CN110057477A - 一种用于应变式力传感器的多通道交/直流激励的信号测量系统 - Google Patents

一种用于应变式力传感器的多通道交/直流激励的信号测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明为一种用于应变式力传感器的多通道交/直流激励的信号测量系统，以数字信号处理器DSP为核心，采用交/直流激励方式可选与交流激励频率可调的激励方案，采用激励频率与调制频段自动优化的数字控制方案，针对直流激励方式采用数字低通滤波、幅值修正和数字信号放大的处理流程，针对交流激励方式采用数字带通滤波、数字信号解调、矢量修正和数字信号放大的处理流程，实现对不同干扰环境下应变式力传感器的多通道、高精度信号测量，包括硬件系统和软件信号处理方法。本发明能够自动优化选择激励方式和信号处理流程，能对激励信号波动和线路寄生参数影响进行修正，实现对最多具有8个测量电桥的单个或多个应变式力传感器的高精度测量。

Description

一种用于应变式力传感器的多通道交/直流激励的信号测量 系统
技术领域
本发明涉及力检测领域，为一种应变式力传感器的信号测量系统，特别是一种以数字信号处理器为核心、可选择交流激励和直流激励方式并采用数字信号处理方法实现对不同干扰环境下应变式力传感器输出信号进行高精度测量的多通道信号测量系统。
背景技术
应变式力传感器由于具有结构简单、体积小、测量精度高、性能稳定等优点，在科学实验与工业自动化中被广泛应用。随着技术的发展，应变式力传感器已经不止用于单维力的测量，还被制成具有多个测量通道的一体化、结构紧凑的多维力/力矩传感器广泛用于科学试验和工业生产中的空间矢量力/力矩测量。应变式力传感器的主要测量单元由敏感元和测量电桥组成；在工作时需要向测量电桥施加电源激励，电桥上的电阻应变片则将敏感元的应变转换成电阻的变化从而使测量电桥输出与被测力大小成一定关系的电压信号。目前应用中，应变式力传感器的测量电桥一般采用直流供电方式对其进行激励，测量电桥的输出信号非常微弱，需要通过信号放大器进行高倍放大来增大信号强度，提高信噪比。然而，由于直流激励情况下应变式力传感器测量输出信号的有效频率分量分布在0 Hz到有限带宽的频带内，当其工作场合存在强低频干扰源时，低频干扰信号与传感器测量输出信号频带混叠，从而使得很难去除强低频干扰的影响，这往往使传感器无法正常工作。另外，随着硅应变技术的应用，应变式力传感器的固有频率得以提高；但是硅应变技术的温度特性相较于传统金属应变技术要差，经过温度补偿后，其信号零点也往往还是会随着温度、光环境的不同而发生低频漂移，从而影响测量精度。强低频干扰、温度漂移等因素大幅影响了直流激励情况下的应变式力传感器的测量性能，甚至使其无法正常工作。
采用交流电源来向应变式力传感器的测量电桥提供交流激励，将传感器输出的反映被测力大小的电压信号的有效频带由低频段调制到高频段，然后通过解调的方式还原被测信号至低频段则能有效避免强低频干扰、温度漂移等因素的影响。文献“How HighPrecision Measuring with Strain Gauge Transducers Can Be Realized”(JoachimNinke，Department of Instrument Science and Engineering，2005，第7卷，第5期)中即给出了一种采用高频激励与模拟信号解调的方案，用于应变式力传感器输出信号的测量，但该方案由于采用模拟解调技术，信号处理精度有限，且激励频率不灵活。德国HBM公司亦推出了高频激励的应变测量信号放大器HBMSCOUT55-4.8kHz，但该产品的激励频率固定，若环境中存在与激励频率相近的噪声，则同样会影响传感器的测量精度。
为此，本发明提供一种用于应变式力传感器的多通道交/直流激励的信号测量系统，以数字信号处理器DSP为核心，采用交/直流电源可选与交流激励频率可调的激励方案和激励频率与调制频段自动优化的数字控制与信号处理方案，实现对不同干扰环境下应变式力传感器的多通道、高精度信号测量。
发明内容
本发明要解决不同干扰环境下应变式力传感器受同频带噪声干扰而无法精确测量的问题，提供一种以数字信号处理器DSP为核心，采用交/直流激励与数字信号处理方案，能够根据环境噪声情况人为设置或自动选择激励方式、激励频率和测量带宽的多通道应变式力传感器信号测量系统。为简化描述，下述“传感器”均指“应变式力传感器”。
本发明所采用的技术方案是：以数字信号处理器DSP为核心，采用交/直流激励方式可选与交流激励频率可调的激励方案，采用激励频率与调制频段自动优化的数字控制方案，采用数字滤波、解调、修正、放大的信号处理方案，实现对不同干扰环境下应变式力传感器的多通道、高精度信号测量。具体地：当环境干扰主要为高频干扰时，系统采用直流激励的方式向传感器提供激励信号，使传感器输出信号的有效频段为实际被测力信号所处的低频段，进而通过数字滤波、幅值修正和放大的方式降低传感器输出信号的噪声，得到反应被测力变化的信号；当环境干扰中含有较强的低频干扰时，采用交流激励方式向传感器提供激励信号，将被测力信号由低频段调制到高频段以将传感器输出信号的有效频段与强低频干扰的频段分离，然后对检测到的传感器激励信号与输出信号先进行数字带通滤波以去除强低频干扰、再进行数字解调以将传感器输出信号还原到被测力信号实际所处的低频段、对解调后信号进行矢量修正以降低测量线路寄生参数的影响、最后对修正后的信号进行放大以提高信号幅值，从而得到反应被测力变化的信号；激励方式与激励频率均由系统根据直流激励方式下的传感器的静态输出进行自动计算优化，给出激励方式、激励频率和调制频段的推荐值，由人为确认设定到系统中，然后自动计算传感器信号处理过程中所需的数字滤波器系数和修正系数并控制系统的工作方式和信号处理流程；系统共设计8个测量通道，每个测量通道可独立开关，实现对最多具有8个测量电桥的单个或多个应变式力传感器的信号测量。
系统硬件主要由数字控制与信号处理模块、交/直流激励模块、信号调理与采样模块、信号输出模块、人机交互模块、通讯模块、电源管理模块组成。
数字控制与信号处理模块以高性能数字信号处理器DSP为核心，以满足系统激励频率与测量带宽的自动优化与正常测量过程中的多通道传感器信号实时处理的运算需求。数字控制与信号处理模块通过控制交/直流激励模块向应变式力传感器产生期望的直流或交流激励源，通过控制信号调理与采样模块对应变式力传感器的激励信号和输出信号进行调理并转换成数字信号，对采样得到的信号进行数字信号处理得到被测力的信号，然后将处理结果送到信号输出模块转换为模拟电压信号输出，亦可送到人机交互模块进行测量结果显示或通过通讯的方式远传输出；数字控制与信号处理模块还响应人机交互模块与通讯模块的操作指令，进行相应的工作参数设置。
交/直流激励模块由直流信号基准电路、直接数字频率合成电路DDS、模拟通道选择电路、信号放大滤波电路和功率放大电路组成，以根据环境干扰情况由数字控制与信号处理模块中的数字信号处理器DSP控制选择激励方式和激励频率。直流信号基准电路用于产生低噪声高精度的直流电压信号Vd，直接数字频率合成(DDS)电路由数字信号处理器DSP控制产生期望频率的并经过隔直电路隔直之后的交流电压信号Va；模拟通道选择电路由数字信号处理器DSP控制，在直流激励模式下选择Vd作为激励信号源Vs，在交流激励模式下选择Va作为激励信号源Vs；信号放大滤波电路则用于对Vs进行放大、滤波，以将Vs的电压幅值提升到期望的应变式力传感器的电桥激励电压幅值并滤除其中的噪声，得到信号Ve；功率放大电路用于对激励信号Ve进行功率放大得到激励驱动信号Ved以提高其电流驱动能力，使其最多能同时驱动8个测量电桥，从而使其具备对最多有8个测量通道的单个或多个应变式力传感器的激励驱动能力。
信号调理与采样模块由传感器接线端口、8组完全相同的信号调理电路ET1～ET8、偏置产生电路、模数转换电路ADC1和模数转换电路ADC2组成，用于对最多具有8个测量电桥的单个或多个应变式力传感器的激励信号和输出信号进行信号调理与模数转换。传感器接线端口用于连接本发明系统与传感器，以向各测量通道的传感器提供激励驱动信号Ved，并将各测量通道的传感器实际激励信号Vi+、Vi-和传感器输出信号Si+、Si-接入到信号调理与采样模块。第i组的信号调理电路ETi由传感器激励信号调理电路EEi和传感器输出信号调理电路TTi组成；传感器激励信号调理电路EEi由差分放大电路Aei和滤波电路Fei组成，先通过差分放大电路Aei对第i个测量通道的应变式力传感器的激励信号Vi+和Vi-进行放大，再通过滤波电路Fei对其进行滤波，得到第i个测量通道传感器激励信号的调理输出VVi，使其电压幅值尽量接近模数转换电路的输入量程并实现抗混叠和提高信噪比；传感器输出信号调理电路TTi由前置仪用差分放大电路Ati和二次放大滤波电路Fti组成，先通过前置仪用差分放大电路Ati对第i个测量通道的传感器输出信号Si+和Si-进行差分放大，同时采用偏置产生电路输出的第i路偏置信号Vbi对仪用差分放大电路Ati的输出进行偏置调整，然后通过二次放大滤波电路Fti对仪用差分放大电路Ati的输出进行二次放大和滤波，得到第i个测量通道传感器输出信号的调理输出SSi，以提高信号的幅值并实现抗混叠和提高信噪比。偏置产生电路由8通道、同步串行外设接口的数模转换器DAC2和8路一阶RC平滑滤波电路Fb1～Fb8组成，先由数字信号处理器DSP控制DAC2输出8路偏置信号VVb1～VVb8，再由8路平滑滤波电路Fb1～Fb8分别对其进行平滑滤波输出8路偏置信号Vb1～Vb8，分别提供给8组信号调理电路。模数转换电路ADC1和模数转换电路ADC2均由8通道、同步采样、并行接口的模数转换器组成，ADC1和ADC2均由数字信号处理器DSP控制同步采样，ADC1用于采集信号调理电路ET1～ET4的输出VV1～VV4和SS1～SS4，ADC2用于采集信号调理电路ET5～ET8的输出VV5～VV8和SS5～SS8，将其转换为数字信号，通过并行接口传输给数字信号处理器DSP。其中，i＝1,2,3,4,5,6,7,8。
信号输出模块由一个8通道、并行接口的数模转换器DAC1、输出平滑滤波电路和信号输出端口组成，先由数字信号处理器DSP控制将第i个通道的应变式力传感器信号的处理结果Yi对应输出到DAC1的第i个模拟通道得YYi，同时更新DAC1的各模拟通道的输出，然后由第i路平滑滤波电路对YYi进行平滑滤波，得到对应于系统的第i个测量通道输入Si+、Si-的处理结果的模拟输出信号SOi，并通过信号输出端口输出。其中，i＝1,2,3,4,5,6,7,8。
人机交互模块由4×4矩阵按键、8个通道开关按键和1个点阵液晶模块组成；4×4矩阵按键用于设置系统的激励方式、激励频率、测量带宽、信号增益、噪声参数等工作参数，8个通道开关用于8个测量通道的独立开、关操作，1个点阵液晶模块用于显示参数设定结果、系统工作状态以及各通道的测量结果。
通讯模块由RS232电平转换电路和通讯端口组成，与数字信号处理器DSP的异步串行通讯接口连接，通讯端口采用标准的RS232 DB9口，实现上位机对系统工作参数的配置和测量结果的读取。
电源管理模块由电源端口、DC/DC变换器DV1、DC/DC变换器DV2、线性稳压器DV3、线性稳压器DV4、线性稳压器DV5、双通道低压差线性稳压器DV6组成，用于将为系统供电的+15V直流电源转换为系统各模块工作所需要的模拟电源+12V、-12V、+5V和数字电源5V、3.3V、1.8V。电源端口用于将外部提供的+15V直流电源提供给系统；DC/DC变换器DV1用于将+15V直流电源转换为数字电源5V；双通道低压差线性稳压器DV6用于将数字电源5V转换为数字电源3.3V和1.8V；线性稳压器DV3用于将+15V直流电源转换为模拟电源+12V；线性稳压器DV4用于将模拟电源+12V转换为模拟电源+5V；DC/DC变换器DV2用于将+15V直流电源转换为-15V直流电源，线性稳压器DV5用于将-15V直流电源转换为模拟电源-12V。
系统软件信号处理主要包括激励方式自动优化、工作参数自动获取、传感器信号处理。激励方式自动优化用于在不同干扰环境下由系统自动分析计算给出推荐的激励方式和激励频率，然后由人为确认设定；工作参数自动获取用于在人为确认设定激励方式与激励频率后自动计算后续传感器信号处理过程中所要用到的数字滤波器参数和交流激励方式下为降低测量线路寄生参数影响而需要用到的各测量通道的矢量修正系数；传感器信号处理则根据激励方式的不同分为直流激励信号处理和交流激励信号处理，以分别用于直、交流激励方式下应变式力传感器信号的处理，获取反映被测力大小的准确测量信号。
激励方式自动优化流程包括噪声参数设定、测量带宽设定、通道优先设定和有效调制频段分析三步，以针对不同干扰环境自动给出推荐的系统激励方式和激励频率。噪声参数设定用于人为通过人机交互模块或通讯方式设定信号测量噪声谱的允许均值mq和允许方差δq。测量带宽设定用于人为通过人机交互模块或通讯方式设定系统的期望测量带宽fbd。通道优先设定用于人为通过人机交互模块或通讯方式设定激励方式自动优化所依据的测量通道，可设为各已开启的测量通道中的任意一个通道或所有开启的测量通道。有效调制频段分析则通过数字信号处理器DSP控制交/直流激励模块采用直流激励的方式向静态工作下的传感器提供直流激励信号；由信号调理与采样模块采集通道优先设定中选定的某一个测量通道或所有开启的测量通道的传感器输出信号，并送给数字信号处理器DSP；DSP对所采集的测量通道均等长度记录M组数据、每个测量通道每段数据的点数为N；对所有数据去均值，根据各测量通道传感器的电压-力转换关系将各测量通道去均值后的数据转换成力信号并与其量程相除以进行归一化；将每组各测量通道归一化后的相同时间点的数据进行均方根运算，以将每组所有通道的数据合并成1段长度为N点的数据，M组数据共合并成M段数据，然后对M段合并数据进行离散频谱分析，计算各频率点噪声谱的均值mi和方差δi；将各频率点噪声谱的均值mi和方差δi与设定的噪声谱允许均值mq和允许方差δq比较；其中，i为离散频谱分析结果的各频点序号，i＝0,1,2,…,N-1；若存在连续频段[fmin_k,fmax_k]且fmin_k＝0时fmax_k≥fbd或fmin_k≠0时(fmax_k-fmin_k)/2≥fbd，使得在该连续频段内均满足mi≤mq、δi≤δq，则视[fmin_k,fmax_k]为一个有效调制频段，据此获得[fmin_1,fmax_1]、[fmin_2,fmax_2]、……、[fmin_Q,fmax_Q]共计Q个有效调制频段；若不存在有效调制频段，则返回到噪声参数设定与测量带宽设定流程，人为重新设定mq、δq和fbd，直至能够获取到有效调制频段；对于获取的Q个有效调制频段，计算每个有效调制频段中各频点噪声谱均值mi的均值，设其中第k个有效调制频段[fmin_k,fmax_k]的首、尾频点序号分别为ak和bk，则该有效调制频段中各频点噪声谱均值mi的均值的算式为其中，k＝1,2,3,…,Q；取最小的有效调制频段[fmin_k,fmax_k]作为系统推荐调制频段，若fmin_k＝0则系统推荐激励方式为直流激励方式，若fmin_k≠0则系统推荐激励方式为交流激励方式且推荐激励频率fe＝fmin_k+(fmax_k-fmin_k)/2。系统具体采用的激励方式、激励频率均由人为通过人机交互模块或通讯方式在参考系统推荐的激励方式和激励频率情况下进行设定。
工作参数自动获取包括在直流激励方式下自动获取数字低通滤波器H1的系数，在交流激励方式下自动获取数字带通滤波器H2的系数以及矢量修正系数。直流激励方式下，数字低通滤波器H1采用无限冲击响应形式的二阶巴特沃斯滤波器，H1的系数直接根据设定的系统测量带宽fbd来计算，使H1的截止频率为fbd。交流激励方式下，数字带通滤波器H2采用无限冲击响应形式的二阶巴特沃斯滤波器，H2的系数根据激励频率fe和测量带宽fbd计算，使H2的中心频率为激励频率fe、带宽下限为fe-fbd、带宽上限为fe+fbd；各测量通道矢量修正系数ci根据各测量通道的增益修正系数gi和相位修正系数计算而得；增益修正系数gi和相位修正系数均在传感器处于交流激励和静态工况下计算，gi为传感器处于静态工况下输出信号SSi和激励信号VVi在激励频率fe处的增益系数，为传感器处于静态工况下输出信号SSi和激励信号VVi在激励频率fe处的相位差，即
则各测量通道的矢量修正系数ci为
传感器信号处理包括直流激励信号处理和交流激励信号处理。
(1)直流激励信号处理主要针对系统工作在直流激励方式下传感器信号的处理。直流激励信号处理流程依次为数字低通滤波→幅值修正→数字信号放大。具体处理流程为：
①采用数字低通滤波器H1对系统各测量通道采集到的传感器激励信号VVi和输出信号SSi分别进行实时数字低通滤波，得到VVi的滤波结果VVxi和SSi的滤波结果SSyi，即
VVxi＝VVi*H1
SSyi＝SSi*H1
上式中，*为线性卷积运算。
②采用VVxi对SSyi进行幅值修正，得各测量通道信号处理的幅值修正结果Syi，即
Syi＝SSyi/VVxi。
③将幅值修正结果Syi乘以各测量通道设定的增益Gi得到直流激励情况下各测量通道信号处理的最终结果Yi，即
Yi＝Syi·Gi。
上式中，增益Gi由人为通过人机交互模块或通讯方式直接设定。
(2)交流激励信号处理主要针对系统工作在交流激励方式下传感器信号的处理。交流激励信号处理流程依次为数字带通滤波→数字信号解调→矢量修正→数字信号放大，以将交流激励情况下被调制到高频段的力信号还原到被测力信号实际所处的低频段，同时克服噪声干扰的影响。具体处理流程为：
①采用数字带通滤波器H2对系统各测量通道采集到的传感器激励信号VVi和输出信号SSi分别进行实时数字带通滤波，得到VVi的滤波结果VVxi和SSi的滤波结果SSyi，即
VVxi＝VVi*H2
SSyi＝SSi*H2
上式中，*为线性卷积运算。
②计算VVxi最近L个数据点的幅值均方和AVi，计算VVxi与SSyi最近L个数据点积之和的均值SVi，将SVi除以AVi得到数字信号解调结果Sdi，即
Sdi＝SVi/AVi
上式中，L为正整数，其取值要求使得L乘以信号采样周期为交流激励周期的整数倍；k表示当前数据点时刻，k-n表示当前时刻之前的第n个数据点时刻。
③采用各测量通道的矢量修正系数ci对各自测量通道的数字信号解调结果Sdi进行幅值修正得Syi，以降低测量线路寄生参数引起的幅值增益误差和相位误差，即
Syi＝ci·Sdi
④将矢量修正结果Syi乘以各测量通道设定的增益Gi得到交流激励情况下各测量通道信号处理的最终结果Yi，即
Yi＝Syi·Gi。
上式中，增益Gi由人为通过人机交互模块或通讯方式直接设定。
本发明的工作过程为：将应变式力传感器测量电桥接入到本发明系统后，首先，通过8个通道开关人为关闭不使用的测量通道、开启使用的测量通道；然后，通过人机交互模块或通讯方式设定各测量通道的增益Gi，并直接设置系统的激励方式、激励频率、测量带宽，或在应变式力传感器处于静态工况下先触发系统运行“激励方式自动优化”的程序给出推荐的激励方式、激励频率，再由人为确认设定；设置完激励方式、激励频率和测量带宽后，系统即自动计算出直流激励方式下所用到的数字低通滤波器H1的系数或交流激励方式下所用到的数字带通滤波器H2的系数及系统各测量通道的矢量修正系数ci；系统根据设定的激励方式和激励频率控制交/直流激励模块产生相应的交流或直流激励信号向系统各测量通道的传感器提供激励，控制信号调理与采样模块完成对开启的测量通道的传感器激励信号与输出信号的调理与同步采样，转换成数字信号后送给数字控制与信号处理模块中的数字信号处理器DSP；直流激励方式下数字信号处理器DSP采用直流激励信号处理流程对采集的信号进行处理，交流激励方式下数字信号处理器DSP采用交流激励信号处理流程对采集的信号进行处理；信号处理结束后，系统将各开启的测量通道的信号处理结果Yi依次送到信号输出模块数模转换器DAC1的对应通道中转化为模拟信号并同步输出，从而得到各通道的测量结果SOi，同时将处理结果显示在人机交互模块的液晶屏上或通过通讯方式远传。
本发明的积极效果是：对于应变式力传感器的信号测量问题，能够针对不同的干扰环境选择直流激励或交流激励的方式，采用数字信号处理的方法，能让应变式力传感器输出信号的有效频段避开强干扰频段，从而能有效提高强干扰环境下应变式力传感器的测量精度。其特征在于：系统以数字信号处理器DSP为核心，采用交/直流激励方式可选与交流激励频率可调的激励方案，采用激励频率与调制频段自动优化的数字控制方案，采用数字滤波、解调、修正、放大的信号处理方案，具有8个相同的测量通道，能够实现对最多具有8个测量电桥的应变式力传感器的信号测量。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是本发明的第i个测量通道的传感器接线端子与应变全桥电路的6线制接法示意图，i＝1,2,3,…,8；
图3是本发明的第i组信号调理电路ETi的电路拓扑结构图，i＝1,2,3,…,8；
图4是本发明的偏置产生电路的功能拓扑结构图；
图5是本发明的电源管理模块的拓扑结构图；
图6是本发明的软件信号处理流程图；
图7是本发明的激励方式自动优化流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明的设计思想是：针对不同干扰环境下的应变式力传感器的信号测量问题，采用直流或不同频率的交流激励方式向应变式力传感器的测量电桥提供激励信号，对被测力信号进行调制，将传感器输出的有效信号频段由被测力信号实际所处的低频段调制到受噪声干扰较小的频段以将其与噪声频段分离；然后，对传感器的激励信号和输出信号进行模拟信号调理和同步采样，将其转换为数字信号并送给数字信号处理器DSP进行数字处理；数字信号处理器DSP通过对信号进行数字滤波、解调、修正和放大的处理来获得能反映实际被测力变化的处理结果，并将其以液晶显示、通讯远传和模拟电压信号的方式输出。为实现将传感器输出的有效信号频段调制到噪声干扰最小的频段中，由系统根据直流激励方式下的传感器的静态输出进行自动优化计算，给出激励方式、激励频率和调制频段的推荐值，由人为确认设定到系统中，从而优化系统的激励方式。若环境中的噪声干扰主要为高频干扰，系统采用直流激励方式，在数字信号处理过程中，先对采集的传感器激励信号和输出信号进行低通滤波以滤除高频噪声，然后将滤波后的输出信号除以激励信号进行幅值修正以克服激励信号波动漂移的影响，最后将修正结果乘以设定的增益系数以将信号放大到期望的幅值大小从而得到力信号测量结果；若环境中的噪声干扰中含有严重的低频干扰分量，系统采用交流激励方式，在数字信号处理过程中，先对传感器激励信号和输出信号进行带通滤波以将激励信号和输出信号中位于传感器输出信号有效频段之外的噪声滤除，再采用滤波后的激励信号对输出信号进行数字解调以将其还原到被测力信号实际所处的低频段，然后根据事先在静态工况下获得的传感器激励信号与输出信号之间的幅值关系与相角关系对前述解调结果进行矢量修正以克服测量线路寄生参数的影响，最后将修正结果乘以设定的增益系数以将信号放大到期望的幅值大小从而得到力信号的测量结果。系统共设计8个测量通道，每个通道可独立开关，以实现对最多具有8个测量电桥的单个或多个应变式力传感器的信号测量。
本发明的用于应变式力传感器的多通道交/直流激励的信号测量系统框图如图1所示，包括数字控制与信号处理模块1、交/直流激励模块2、信号调理与采样模块3、信号输出模块4、人机交互模块5、通讯模块6和电源管理模块7。数字控制与信号处理模块1为系统控制与信号处理核心，控制系统的工作方式、信号处理流程、人机交互操作及通讯等；交/直流激励模块2由数字控制与信号处理模块1控制，用于向应变式力传感器提供电压幅值与电流驱动能力均满足要求的直流激励信号或特定频率的交流激励信号；信号调理与采样模块3用于对应变式力传感器的激励信号与输出信号进行模拟信号放大、滤波等调理，并通过模数转换电路将其转换为数字信号送给数字控制与信号处理模块1；信号输出模块4用于将数字控制与信号处理模块1的信号处理结果转换为模拟电压信号并进行平滑滤波输出；人机交互模块5用于系统测量通道的开/关控制、系统工作参数的设定、系统工作信息和测量结果的显示；通讯模块6用于将系统的串口通讯信号电平转换为RS232电平，实现与计算机的远程交互和监控；电源管理模块7用于将系统外部提供的电源转换为系统内部各模块工作所需要的电源。
所述数字控制与信号处理模块1由数字信号处理器DSP及其时钟、复位和JTAG接口电路组成。数字信号处理器DSP为系统的控制和信号处理核心；时钟、复位和JTAG接口电路为数字信号处理器DSP的正常工作提供时钟信号、复位信号和程序下载调试接口。
所述交/直流激励模块2由直流信号基准电路、直接数字频率合成电路DDS、模拟通道选择电路、信号放大滤波电路和功率放大电路组成。直流信号基准电路产生低噪声高精度的直流电压信号Vd，直接数字频率合成电路DDS由数字控制与信号处理模块1中的数字信号处理器DSP通过同步串行外设接口SPI控制产生期望频率的并经过隔直电路隔直之后的交流电压信号Va；模拟通道选择电路由DSP控制，在直流激励模式下选择Vd作为激励信号源Vs，在交流激励模式下选择Va作为激励信号源Vs；信号放大滤波电路为由单个运算放大器搭建的放大和二阶低通滤波电路，用于对Vs进行放大、滤波，以将Vs的电压幅值提升到期望的应变式力传感器的激励电压幅值并滤除其中的噪声，得到信号Ve；功率放大电路采用功率放大器搭建，用于对信号Ve进行功率放大以提高其电流驱动能力，得到激励驱动信号Ved，使其最多能同时驱动具有8个测量电桥的单个或多个应变式力传感器。
所述信号调理与采样模块3由传感器接线端口、8组完全相同的信号调理电路ET1～ET8、偏置产生电路、模数转换电路ADC1和模数转换电路ADC2组成，用于对最多具有8个测量电桥的单个或多个应变式力传感器的激励信号和输出信号进行信号调理与模数转换。传感器接线端口用于连接本发明系统与传感器；该端口针对系统的每个测量通道均提供6个接线端子；各测量通道的6个接线端子分别用于将交/直流激励模块2中产生的激励驱动信号Ved及其参考地GND提供给传感器，并将传感器的差分激励信号Vi+/Vi-和差分输出信号Si+/Si-接入到系统的信号调理与采样模块3，从而在不同应用场合可以针对应变全桥形式的传感器提供6线制接法或4线制接法、针对应变半桥形式的传感器提供5线制接法或3线制接法；图2所示即为系统第i个测量通道的传感器接线端子与应变全桥电路的6线制接法示意图。信号调理电路ETi的电路拓扑结构如图3所示，由传感器激励信号调理电路EEi和传感器输出信号调理电路TTi组成。传感器激励信号调理电路EEi由差分放大电路Aei和滤波电路Fei组成；差分放大电路Aei由运算放大器Ui1、电阻Ri1、Ri2、Ri3、Ri4组成，Ri1＝Ri2，Ri3＝Ri4，放大倍数为Ri3/Ri1；滤波电路Fei由运算放大器Ui2、电阻Ri5、Ri6和电容Ci1、Ci2组成，为二阶低通滤波器，滤波截止频率由Ri5、Ri6、Ci1、Ci2决定，滤波截止频率设置为交流激励方式下最高激励频率的1.5倍～2倍之间；传感器的差分激励信号Vi+、Vi-先通过差分放大电路Aei放大、再通过滤波电路Fei滤波，得到系统第i个测量通道传感器激励信号的调理输出VVi。传感器输出信号调理电路TTi由前置仪用差分放大电路Ati和二次放大滤波电路Fti组成；前置仪用差分放大电路Ati由仪表放大器Ui3、电阻Ri7、Ri8、Ri9、Ri10和精密电阻RJi组成，Ri7＝Ri8，Ri9＝Ri10，放大倍数由RJi决定；二次放大滤波电路Fti由运算放大器Ui4、电阻Ri11、Ri12、Ri13、Ri14和电容Ci3、Ci4组成，二次放大倍数为1+Ri14/Ri13，其滤波功能为二阶低通滤波，滤波截止频率由Ri11、Ri12、Ci3、Ci4决定，二次放大滤波电路Fti的截止频率和频域特性设置为与滤波电路Fei相同；传感器的差分输出信号Si+、Si-先通过前置仪用差分放大电路Ati进行差分放大，同时将偏置产生电路输出的第i路偏置信号Vbi提供给仪表放大器Ui3的基准输入端REF以对其输出进行偏置调整，然后由二次放大滤波电路Fti对仪用差分放大电路Ati的输出进行二次放大和滤波，得到第i个测量通道传感器输出信号的调理输出SSi。偏置产生电路的功能拓扑结构如图4所示，由8通道、同步串行通讯接口的数模转换器DAC2和8路完全相同的平滑滤波电路Fb1～Fb8组成；DAC2与数字信号处理器DSP之间采用同步串行外设接口SPI连接来传输数据；平滑滤波电路Fbi采用一阶RC滤波电路；偏置产生电路先由数字信号处理器DSP控制DAC2输出8路偏置信号VVb1～VVb8，8路偏置信号VVb1～VVb8再分别通过8路平滑滤波电路Fb1～Fb8进行平滑滤波输出8路偏置信号Vb1～Vb8，分别提供给8组信号调理电路ET1～ET8。模数转换电路ADC1和模数转换电路ADC2均由一个8通道、同步采样、并行接口的模数转换器组成，均由数字信号处理器DSP控制同步采样；ADC1用于采集信号调理电路ET1～ET4的输出VV1～VV4和SS1～SS4，ADC2用于采集信号调理电路ET5～ET8的输出VV5～VV8和SS5～SS8，将其转换为数字信号；ADC1和ADC2的转换结果均通过DSP的并行总线接口XINTF传递给DSP。其中，i表示系统的测量通道的序号，i＝1,2,3,4,5,6,7,8。
所述信号输出模块4由一个8通道、并行接口的数模转换器DAC1、输出平滑滤波电路和信号输出端口组成；DAC1与数字信号处理器DSP之间采用DSP的并行总线接口XINTF传输数据；输出平滑滤波电路由8路完全相同的采用运算放大器和电阻、电容搭建的二阶低通滤波器组成，二阶低通滤波器的电路拓扑结构与信号调理与采样模块3中的滤波电路Fei相同，截止频率设为力信号最大测量带宽的1.5～2倍；信号输出端口针对系统的每个测量通道均提供2个接线端子，用于输出各测量通道的模拟电压信号和参考地；信号输出模块4先由数字信号处理器DSP控制将第i个测量通道的传感器信号的处理结果Yi对应输出到DAC1的第i个模拟通道得YYi，同时更新DAC1的各模拟通道的输出，然后由第i路的输出平滑滤波电路对YYi进行平滑滤波，得到对应于系统的第i个测量通道输入Si+、Si-的处理结果的模拟输出信号SOi，由信号输出端口输出。其中，i＝1,2,3,4,5,6,7,8。
所述人机交互模块5由4×4矩阵按键、8个通道开关按键和1个点阵液晶组成；4×4矩阵按键采用数字控制与信号处理模块1中数字信号处理器DSP的通用输入/输出口GPIO进行扫描检测，用于设置系统的激励方式、激励频率、测量带宽、信号增益、噪声参数等工作参数；8个通道开关采用DSP的GPIO进行扫描，用于8个测量通道的独立开、关操作；1个点阵液晶模块与DSP之间采用DSP的并行总线接口XINTF进行数据的传递，用于显示参数设定结果、系统工作状态以及各通道的测量结果。
所述通讯模块6由RS232电平转换电路和通讯端口组成，与数字信号处理器DSP的异步串行通讯接口SCI连接，将DSP串行通讯信号的逻辑电平转换为RS232电平；通讯端口采用标准的RS232 DB9接口，实现系统与远程监控机之间的交互。
所述电源管理模块7的拓扑结构如图5所示，由电源端口、DC/DC变换器DV1、DC/DC变换器DV2、线性稳压器DV3、线性稳压器DV4、线性稳压器DV5、双通道低压差线性稳压器DV6组成，用于将外部提供的+15V直流电源转换为系统各模块工作所需要的模拟电源+12V、-12V、+5V和数字电源5V、3.3V、1.8V。电源端口包括两个接线端子，用于接入外部供电的+15V直流电源及其参考地；DC/DC变换器DV1用于将外部提供的+15V直流电源转换为数字电源5V；双通道低压差线性稳压器DV6用于将数字电源5V转换为数字电源3.3V和1.8V；线性稳压器DV3用于将外部提供的+15V直流电源转换为模拟电源+12V；线性稳压器DV4用于将模拟电源+12V转换为模拟电源+5V；DC/DC变换器DV2用于将外部提供的+15V直流电源转换为-15V直流电源，线性稳压器DV5用于将-15V直流电源转换为模拟电源-12V。
系统软件信号处理主要包括激励方式自动优化、工作参数自动获取、传感器信号处理，软件信号处理流程如图6所示。激励方式自动优化用于在不同干扰环境下由系统自动分析计算给出推荐的传感器激励方式和激励频率，然后由人为确认设定；工作参数自动获取用于在人为确认设定激励方式与激励频率后自动计算后续传感器信号处理过程中所要用到的数字滤波器参数和交流激励方式下为降低测量线路寄生参数影响而需要用到的各测量通道的矢量修正系数；传感器信号处理则根据激励方式的不同分为直流激励信号处理和交流激励信号处理，以分别用于直、交流激励方式下应变式力传感器信号的处理，获取反映被测力大小的准确测量信号。
所述激励方式自动优化流程如图7所示，包括噪声参数设定、测量带宽设定、通道优先设定和有效调制频段分析三步，以针对不同干扰环境自动给出推荐的系统激励方式和激励频率。噪声参数设定用于人为通过人机交互模块5或通讯方式设定信号测量噪声谱的允许均值mq和允许方差δq。测量带宽设定用于人为通过人机交互模块5或通讯方式设定系统的期望测量带宽fbd。通道优先设定用于人为通过人机交互模块5或通讯方式设定激励方式自动优化所依据的测量通道，可设为各已开启的测量通道中的任意一个通道或所有开启的测量通道。有效调制频段分析则通过数字信号处理器DSP控制交/直流激励模块2采用直流激励的方式向静态工作下的传感器提供直流激励信号；由信号调理与采样模块3采集通道优先设定中选定的某一个测量通道或所有开启的测量通道的传感器输出信号，并送给数字信号处理器DSP；DSP对所采集的测量通道均等长度记录M组数据、每个测量通道每段数据的点数为N；对所有数据去均值，根据各测量通道传感器的电压-力转换关系将各测量通道去均值后的数据转换成力信号并与其量程相除以进行归一化；将每组各测量通道归一化后的相同时间点的数据进行均方根运算，以将每组所有通道的数据合并成1段长度为N点的数据，M组数据共合并成M段数据，然后对M段合并数据进行离散频谱分析，计算各频率点噪声谱的均值mi和方差δi；将各频率点噪声谱的均值mi和方差δi与设定的噪声谱允许均值mq和允许方差δq比较；其中，i为离散频谱分析结果的各频点序号，i＝0,1,2,…,N-1；若存在连续频段[fmin_k,fmax_k]且fmin_k＝0时fmax_k≥fbd或fmin_k≠0时(fmax_k-fmin_k)/2≥fbd，使得在该连续频段内均满足mi≤mq、δi≤δq，则视[fmin_k,fmax_k]为一个有效调制频段，据此获得[fmin_1,fmax_1]、[fmin_2,fmax_2]、……、[fmin_Q,fmax_Q]共计Q个有效调制频段；若不存在有效调制频段，则返回到噪声参数设定与测量带宽设定流程，人为重新设定mq、δq和fbd，直至能够获取到有效调制频段；对于获取的Q个有效调制频段，计算每个有效调制频段中各频点噪声谱均值mi的均值，设其中第k个有效调制频段[fmin_k,fmax_k]的首、尾频点序号分别为ak和bk，则该有效调制频段中各频点噪声谱均值mi的均值的算式为其中，k＝1,2,3,…,Q；取最小的有效调制频段[fmin_k,fmax_k]作为系统推荐的调制频段；若fmin_k＝0则系统推荐激励方式为直流激励方式，若fmin_k≠0则系统推荐激励方式为交流激励方式且推荐激励频率fe＝fmin_k+(fmax_k-fmin_k)/2。系统具体采用的激励方式、激励频率均由人为通过人机交互模块或通讯方式在参考系统推荐的激励方式和激励频率情况下进行设定。
所述工作参数自动获取包括在直流激励方式下自动获取数字低通滤波器H1的系数，在交流激励方式下自动获取数字带通滤波器H2的系数以及矢量修正系数。直流激励方式下，数字低通滤波器H1采用无限冲击响应形式的二阶巴特沃斯滤波器，H1的系数直接根据设定的系统测量带宽fbd来计算，使H1的截止频率为fbd。交流激励方式下，数字带通滤波器H2采用无限冲击响应形式的二阶巴特沃斯滤波器，H2的系数根据激励频率fe和测量带宽fbd计算，使H2的中心频率为激励频率fe、带宽下限为fe-fbd、带宽上限为fe+fbd；各测量通道矢量修正系数ci根据各测量通道的增益修正系数gi和相位修正系数计算而得；增益修正系数gi和相位修正系数均在传感器处于交流激励和静态工况下计算，gi为传感器处于静态工况下输出信号SSi和激励信号VVi在激励频率fe处的增益系数，为传感器处于静态工况下输出信号SSi和激励信号VVi在激励频率fe处的相位差，即
则各测量通道的矢量修正系数ci为
所述传感器信号处理包括直流激励信号处理和交流激励信号处理。
(1)直流激励信号处理主要针对系统工作在直流激励方式下传感器信号的处理。直流激励信号处理流程依次为数字低通滤波→幅值修正→数字信号放大。具体处理流程为：
①采用数字低通滤波器H1对系统各测量通道采集到的传感器激励信号VVi和输出信号SSi分别进行实时数字低通滤波，得到VVi的滤波结果VVxi和SSi的滤波结果SSyi，即
VVxi＝VVi*H1
SSyi＝SSi*H1
上式中，*为线性卷积运算。
②采用VVxi对SSyi进行幅值修正，得各测量通道信号处理的幅值修正结果Syi，即
Syi＝SSyi/VVxi。
③将幅值修正结果Syi乘以各测量通道设定的增益Gi得到直流激励情况下各测量通道信号处理的最终结果Yi，即
Yi＝Syi·Gi。
上式中，增益Gi由人为通过人机交互模块或通讯方式直接设定。
(2)交流激励信号处理主要针对系统工作在交流激励方式下传感器信号的处理。交流激励信号处理流程依次为数字带通滤波→数字信号解调→矢量修正→数字信号放大，以将交流激励情况下被调制到高频段的力信号还原到被测力信号实际所处的低频段，同时克服噪声干扰的影响。具体处理流程为：
①采用数字带通滤波器H2对系统各测量通道采集到的传感器激励信号VVi和输出信号SSi分别进行实时数字带通滤波，得到VVi的滤波结果VVxi和SSi的滤波结果SSyi，即
VVxi＝VVi*H2
SSyi＝SSi*H2
上式中，*为线性卷积运算。
②计算VVxi最近L个数据点的幅值均方和AVi，计算VVxi与SSyi最近L个数据点积之和的均值SVi，将SVi除以AVi得到数字信号解调结果Sdi，即
Sdi＝SVi/AVi
上式中，L为正整数，其取值要求使得L乘以信号采样周期为交流激励周期的整数倍；k表示当前数据点时刻，k-n表示当前时刻之前的第n个数据点时刻。
③采用各测量通道的矢量修正系数ci对各自测量通道的数字信号解调结果Sdi进行幅值修正得Syi，以降低测量线路寄生参数引起的幅值增益误差和相位误差，即
Syi＝ci·Sdi
④将矢量修正结果Syi乘以各测量通道设定的增益Gi得到交流激励情况下各测量通道信号处理的最终结果Yi，即
Yi＝Syi·Gi。
上式中，增益Gi由人为通过人机交互模块或通讯方式直接设定。
本发明工作过程中，系统只对开启的测量通道进行所述的激励方式自动优化、工作参数自动获取和传感器信号处理；若系统正常工作过程中，某个测量通道由关闭状态切换到开启状态，则其采用与其它测量通道相同的激励方式进行激励，交流激励方式下传感器信号处理过程中的矢量修正系数默认为1；可让传感器处于静态工况，通过人机交互模块或通讯方式重新触发系统执行“激励方式自动优化”或“工作参数自动获取”程序来重新初始化所有开启的测量通道的激励方式或工作参数。

Claims (5)

1.一种用于应变式力传感器的多通道交/直流激励的信号测量系统，用于在不同干扰环境下选择直流激励或交流激励的方式，将被测力信号频段与强干扰信号频段分离，实现对应变式力传感器信号的高精度测量，包括硬件系统和软件信号处理方法，其特征在于：
系统以数字信号处理器DSP为核心，采用交/直流激励方式可选与交流激励频率可调的激励方案，采用激励频率与调制频段自动优化的数字控制方案，采用数字滤波、解调、修正、放大的信号处理方案，实现对不同干扰环境下应变式力传感器的多通道、高精度信号测量；
系统硬件主要由数字控制与信号处理模块、交/直流激励模块、信号调理与采样模块、信号输出模块、人机交互模块、通讯模块、电源管理模块组成；数字控制与信号处理模块以高性能数字信号处理器DSP为核心，以满足系统激励频率与测量带宽的自动优化与正常测量过程中的多通道传感器信号实时处理的运算需求；数字控制与信号处理模块通过控制交/直流激励模块向应变式力传感器产生期望的直流或交流激励源，通过控制信号调理与采样模块对应变式力传感器的激励信号和输出信号进行调理并转换成数字信号，对采样得到的信号进行数字信号处理得到被测力的信号，然后将处理结果送到信号输出模块转换为模拟电压信号输出，亦可送到人机交互模块进行测量结果显示或通过通讯的方式远传输出；数字控制与信号处理模块还响应人机交互模块与通讯模块的操作指令，进行相应的工作参数设置；
系统软件信号处理主要包括激励方式自动优化、工作参数自动获取、传感器信号处理；激励方式自动优化用于在不同干扰环境下由系统自动分析计算给出推荐的激励方式和激励频率，然后由人为确认设定；工作参数自动获取用于在人为确认设定激励方式与激励频率后自动计算后续传感器信号处理过程中所要用到的数字滤波器参数和交流激励方式下为降低测量线路寄生参数影响而需要用到的各测量通道的矢量修正系数；传感器信号处理则根据激励方式的不同分为直流激励信号处理和交流激励信号处理，以分别用于直、交流激励方式下应变式力传感器信号的处理，获取反映被测力大小的准确测量信号。
2.如权利要求1所述的一种用于应变式力传感器的多通道交/直流激励的信号测量系统，其特征在于：硬件系统包含的数字控制与信号处理模块、交/直流激励模块、信号调理与采样模块、信号输出模块、人机交互模块、通讯模块、电源管理模块的结构如下：
所述数字控制与信号处理模块由数字信号处理器DSP及其时钟、复位和JTAG接口电路组成；数字信号处理器DSP为系统的控制和信号处理核心；时钟、复位和JTAG接口电路为数字信号处理器DSP的正常工作提供时钟信号、复位信号和程序下载调试接口；
所述交/直流激励模块由直流信号基准电路、直接数字频率合成电路DDS、模拟通道选择电路、信号放大滤波电路和功率放大电路组成；直流信号基准电路产生低噪声高精度的直流电压信号Vd，直接数字频率合成电路DDS由数字控制与信号处理模块中的数字信号处理器DSP通过同步串行外设接口SPI控制产生期望频率的并经过隔直电路隔直之后的交流电压信号Va；模拟通道选择电路由DSP控制，在直流激励模式下选择Vd作为激励信号源Vs，在交流激励模式下选择Va作为激励信号源Vs；信号放大滤波电路为由单个运算放大器搭建的放大和二阶低通滤波电路，用于对Vs进行放大、滤波，以将Vs的电压幅值提升到期望的应变式力传感器的激励电压幅值并滤除其中的噪声，得到信号Ve；功率放大电路采用功率放大器搭建，用于对信号Ve进行功率放大以提高其电流驱动能力，得到激励驱动信号Ved，使其最多能同时驱动具有8个测量电桥的单个或多个应变式力传感器；
所述信号调理与采样模块由传感器接线端口、8组完全相同的信号调理电路ET1～ET8、偏置产生电路、模数转换电路ADC1和模数转换电路ADC2组成，用于对最多具有8个测量电桥的单个或多个应变式力传感器的激励信号和输出信号进行信号调理与模数转换；传感器接线端口用于连接本发明系统与传感器；该端口针对系统的每个测量通道均提供6个接线端子；各测量通道的6个接线端子分别用于将交/直流激励模块中产生的激励驱动信号Ved及其参考地GND提供给传感器，并将传感器的差分激励信号Vi+/Vi-和差分输出信号Si+/Si-接入到系统的信号调理与采样模块，从而在不同应用场合可以针对应变全桥形式的传感器提供6线制接法或4线制接法、针对应变半桥形式的传感器提供5线制接法或3线制接法；信号调理电路ETi由传感器激励信号调理电路EEi和传感器输出信号调理电路TTi组成；传感器激励信号调理电路EEi由差分放大电路Aei和滤波电路Fei组成；差分放大电路Aei由运算放大器Ui1、电阻Ri1、Ri2、Ri3、Ri4组成，Ri1＝Ri2，Ri3＝Ri4，放大倍数为Ri3/Ri1；滤波电路Fei由运算放大器Ui2、电阻Ri5、Ri6和电容Ci1、Ci2组成，为二阶低通滤波器，滤波截止频率由Ri5、Ri6、Ci1、Ci2决定，滤波截止频率设置为交流激励方式下最高激励频率的1.5倍～2倍之间；传感器的差分激励信号Vi+、Vi-先通过差分放大电路Aei放大、再通过滤波电路Fei滤波，得到系统第i个测量通道传感器激励信号的调理输出VVi；传感器输出信号调理电路TTi由前置仪用差分放大电路Ati和二次放大滤波电路Fti组成；前置仪用差分放大电路Ati由仪表放大器Ui3、电阻Ri7、Ri8、Ri9、Ri10和精密电阻RJi组成，Ri7＝Ri8，Ri9＝Ri10，放大倍数由RJi决定；二次放大滤波电路Fti由运算放大器Ui4、电阻Ri11、Ri12、Ri13、Ri14和电容Ci3、Ci4组成，二次放大倍数为1+Ri14/Ri13，其滤波功能为二阶低通滤波，滤波截止频率由Ri11、Ri12、Ci3、Ci4决定，二次放大滤波电路Fti的截止频率和频域特性设置为与滤波电路Fei相同；传感器的差分输出信号Si+、Si-先通过前置仪用差分放大电路Ati进行差分放大，同时将偏置产生电路输出的第i路偏置信号Vbi提供给仪表放大器Ui3的基准输入端REF以对其输出进行偏置调整，然后由二次放大滤波电路Fti对仪用差分放大电路Ati的输出进行二次放大和滤波，得到第i个测量通道传感器输出信号的调理输出SSi；偏置产生电路由8通道、同步串行通讯接口的数模转换器DAC2和8路完全相同的平滑滤波电路Fb1～Fb8组成；DAC2与数字信号处理器DSP之间采用同步串行外设接口SPI连接来传输数据；平滑滤波电路Fbi采用一阶RC滤波电路；偏置产生电路先由数字信号处理器DSP控制DAC2输出8路偏置信号VVb1～VVb8，8路偏置信号VVb1～VVb8再分别通过8路平滑滤波电路Fb1～Fb8进行平滑滤波输出8路偏置信号Vb1～Vb8，分别提供给8组信号调理电路ET1～ET8；模数转换电路ADC1和模数转换电路ADC2均由一个8通道、同步采样、并行接口的模数转换器组成，均由数字信号处理器DSP控制同步采样；ADC1用于采集信号调理电路ET1～ET4的输出VV1～VV4和SS1～SS4，ADC2用于采集信号调理电路ET5～ET8的输出VV5～VV8和SS5～SS8，将其转换为数字信号；ADC1和ADC2的转换结果均通过DSP的并行总线接口XINTF传递给DSP；其中，i表示系统的测量通道的序号，i＝1,2,3,4,5,6,7,8；
所述信号输出模块由一个8通道、并行接口的数模转换器DAC1、输出平滑滤波电路和信号输出端口组成；DAC1与数字信号处理器DSP之间采用DSP的并行总线接口XINTF传输数据；输出平滑滤波电路由8路完全相同的采用运算放大器和电阻、电容搭建的二阶低通滤波器组成，二阶低通滤波器的电路拓扑结构与信号调理与采样模块3中的滤波电路Fei相同，截止频率设为力信号最大测量带宽的1.5～2倍；信号输出端口针对系统的每个测量通道均提供2个接线端子，用于输出各测量通道的模拟电压信号和参考地；信号输出模块先由数字信号处理器DSP控制将第i个测量通道的传感器信号的处理结果Yi对应输出到DAC1的第i个模拟通道得YYi，同时更新DAC1的各模拟通道的输出，然后由第i路的输出平滑滤波电路对YYi进行平滑滤波，得到对应于系统的第i个测量通道输入Si+、Si-的处理结果的模拟输出信号SOi，由信号输出端口输出；其中，i＝1,2,3,4,5,6,7,8；
所述人机交互模块由4×4矩阵按键、8个通道开关按键和1个点阵液晶组成；4×4矩阵按键采用数字控制与信号处理模块中数字信号处理器DSP的通用输入/输出口GPIO进行扫描检测，用于设置系统的激励方式、激励频率、测量带宽、信号增益、噪声参数等工作参数；8个通道开关采用DSP的GPIO进行扫描，用于8个测量通道的独立开、关操作；1个点阵液晶模块与DSP之间采用DSP的并行总线接口XINTF进行数据的传递，用于显示参数设定结果、系统工作状态以及各通道的测量结果；
所述通讯模块由RS232电平转换电路和通讯端口组成，与数字信号处理器DSP的异步串行通讯接口SCI连接，将DSP串行通讯信号的逻辑电平转换为RS232电平；通讯端口采用标准的RS232 DB9接口，实现系统与远程监控机之间的交互；
所述电源管理模块由电源端口、DC/DC变换器DV1、DC/DC变换器DV2、线性稳压器DV3、线性稳压器DV4、线性稳压器DV5、双通道低压差线性稳压器DV6组成，用于将外部提供的+15V直流电源转换为系统各模块工作所需要的模拟电源+12V、-12V、+5V和数字电源5V、3.3V、1.8V；电源端口包括两个接线端子，用于接入外部供电的+15V直流电源及其参考地；DC/DC变换器DV1用于将外部提供的+15V直流电源转换为数字电源5V；双通道低压差线性稳压器DV6用于将数字电源5V转换为数字电源3.3V和1.8V；线性稳压器DV3用于将外部提供的+15V直流电源转换为模拟电源+12V；线性稳压器DV4用于将模拟电源+12V转换为模拟电源+5V；DC/DC变换器DV2用于将外部提供的+15V直流电源转换为-15V直流电源，线性稳压器DV5用于将-15V直流电源转换为模拟电源-12V。
3.如权利要求1所述的一种用于应变式力传感器的多通道交/直流激励的信号测量系统，其特征在于：系统软件信号处理包含的激励方式自动优化的流程为：
所述激励方式自动优化包括噪声参数设定、测量带宽设定、通道优先设定和有效调制频段分析三步，以针对不同干扰环境自动给出推荐的系统激励方式和激励频率；噪声参数设定用于人为通过人机交互模块5或通讯方式设定信号测量噪声谱的允许均值mq和允许方差δq；测量带宽设定用于人为通过人机交互模块5或通讯方式设定系统的期望测量带宽fbd；通道优先设定用于人为通过人机交互模块5或通讯方式设定激励方式自动优化所依据的测量通道，可设为各已开启的测量通道中的任意一个通道或所有开启的测量通道；有效调制频段分析则通过数字信号处理器DSP控制交/直流激励模块2采用直流激励的方式向静态工作下的传感器提供直流激励信号；由信号调理与采样模块3采集通道优先设定中选定的某一个测量通道或所有开启的测量通道的传感器输出信号，并送给数字信号处理器DSP；DSP对所采集的测量通道均等长度记录M组数据、每个测量通道每段数据的点数为N；对所有数据去均值，根据各测量通道传感器的电压-力转换关系将各测量通道去均值后的数据转换成力信号并与其量程相除以进行归一化；将每组各测量通道归一化后的相同时间点的数据进行均方根运算，以将每组所有通道的数据合并成1段长度为N点的数据，M组数据共合并成M段数据，然后对M段合并数据进行离散频谱分析，计算各频率点噪声谱的均值mi和方差δi；将各频率点噪声谱的均值mi和方差δi与设定的噪声谱允许均值mq和允许方差δq比较；其中，i为离散频谱分析结果的各频点序号，i＝0,1,2,…,N-1；若存在连续频段[fmin_k,fmax_k]且fmin_k＝0时fmax_k≥fbd或fmin_k≠0时(fmax_k-fmin_k)/2≥fbd，使得在该连续频段内均满足mi≤mq、δi≤δq，则视[fmin_k,fmax_k]为一个有效调制频段，据此获得[fmin_1,fmax_1]、[fmin_2,fmax_2]、……、[fmin_Q,fmax_Q]共计Q个有效调制频段；若不存在有效调制频段，则返回到噪声参数设定与测量带宽设定流程，人为重新设定mq、δq和fbd，直至能够获取到有效调制频段；对于获取的Q个有效调制频段，计算每个有效调制频段中各频点噪声谱均值mi的均值，设其中第k个有效调制频段[fmin_k,fmax_k]的首、尾频点序号分别为ak和bk，则该有效调制频段中各频点噪声谱均值mi的均值的算式为其中，k＝1,2,3,…,Q；取最小的有效调制频段[fmin_k,fmax_k]作为系统推荐的调制频段；若fmin_k＝0则系统推荐激励方式为直流激励方式，若fmin_k≠0则系统推荐激励方式为交流激励方式且推荐激励频率fe＝fmin_k+(fmax_k-fmin_k)/2；系统具体采用的激励方式、激励频率均由人为通过人机交互模块或通讯方式在参考系统推荐的激励方式和激励频率情况下进行设定。
4.如权利要求1所述的一种用于应变式力传感器的多通道交/直流激励的信号测量系统，其特征在于：系统软件信号处理包含的工作参数自动获取的方法为：
所述工作参数自动获取包括在直流激励方式下自动获取数字低通滤波器H1的系数，在交流激励方式下自动获取数字带通滤波器H2的系数以及矢量修正系数；直流激励方式下，数字低通滤波器H1采用无限冲击响应形式的二阶巴特沃斯滤波器，H1的系数直接根据设定的系统测量带宽fbd来计算，使H1的截止频率为fbd；交流激励方式下，数字带通滤波器H2采用无限冲击响应形式的二阶巴特沃斯滤波器，H2的系数根据激励频率fe和测量带宽fbd计算，使H2的中心频率为激励频率fe、带宽下限为fe-fbd、带宽上限为fe+fbd；各测量通道矢量修正系数ci根据各测量通道的增益修正系数gi和相位修正系数计算而得；增益修正系数gi和相位修正系数均在传感器处于交流激励和静态工况下计算，gi为传感器处于静态工况下输出信号SSi和激励信号VVi在激励频率fe处的增益系数，为传感器处于静态工况下输出信号SSi和激励信号VVi在激励频率fe处的相位差，即
则各测量通道的矢量修正系数ci为
5.如权利要求1所述的一种用于应变式力传感器的多通道交/直流激励的信号测量系统，其特征在于：系统软件信号处理包含的传感器信号处理包括直流激励信号处理和交流激励信号处理，具体方法为：
(1)所述直流激励信号处理主要针对系统工作在直流激励方式下传感器信号的处理；直流激励信号处理流程依次为数字低通滤波→幅值修正→数字信号放大，具体处理流程为：
①采用数字低通滤波器H1对系统各测量通道采集到的传感器激励信号VVi和输出信号SSi分别进行实时数字低通滤波，得到VVi的滤波结果VVxi和SSi的滤波结果SSyi，即
VVxi＝VVi*H1
SSyi＝SSi*H1
上式中，*为线性卷积运算；
②采用VVxi对SSyi进行幅值修正，得各测量通道信号处理的幅值修正结果Syi，即
Syi＝SSyi/VVxi；
③将幅值修正结果Syi乘以各测量通道设定的增益Gi得到直流激励情况下各测量通道信号处理的最终结果Yi，即
Yi＝Syi·Gi；
上式中，增益Gi由人为通过人机交互模块或通讯方式直接设定；
(2)所述交流激励信号处理主要针对系统工作在交流激励方式下传感器信号的处理；交流激励信号处理流程依次为数字带通滤波→数字信号解调→矢量修正→数字信号放大，以将交流激励情况下被调制到高频段的力信号还原到被测力信号实际所处的低频段，同时克服噪声干扰的影响，具体处理流程为：
①采用数字带通滤波器H2对系统各测量通道采集到的传感器激励信号VVi和输出信号SSi分别进行实时数字带通滤波，得到VVi的滤波结果VVxi和SSi的滤波结果SSyi，即
VVxi＝VVi*H2
SSyi＝SSi*H2
上式中，*为线性卷积运算；
②计算VVxi最近L个数据点的幅值均方和AVi，计算VVxi与SSyi最近L个数据点积之和的均值SVi，将SVi除以AVi得到数字信号解调结果Sdi，即
Sdi＝SVi/AVi
上式中，L为正整数，其取值要求使得L乘以信号采样周期为交流激励周期的整数倍；k表示当前数据点时刻，k-n表示当前时刻之前的第n个数据点时刻；
③采用各测量通道的矢量修正系数ci对各自测量通道的数字信号解调结果Sdi进行幅值修正得Syi，以降低测量线路寄生参数引起的幅值增益误差和相位误差，即
Syi＝ci·Sdi
④将矢量修正结果Syi乘以各测量通道设定的增益Gi得到交流激励情况下各测量通道信号处理的最终结果Yi，即
Yi＝Syi·Gi；
上式中，增益Gi由人为通过人机交互模块或通讯方式直接设定。
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