时存在时，由USB供电，当只有干电池时由干电池供电。
2.根据权利要求1所述的应用于弹载测试的加速度记录装置，其特征在于，所述Stm32单片机模块采用的是Stm32F407系列芯片。
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