电桥平衡自调节原理及电路设计

    本文设计的MSP430F2002单片机和MAX5402数字电位器所构成的电桥平衡自调节电路，具有结构简单、占用空间小、功耗低、可靠性高等特性，完全符合火炮膛压测试仪的要求。
      1 电桥平衡自调节原理
      在火炮膛压测试仪中，考虑到测试仪壳体结构的限制以及低功耗的要求，采用的电桥为1／4直流源电桥。电桥平衡自调节电路如图1所示。

      图1 电桥平衡自调节电路图
      左图为电桥平衡自调节电路工作原理。其中，R1为电阻应变计温度补偿片，R2为电阻应变计工作片，R1=R2=R3=R4=120 Ω，Uo为电桥输出电压，Io为恒流源。由电路理论计算可知：
     

      若R2·R3-R1·R4=0，则电桥保持平衡。测量中电桥初始输出值一般不为零，这可能导致传感器在测量信号时超过满量程或者为负值，使得通过A／D转换器所获得的数据不可靠。点画线内为电桥平衡调节的 部分，其中O≤n≤1。
      右图为左图的等效电路。由Y型-△型等效理论可知：

      可知，Ra的大小决定了调节范围，Ra越小，调节范围就越大。在常用的120 Ω电阻应变计中，理想的Ra阻值范围一般为10～15 kΩ。
      2 主要芯片简介
      2．1 MSP430F2002单片机
      TI公司推出的MSP430F2002单片机集成了10位A／D转换器、定时器、内部DCO时钟、可复用的I／O口以及USI通用串行接口，具有很高的且性价比。
      MSP430F2002TRSA具有16个引脚，因外围设备多，I／O引脚都具有复用功能。MSP430F2002不仅支持4线制JTAG烧写，而且还支持2线制Spy -Bi-Wire烧写。在熔丝非熔断模式下，MSP430F2002采用2线制Spyr-Bi-Wire与MSP-FET430UIF烧写器的JTAG口的连接如图2所示。

      图2 MSP430F2002单片机二线制换法
      2．2 MAX5402数字电位器
      MAX5402是Maxim公司生产的256节点10 kΩ数字电位器。其具有超低功耗、低温漂、封装体积小等特点；具有SPI串行接口，很容易和单片机配合；使用很少硬件和软件开销，即可实现自动增益控制和自动平衡调节等功能。图3为MAX5402内部结构图，DIN、SCLK、为SPI串行接口引脚，H、W、L等效于滑动变阻器的三个端。其中，DIN为数据传输脚，数据从高位开始接收；SCL，K为通信时钟脚，通信时上升沿有效；为片选使能脚，低电平有效。当=0时，只要SCLK有上升沿，DIN就接收一位数；接满8位数据后，等待置1； 后，抽头W移动到所接收值指定的节点处。

      图3 MAX5402内部结构图
      3 软硬件设计
      3．1 硬件设计
      图4为电桥平衡自调节电路。当测试仪壳体受力产生应变时，电阻应变计阻值也相对产生变化。由于电桥所产生的电压信号微小，需通过仪表放大器INA128放大后，再进入MSP430F2002的A／D转换器的A0输入端。MSP430F2002通过USI通用串行接口的SCLK、SDO、SDI三个引脚，与MAX5402 SPI串行接口的SCLK、DIN、引脚进行数据传输，来控制数字电位器抽头移动。

      图4 电桥平衡自调节电路
      3．2 软件设计
      图5为电桥平衡自调节程序流程。首先初始化SPI、单片机内部DCO时钟、A／D转换器等。在平衡调节过程中，采用与电桥平衡值 接近原则。设电桥平衡值为V，电桥指针未指向终点，指针移动时必会出现V-△V1和V+△V2两个近似值，则取|△V1|和|△V2|之间的 小值。当指针移动至全部电位器抽点后还无法调节到V值左右，则MSP430F2002发出信号使得发光二极管灯亮，并选定 接近的V值为平衡初始值。测试仪在测量完膛压曲线后，通过计算机初值校正， 终获取正确的膛压动态曲线。
      
          4 实验结果
      每一个应变式测试仪要测量火炮膛压前，首先要通过油压标定机分析其静态特性，只有通过多次实验才能估算出测试仪触发值的大小。应变式测试仪在进行静态校准前，通过高 万用表记录下来的15次实验的自平衡调节值如表1所列。由于弹性壳体具有弹性后效，在每次泄压后都必须在正常大气压下保持一段时间。由表1可知，该测试仪壳体在受到450 MPa压强后能恢复到 初状态，未发生塑性变形，各组自平衡调节后的值之间偏差小，而调节所用时间不到5 s，调节后MAX5402功耗只有100 nA。可见，该电桥平衡自调节是可行的，满足火炮膛压测试仪低功耗、小体积、封闭式等要求。
      表1 应变式测量仪自平衡调节值

      结语
      在应变式火炮膛压测试仪的测量电路设计中，仅用一片MAX5402与单片机结合就实现了电桥的自平衡调节；同时，数字电位器的高可靠特性也使得整个仪器的工作稳定性得到了保证。若要使测试仪体积更小、功耗更低、重复性更好，可采用封装更小、功耗更低、抽头数更多的数字电位器替代。