環(huán)剪儀測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬 琦， 張瑞鵬， 段清明

(吉林大學(xué) a.儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院;b.實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，吉林長春130026)

0 引言

大型高速環(huán)剪儀主要用于巖土力學(xué)參數(shù)測定，研究地質(zhì)災(zāi)害滑坡、泥石流等形成和運(yùn)動(dòng)機(jī)制及其防治。研究土在大剪切位移條件下力學(xué)特性，對于邊坡穩(wěn)定性分析、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的力學(xué)機(jī)理研究及其邊坡漸進(jìn)式破壞過程研究等具有重要的學(xué)術(shù)意義。作為一種主要用于研究土在大剪切位移條件下力學(xué)特性的土工試驗(yàn)設(shè)備，環(huán)剪儀具有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)構(gòu)造和試驗(yàn)功能［1］。隨著土工試驗(yàn)設(shè)備加工技術(shù)的進(jìn)步，環(huán)剪儀的制造趨于大型化和高度自動(dòng)化。由于在儀器的開發(fā)過程中大量采用了高精度傳感器和自動(dòng)機(jī)械控制裝置，因此現(xiàn)代環(huán)剪儀能夠進(jìn)行模擬更加復(fù)雜應(yīng)力條件下的土工試驗(yàn)，并能夠保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性［2］。目前，由日本京都大學(xué)防災(zāi)研究所研制的大型高速高壓動(dòng)荷載環(huán)剪儀可以進(jìn)行應(yīng)力控制、位移控制、剪切速度控制等各種條件下的環(huán)剪試驗(yàn)［3］。但是隨著現(xiàn)代環(huán)剪儀試驗(yàn)系統(tǒng)日益復(fù)雜化和精密化，環(huán)剪儀的制造成本和維護(hù)成本逐漸增加，所以在現(xiàn)有儀器基礎(chǔ)上進(jìn)行低成本系統(tǒng)替換具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值。吉林大學(xué)現(xiàn)有的大型高速環(huán)剪儀的測量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)依舊采用DOS磁盤操作系統(tǒng)，這對于數(shù)據(jù)采集的控制、數(shù)據(jù)結(jié)果的顯示極為不便。本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了在Windows視窗操作系統(tǒng)下的環(huán)剪儀測控系統(tǒng)，通過對控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)及上位機(jī)控制顯示系統(tǒng)三方面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)環(huán)剪儀的控制、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。應(yīng)用Windows系統(tǒng)下的環(huán)剪儀測控系統(tǒng)來替換現(xiàn)有環(huán)剪儀DOS系統(tǒng)中的測量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)具有重要經(jīng)濟(jì)與實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

環(huán)剪儀測控系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、采集系統(tǒng)［4］設(shè)計(jì)及上位機(jī)控制顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)。即替換了原來的控制輸出部分、采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分和上位機(jī)記錄部分。測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

環(huán)剪儀的控制量為模擬電壓量［5］。上位機(jī)設(shè)定的電壓確定值經(jīng)過串口輸送到電壓控制單片機(jī)中，單片機(jī)將數(shù)據(jù)輸送到4路DA中，實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號［6］輸出，以控制環(huán)剪儀工作。

設(shè)計(jì)采用16位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其輸出電壓值為

式中，D2N代表輸入值(0～65 535)。當(dāng)UREF=5 V、R1=R2=10 kΩ時(shí)，其輸出電壓－5～+5 V。當(dāng)輸入16進(jìn)制值為0000時(shí)相當(dāng)于輸出值的－5 V;當(dāng)輸入16進(jìn)制值為FFFF時(shí)相當(dāng)于輸出值的+5 V，其輸出電壓公式可簡化為

2.2 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于外電路輸入的電壓是傳感器實(shí)際采集數(shù)據(jù)的電壓信號，所以采集時(shí)應(yīng)經(jīng)過電壓跟隨器使電壓能夠穩(wěn)定的輸入到后續(xù)電路中。實(shí)際信號幅值可能比較大，超出AD轉(zhuǎn)換范圍［7］，在輸入端加上了幅值衰減器，如果輸入信號在－10～+10 V，選擇應(yīng)用衰減電路;信號在－5～+5 V，可直接連接電壓跟隨器。在多路被測信號共用一路AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常用模擬開關(guān)將多路被測信號分時(shí)送到AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

環(huán)剪儀共有6個(gè)傳感器采集不同數(shù)據(jù)需要儲(chǔ)存并顯示。實(shí)際工作時(shí)多個(gè)傳感器輸出信號通過模擬開關(guān)，使得信號依次循環(huán)輸送到AD中，雙通道AD采集芯片進(jìn)行分時(shí)工作，將數(shù)字信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集單片機(jī)［8］中，單片機(jī)應(yīng)用串口將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中。采集系統(tǒng)［9］結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 上位機(jī)控制顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制顯示系統(tǒng)包括控制電壓輸出部分和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成圖［10］部分?？刂撇糠帜軌虼_定電壓控制量值大小;采集部分存儲(chǔ)并成圖顯示接收到的每路采集數(shù)據(jù)，可以清晰判斷參數(shù)變化趨勢。

上位機(jī)程序在LabVIEW環(huán)境［11］中開發(fā)，由于使用串口通信，所以要設(shè)定通訊口、是否有校驗(yàn)位、波特率以及數(shù)據(jù)位數(shù)參量。

3 整體測試

輸出電壓信號的值可達(dá)到－5～+5 V、－10～+10 V。由于在DA芯片的輸出端加了放大器使DA輸出的信號由原來的+5 V變?yōu)楝F(xiàn)在的雙極性±5 V范圍。輸出的模擬電壓信號［12］可用示波器顯示。這樣的轉(zhuǎn)換范圍可以滿足環(huán)剪儀對控制信號的需要。上位機(jī)控制部分界面見圖3，此時(shí)輸出波形見圖4。

圖3 上位機(jī)控制界面

圖4 輸出波形顯示

模擬6路采集信號輸入系統(tǒng)［13］，將同一路信號的各個(gè)值繪制成此路信號的波形圖［14］，表示信號的變化趨勢。上位機(jī)數(shù)據(jù)采集顯示界面見圖5。左下部分的框圖是6路信號值顯示，其值將存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。右下部分圖形是6路信號的波形顯示，每路信號［15］采用不同顏色的波形表示。AD可轉(zhuǎn)換的信號電壓范圍選－5～+5 V、－10～+10 V，這可以滿足環(huán)剪儀傳感器的采集需求。AD采集數(shù)據(jù)有4位精度，精確到mV數(shù)量級，可以滿足實(shí)際要求。

圖5 上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面

4 結(jié)語

整體測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的環(huán)剪儀控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、上位機(jī)控制顯示系統(tǒng)能夠代替原有的環(huán)剪儀系統(tǒng)測試控制部分，實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。通過整體測試也能驗(yàn)證設(shè)計(jì)的環(huán)剪儀測控系統(tǒng)具有快速、高效、穩(wěn)定的工作模式，符合環(huán)剪儀工作的實(shí)際要求。

［1］ 孫 濤，洪 勇，欒茂田.采用環(huán)剪儀對超固結(jié)黏土抗剪強(qiáng)度特性的研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30(7):2000-2010.

［2］ 洪 勇，孫 濤，欒茂田.土工環(huán)剪儀的開發(fā)及其應(yīng)用研究現(xiàn)狀［J］.巖土力學(xué)，2009，30(3):628-634.

［3］ 孫 濤.利用環(huán)剪儀對超固結(jié)黏土抗剪強(qiáng)度特性的研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008.

［4］ 劉 艷，陳仁安.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(2):70-72.

［5］ 程 倫，趙自剛，陳志永.基于協(xié)調(diào)控制的自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)分析［J］.河北電力技術(shù)，2012，31(3):45-47.

［6］ 向 余.自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)(AVC)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都:電子科技大學(xué)，2011.

［7］ 李華東.語音識別系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)［D］.西安:西安理工大學(xué)，2009.

［8］ 張文濤，馬冬寶，葉如燕.PLC與GPS接收器通訊及定位數(shù)據(jù)采集技術(shù)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(5):54-57.

［9］ 蔡 韻.淺析GPS技術(shù)在土地測繪中的應(yīng)用［J］.價(jià)值工程，2010(6):94-95.

［10］ 葉 凱.基于FPGA和LabVIEW的雙通道示波器設(shè)計(jì)［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31(5):22-24.

［11］ 蘇仔見，倪 攀，許少倫.LabVIEW在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(10):38-40.

［12］ 莊偉雄，何益宏.有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制系統(tǒng)的仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012，24(5):979-983.

［13］ 唐貴平，唐立軍，何 興.實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的創(chuàng)建探索［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24(6):91-93.

［14］ 張海平.分析LabVIEW控制下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011，30(24):71.

［15］ 戴宏亮.基于VB與LabVIEW的信號處理多媒體課件設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(10):75-77.