基于ATmega16的外水壓測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙文純，陳 江，鞠海洪，蔡 昊

（中船重工第710研究所，湖北 宜昌 443000）

隨著工業(yè)自動化快速發(fā)展與應(yīng)用的提高，傳統(tǒng)人工外壓測試裝置，已不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在實(shí)際生產(chǎn)生活中，追求高效的生產(chǎn)效率的同時,價格低廉、性能穩(wěn)定的外壓測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，具有極高的經(jīng)濟(jì)價值和社會意義。

本項(xiàng)目主要針對水中產(chǎn)品的外水壓測試要求，進(jìn)行開發(fā)與研制，宗旨是提升產(chǎn)品測試的自動化程度、控制參數(shù)精確性、安全性等各因素，以及最大限度的降低成本，減輕試驗(yàn)人員的勞動強(qiáng)度，用先進(jìn)的方法和技術(shù)，裝備產(chǎn)品的外水壓測試系統(tǒng)。

本系統(tǒng)開發(fā)出了一種基于ATmega16微控制器，結(jié)合VB6.0中MSComm控件開發(fā)的串口通信調(diào)試工具的外水壓測試系統(tǒng)，具有高精度、高可靠性、全自動、高智能化等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、打印，測試參數(shù)設(shè)置以及多種可選功能，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)分離，并在保證系統(tǒng)功能的前提下，滿足了實(shí)驗(yàn)人員的安全及低成本的需求。可滿足各種需外壓測試產(chǎn)品的耐壓及密封測試，并能實(shí)現(xiàn)測試試驗(yàn)產(chǎn)品的在特定外壓環(huán)境下的工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)的組成及基本原理

外水壓測試系統(tǒng)，主要由控制系統(tǒng)的硬件、軟件部分、加壓系統(tǒng)部分以及液壓釜和壓力傳感器等組成，如圖1所示。

圖1 水壓測試系統(tǒng)組成

其中，控制系統(tǒng)硬件部分，主要完成液壓釜內(nèi)壓力數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換及顯示[1]；軟件部分，主要完成所采集到數(shù)據(jù)的處理及控制功能；加壓系統(tǒng)，主要是伺服電機(jī)配合加壓泵使用，通過控制系統(tǒng)的控制完成所需介質(zhì)壓力的供給；液壓釜，主要用來完成試驗(yàn)產(chǎn)品的容腔和液壓環(huán)境的保持；液壓傳感器，主要作用是可以將液壓釜內(nèi)的壓力值實(shí)時地傳輸給控制系統(tǒng)，用以完成特定液壓環(huán)境狀態(tài)的模擬與控制。

其工作原理，是ATmega16微控制器通過對壓力傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時讀取，實(shí)現(xiàn)對液壓釜內(nèi)實(shí)驗(yàn)壓力的實(shí)時監(jiān)控，并通過將壓力值與目標(biāo)值進(jìn)行對比，通過PID調(diào)節(jié)機(jī)制，完成系統(tǒng)模擬量輸出環(huán)境的實(shí)時變化，從而使加壓系統(tǒng)始終以最合適的加壓速率，對液壓釜進(jìn)行加壓，從而完成液壓環(huán)境的模擬及壓力精度的要求。

2 硬件的構(gòu)成

控制單元硬件組成，主要分為主控電路和伺服電機(jī)驅(qū)動電路兩部分。主控電路用串行通信的方式，發(fā)送控制指令（字符）到伺服電機(jī)驅(qū)動電路，驅(qū)動電路再發(fā)送合適的控制脈沖，到達(dá)微型伺服電機(jī)上的驅(qū)動控制板，使電機(jī)按制定動作進(jìn)行運(yùn)動，完成加壓泵的高精控制，并將壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理并顯示在上位計(jì)算機(jī)。

2.1 主控電路的設(shè)計(jì)

主控電路實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)要求：

（1）硬件電路保證發(fā)送的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；

（2）電路抗干擾能力強(qiáng)；

（3）支持在線調(diào)試功能，方便外壓測試程序的調(diào)試修改；

（4）主控芯片留有一定的預(yù)留端口，確保外壓測試系統(tǒng)的升級需求；

（5）所設(shè)計(jì)的電路板的規(guī)模應(yīng)盡可能的小。

在外水壓測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主控電路設(shè)計(jì)采用8位AVR的ATmega16微控制器作為控制核心。其系基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS型低功耗微控制器[2]。由于采用了先進(jìn)的指令集和單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件部分，分為控制電路和伺服驅(qū)動電路兩部分。控制電路使用串行通訊模式與驅(qū)動電路進(jìn)行連接通訊，此時，驅(qū)動電路將方波控制信號發(fā)送給伺服電機(jī)，得到所需的執(zhí)行動作。

（1）控制電路設(shè)計(jì)。為滿足可靠的工作狀態(tài)和抗干擾能力的需要，控制電路設(shè)計(jì)采用8位AVR的ATmega88微控制器作為核心，配合LM7805穩(wěn)壓芯片和濾波電容使用（如圖2所示），更能解決功耗和處理速度之間的矛盾。

圖2 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

（2）驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。為得到高精度的水壓控制精度和較好的可控性，以及較簡單的程序編譯工作，本外壓測試裝置采用的SSC-32舵機(jī)專用驅(qū)動電路（如圖3所示），為外壓測試裝置的加壓系統(tǒng)提供必要的控制指令。

圖3 SSC-32

（3）控制電路和驅(qū)動電路間的通訊。此硬件系統(tǒng)間交互通訊，可以通過串口通訊與工控機(jī)直接連接，直接通過工控機(jī)控制測試系統(tǒng)，并能使用所選微控制器對測試系統(tǒng)進(jìn)行離線控制，使測試系統(tǒng)擺脫串口接線的限制，增加外水壓測試系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 控制程序編譯與調(diào)試

合理的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，可以充分發(fā)揮控制系統(tǒng)的功能，使伺服控制系統(tǒng)完成高精度的控制任務(wù)。本文所采用的是VB6.0中MSComm控件開發(fā)串口通信的便捷工具，屬性設(shè)置如圖4所示。

圖4 MSComm的屬性設(shè)置

其中，使用VB的MSComm控件作通信控制的步驟如下[3]：

（1）加入MSComm對象；

（2）設(shè)定通信端口號碼，即MSComm；

（3）設(shè)定通信協(xié)議，即Handshaking屬性；

（4）設(shè)定傳輸速度等參數(shù)，即Settings屬性；

（5）設(shè)定其他參數(shù)，若必要時再加上其他屬性設(shè)定；

（6）開啟通信端口，即將Port Open屬性設(shè)定為TRUE；

（7）使用完MSComm通信對象后，將通信端口關(guān)閉。

其控制對象為：壓力傳感器、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)控制器和RS-232串口。其中SSC-32可以很輕松地實(shí)現(xiàn)單個伺服電機(jī)的速度、位置等控制。每個動作的控制只用一個字符的ASCⅡ就足夠了，動作指令如下[4]：

在設(shè)計(jì)過程中，通過串口調(diào)試工具對超聲波傳感器、伺服電機(jī)和SSC-32伺服電機(jī)控制器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和反復(fù)調(diào)試，并最終將程序燒錄在AVR板內(nèi)，最終達(dá)到較好的工作能力和工作效果[5]。

4 結(jié)束語

本文提出了應(yīng)用于水下產(chǎn)品的外壓測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過ATmega16微控制器控制技術(shù)與串口調(diào)試工具的結(jié)合，極大縮短了設(shè)計(jì)周期，并通過伺服電機(jī)控制技術(shù)，無論從整機(jī)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)要求方面出發(fā)，都很好地滿足了外水壓測試系統(tǒng)的開發(fā)需求，并實(shí)現(xiàn)了高效、低成本、性能穩(wěn)定的要求。

[1]朱玲華，李 俊.水壓測試設(shè)備的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2006，(7):204-205.

[2]馬 潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]董 萍.淺談基于MSComm控件實(shí)現(xiàn)VB串口通信[J].裝備制造技術(shù)，2007，(2):57.

[4]李旭東，陳俊杰.基于VB中MSComm控件的通信軟件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2004，(7):25-27.

[5]李肇慶，韓 濤.串行端口技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2004.