萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙繼民，何 靜，王秀清

(天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222)

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱材料試驗(yàn)機(jī))是生產(chǎn)行業(yè)、科研單位和各級(jí)質(zhì)檢部門在各類材料的質(zhì)量檢驗(yàn)、科學(xué)研究中最重要的檢測(cè)設(shè)備之一．在國(guó)外，經(jīng)過(guò)近 60年的發(fā)展，材料試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)單元已經(jīng)從單懸臂傳動(dòng)轉(zhuǎn)向了雙懸臂傳動(dòng)；測(cè)控系統(tǒng)由最初的繼電控制轉(zhuǎn)為微機(jī)控制；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也逐步由變頻驅(qū)動(dòng)升級(jí)為伺服驅(qū)動(dòng)[1]，從而保證了材料試驗(yàn)機(jī)在測(cè)試數(shù)據(jù)的精度、機(jī)械傳動(dòng)的靈活性及驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)度方面都得到了極大的提高．國(guó)內(nèi)材料試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)水平也有較大提高，但在諸如測(cè)控系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)方面與歐美國(guó)家仍有較大的差距；同時(shí)，材料試驗(yàn)機(jī)一直是歐美對(duì)我國(guó)尖端科研課題限制出口的產(chǎn)品．而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的材料試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品從檢測(cè)精度等方面還不能達(dá)到某些材料的精度要求[2]．

隨著新材料的不斷涌現(xiàn)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)于材料測(cè)試在數(shù)據(jù)處理、控制方法和設(shè)備集成度等方面也提出了更高的要求，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的材料試驗(yàn)機(jī)變頻測(cè)控系統(tǒng)已不能滿足廣大用戶的測(cè)試需求，迫切要求試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化、集成化方面邁進(jìn)[3]．測(cè)控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣是決定材料試驗(yàn)機(jī)性能的關(guān)鍵因素，因而高品質(zhì)的材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)材料科學(xué)的發(fā)展、工業(yè)產(chǎn)品和工程結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)等方面都具有重要的作用．

針對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)，本文基于虛擬儀器和微控制器技術(shù)設(shè)計(jì)了測(cè)控系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比．

1 材料試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

材料試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 1所示．該試驗(yàn)機(jī)由儀器底座(內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及減速系統(tǒng))、控制臺(tái)、力傳感器、位移變形傳感器及動(dòng)懸臂等裝置組成．控制臺(tái)內(nèi)置的測(cè)控系統(tǒng)是整個(gè)儀器的控制核心，同時(shí)也是本文探討的主要內(nèi)容．

2 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)主要由儀表放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理電路等構(gòu)成的力檢測(cè)及計(jì)量單元，由增量式光電編碼器、脈沖計(jì)數(shù)器、鑒相電路等構(gòu)成位移、變形檢測(cè)及計(jì)量單元，由液晶顯示器、鍵盤等構(gòu)成人機(jī)接口. 同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò) Modbus協(xié)議控制伺服驅(qū)動(dòng)單元以精確的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)材料試驗(yàn)機(jī)的速度調(diào)節(jié)控制、位移變形控制及試驗(yàn)力的保持控制等功能．利用虛擬儀器在多核、數(shù)據(jù)處理、通用性及可擴(kuò)展性上的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建基于 LabWindows/ CVI開(kāi)發(fā)平臺(tái)的材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)與分析系統(tǒng)，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性和測(cè)試效率．

圖2為測(cè)控系統(tǒng)硬件功能框圖．

圖2 測(cè)控系統(tǒng)硬件功能框圖Fig.2 Diagram of the hardware functional block of the monitoring and control system

2.1 微控制器接口電路

系統(tǒng)要用到 SPI總線、RS-485總線、I2C總線、RS-232通信、脈沖計(jì)數(shù)等功能．而 Atmel公司的ATmega64是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位 CMOS微控制器，具有先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾；同時(shí) ATmega64外圍接口齊全，內(nèi)置看門狗電路及掉電檢測(cè)電路，是基于 CISC指令集的 8位微控制器所不能比擬的，故系統(tǒng)選用ATmega64微控制器作為控制系統(tǒng)的核心．

圖 3為微控制器接口電路原理圖，其中，Y2為微控制器的時(shí)鐘輸入引腳，U5為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為PCF8563，PCF8563與ATmega64之間采用I2C總線通信接口．

圖3 微控制器接口電路原理圖Fig.3 Diagram of the schematic circuit of the microcontroller interface

2.2 力檢測(cè)單元

力檢測(cè)單元主要用于實(shí)時(shí)采集與處理應(yīng)變片式輪輻力傳感器的差分模擬信號(hào)．電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)對(duì)象上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的敏感器件[4]．這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的電阻變化通常較小，一般都組成應(yīng)變電橋，其輸出為毫伏級(jí)的差分信號(hào)，并通過(guò)后續(xù)的調(diào)理電路對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行處理，再傳輸給A/D轉(zhuǎn)換電路將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量．

力檢測(cè)單元的電路原理如圖 4所示，其中，AD1＋、AD1－為力傳感器差分輸入端．選用的AD7714是基于Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器．該轉(zhuǎn)換器具有可編程增益前端，可直接接受來(lái)自傳感器的低電平的輸入信號(hào)[5]，故在本系統(tǒng)中不需考慮對(duì)傳感器輸出的差分信號(hào)的放大；LM336BZ2.5為 2.5,V的電壓基準(zhǔn)源，用于為AD7714提供基準(zhǔn)電壓．

圖4 力檢測(cè)單元電路原理圖Fig.4 Diagram of the schematic circuit of the force detection unit

2.3 位移、變形檢測(cè)單元

在材料試驗(yàn)機(jī)中，對(duì)位移、變形兩個(gè)物理量的檢測(cè)是通過(guò)增量型編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的．增量編碼器的輸出為方波信號(hào)，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮編碼器的方波計(jì)數(shù)電路的抗干擾設(shè)計(jì)及鑒相電路設(shè)計(jì)．SN74HC14D為具有波形整形功能的高速施密特觸發(fā)器，用于對(duì)編碼器輸出的波形進(jìn)行整形；SN74LS74是邊沿 D觸發(fā)器，用于對(duì)增量編碼器輸出信號(hào)的鑒相．而脈沖計(jì)數(shù)單元直接采用ATmega64微控制器內(nèi)置的16位外部事件計(jì)數(shù)器 Timer1來(lái)實(shí)現(xiàn)．位移及變形檢測(cè)單元電路原理如圖5所示．

圖5 位移與變形檢測(cè)電路原理圖Fig.5 Diagram of the schematic circuit of the displacement and deformation detection

2.4 伺服驅(qū)動(dòng)單元

伺服驅(qū)動(dòng)是閉環(huán)控制，而變頻驅(qū)動(dòng)通常工作于開(kāi)環(huán)控制，所以無(wú)論從速度還是控制精度上，變頻驅(qū)動(dòng)都無(wú)法和伺服驅(qū)動(dòng)相比．目前，伺服驅(qū)動(dòng)的控制方式主要有 3種：驅(qū)動(dòng)器面板設(shè)定、模擬量輸入設(shè)定及總線指令設(shè)定[6]．從控制難易程度上來(lái)看，面板設(shè)定較后者方便，而從操作的靈活性及精度上來(lái)看，總線指令設(shè)定方式大大優(yōu)于前者．故本測(cè)控系統(tǒng)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)單元的控制采用了總線驅(qū)動(dòng)方式．伺服驅(qū)動(dòng)器的總線遵循 Modbus工業(yè)總線協(xié)議．Modbus協(xié)議是第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議，是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言．通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器和其他設(shè)備之間可以進(jìn)行安全可靠的通信操作．本系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)如圖6所示．

圖6 伺服驅(qū)動(dòng)接口電路Fig.6 Diagram of the schematic circuit of the servo driving interface

2.5 人機(jī)接口及通信接口電路

人機(jī)接口包含液晶顯示和鍵盤輸入，如圖 7所示．液晶顯示單元采用 DM12864漢字圖形點(diǎn)陣液晶；同時(shí)，為保證鍵盤輸入的穩(wěn)定性及安全性，使用了鍵盤控制驅(qū)動(dòng)器 CH452，避免了自建模擬鍵盤因干擾因素而導(dǎo)致的誤操作．

系統(tǒng)可將試樣的檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至計(jì)算機(jī)，由上位機(jī)的系統(tǒng)軟件對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理．檢測(cè)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間采用USB通信接口．USB控制芯片為南京沁恒公司的基于USB1.0協(xié)議的CH376．

圖7 人機(jī)接口及通信接口電路原理圖Fig.7 Diagram of the schematic circuit of the man-machine interface and communication

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用 LabWindows/CVI作為開(kāi)發(fā)環(huán)境．虛擬儀器是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬面板，測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)[7]．用戶可以通過(guò)友好的圖形界面操作計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定制的一臺(tái)傳統(tǒng)儀器一樣．它充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等智能化功能，同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)融為一體，這樣便構(gòu)成了一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)儀器相同，同時(shí)又充分利用計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)．

系統(tǒng)軟件的主界面如圖 8所示．可以完成基于逆波蘭算法的符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)輸入及存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、曲線分析、自動(dòng)報(bào)表、多種測(cè)試方法、數(shù)據(jù)再分析等功能，可以實(shí)現(xiàn)打印、測(cè)試、統(tǒng)計(jì)、單位切換、傳感器通道切換、儀器控制等操作．

圖8 系統(tǒng)軟件主界面Fig.8 Main interface of the system software

通過(guò)上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的速度和位移控制，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的試驗(yàn)力數(shù)據(jù)、位移變形數(shù)據(jù)、試驗(yàn)力及位移峰值；可實(shí)現(xiàn)包括斷點(diǎn)停機(jī)控制、定荷重控制、定位移控制、力量保持控制、自動(dòng)回歸控制等控制和測(cè)量方式．

3.2 微控制器軟件

3.2.1 試驗(yàn)力數(shù)據(jù)采集

ATmega64與AD7714通過(guò)SPI接口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，AD7714包括6個(gè)可通過(guò)SPI接口訪問(wèn)的片內(nèi)寄存器，與任何寄存器通信都要首先向通信寄存器寫(xiě)入．AD7714上電或復(fù)位后，可通過(guò)兩種不同的讀選項(xiàng)確認(rèn) AD7714的采集過(guò)程是否完成：一是查詢DRDY引腳以確定數(shù)據(jù)寄存器更新是何時(shí)進(jìn)行的；二是查詢通信寄存器中的 DRDY位以確認(rèn)數(shù)據(jù)寄存器是否進(jìn)行過(guò)更新．本系統(tǒng)采用的是第一種方法．

3.2.2 位移、變形數(shù)據(jù)采集

位移、變形傳感器輸出為方波信號(hào)，Atmega64微控制器要對(duì)處理后的方波信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，ATmega64的Timer1具有外部時(shí)鐘輸入捕獲功能(圖3中的 PD6引腳)，而變形編碼傳感器具有相位相差90°的兩路信號(hào)輸出，通過(guò)鑒相電路的處理即可得到實(shí)際變形量．變形數(shù)據(jù)處理子程序如下所示：

void BXDateGather(void)//變形數(shù)據(jù)采集函數(shù)

{

unsigned char tcnt2，tcnt3；

tcnt2＝TCNT2；//讀取Timer2捕獲的變形脈沖數(shù)

tcnt3＝TCNT3；

if(JianXiang)//變形編碼器正向旋轉(zhuǎn)

{tcnt2＋＝tcnt3；

Counter＋＝tcnt2；

}

else//變形編碼器逆向旋轉(zhuǎn)

{tcnt2-＝tcnt3；

Counter-＝tcnt2；

}

BianXing＝Counter*XiShu；//得到實(shí)際變形值

}

4 實(shí) 驗(yàn)

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8]進(jìn)行系統(tǒng)整機(jī)配置，并依據(jù)相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]對(duì)試樣進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)大量測(cè)試，得到本測(cè)控系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)，并與傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)比，見(jiàn)表1．表中FS表示滿量程．

表1 系統(tǒng)性能指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Index contrast of the system performance

從表 1可以看出，本測(cè)控系統(tǒng)在測(cè)控精度、運(yùn)動(dòng)控制的精確性及軟件的功能等方面均比傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)有較大提高．

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，詳細(xì)給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，介紹了實(shí)現(xiàn)的部分功能．與現(xiàn)有測(cè)控系統(tǒng)比較，本測(cè)控系統(tǒng)在控制精度、實(shí)現(xiàn)的功能等方面均有較大提高．目前，測(cè)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于天津市美特斯試驗(yàn)機(jī)廠等試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品上．實(shí)踐表明，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制精確、精度高、穩(wěn)定性好，并具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析處理能力．

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