基于ARM的可遠(yuǎn)程操控的鑿巖機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

余志勇，王向平，徐壬六

（衢州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)中心，浙江 衢州 324002）

1 前言

鑿巖機(jī)性能檢測(cè)是鑿巖機(jī)產(chǎn)品研制、開發(fā)、生產(chǎn)和產(chǎn)品升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。對(duì)于一般類型的鑿巖機(jī)的性能檢測(cè)，其主要性能參數(shù)是沖擊能量、沖擊頻率、旋轉(zhuǎn)扭矩等。這些性能參數(shù)的檢測(cè)方法和檢測(cè)設(shè)備或儀器比較成熟，例如：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織和我國(guó)國(guó)標(biāo)都建議采用應(yīng)力波法測(cè)試沖擊能，可借助于波形存儲(chǔ)器或示波器有效地檢測(cè)、處理應(yīng)力波，旋轉(zhuǎn)扭矩可以使用扭矩儀進(jìn)行檢測(cè)；但由于這些儀器或設(shè)備本身是獨(dú)立工作，為此也需要建立多套針對(duì)于不同參數(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行不同的試驗(yàn)，在測(cè)試時(shí)，需要開啟不同的系統(tǒng)，需要多人進(jìn)行配合，工作量大。

隨著鑿巖機(jī)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，鑿巖機(jī)性能檢測(cè)系統(tǒng)也需要配備更多的技術(shù)功能，能實(shí)現(xiàn)對(duì)所有檢測(cè)系統(tǒng)的集中控制，對(duì)需要檢測(cè)的性能參數(shù)，以及壓力、流量等工作參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)集成，便于試驗(yàn)人員調(diào)節(jié)、控制試驗(yàn)進(jìn)程。本文介紹的基于ARM的可遠(yuǎn)程操控的鑿巖機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)，其工作可靠性高，除能實(shí)現(xiàn)鑿巖機(jī)性能參數(shù)的自動(dòng)采集和處理，還具備遠(yuǎn)程控制功能。

2 基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

鑿巖機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于ARM○CortexTM-M4為內(nèi)核的STM32F4系列高性能微控制器(MCU)，STM32F4系列微控制器集成了單周器DSP指令和FPU （floating point unit，浮點(diǎn)單元），提升了計(jì)算能力，可以進(jìn)行一些復(fù)雜的計(jì)算和控制。

采集系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換器采用MP4623采集卡，其轉(zhuǎn)換精度是12位的，一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，共16個(gè)外部信號(hào)源，可以滿足本方案性能參數(shù)測(cè)試需要，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束，產(chǎn)生中斷，具備可編程的采樣時(shí)間，最小采樣時(shí)間為1微秒，通道轉(zhuǎn)換期間有DMA請(qǐng)求。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DMA中斷方式，提高采樣速度，AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA通道，無(wú)需CPU干預(yù)，即可傳輸?shù)絻?nèi)存。這樣CPU可以集中運(yùn)行數(shù)據(jù)處理任務(wù)。DMA的主要優(yōu)勢(shì)是可在無(wú)CPU干涉的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，可以將ADC的速度發(fā)揮到極致。MCU查詢到一幀數(shù)據(jù)采集完成后，再奪回?cái)?shù)據(jù)總線，從RAM中讀取數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)并保存波形。DMA傳輸原理圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)變片，傳感器把各種物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由于信號(hào)電平比較低，需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行信號(hào)放大、濾波及噪聲消除。經(jīng)過(guò)調(diào)理的信號(hào)將送到微控制器的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字量的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)DMA傳輸通道將數(shù)據(jù)送到內(nèi)存中，當(dāng)完成規(guī)定數(shù)據(jù)的采集后，DMA通道將產(chǎn)生一個(gè)中斷，告訴MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，MCU將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，電平檢測(cè)，對(duì)滿足預(yù)設(shè)條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并保存。同時(shí)MCU還可以通過(guò)串口通信方式將波形數(shù)據(jù)發(fā)送到上位計(jì)算機(jī)。

圖1 DMA傳輸原理圖

程序采用C++進(jìn)行軟件編譯，在主菜單中可以選擇進(jìn)入波存參數(shù)設(shè)置、AD參數(shù)設(shè)置、AD參數(shù)標(biāo)定、沖擊能標(biāo)定、沖擊能測(cè)試、數(shù)據(jù)查詢界面。通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生應(yīng)力波，并將其波形按需要顯示。根據(jù)對(duì)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算和波形的觀察，可以選擇是否保存波形數(shù)據(jù)，同時(shí)可以將包含日期、參數(shù)、波形的頁(yè)面進(jìn)行打印。另外，軟件還具有sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)功能，能夠?qū)y(cè)試結(jié)果進(jìn)行模糊查詢。

圖2 波形采集系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制端連接，在遠(yuǎn)端控制操作平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鑿巖機(jī)檢測(cè)過(guò)程及參數(shù)采集的控制，并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，即在遠(yuǎn)程控制端能及時(shí)獲取鑿巖機(jī)性能檢測(cè)結(jié)果。

3 鑿巖機(jī)性能檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 鑿巖機(jī)性能檢測(cè)系統(tǒng)

鑿巖機(jī)性能檢測(cè)系統(tǒng)包括：沖擊性能檢測(cè)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)性能檢測(cè)系統(tǒng)、鑿巖檢測(cè)系統(tǒng)等，下面以氣動(dòng)鑿巖機(jī)沖擊性能檢測(cè)系統(tǒng)為例介紹。

氣動(dòng)鑿巖機(jī)沖擊性能測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，本套系統(tǒng)測(cè)量方法按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求選用應(yīng)力波法，其突出優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需改裝或破壞產(chǎn)品，便于實(shí)施。被測(cè)樣機(jī)、測(cè)桿和吸能裝置安裝在立式臺(tái)上。標(biāo)定和試驗(yàn)共用一個(gè)臺(tái)架。標(biāo)定管與裝夾氣動(dòng)鑿巖機(jī)的推進(jìn)裝置呈角度套裝于立柱上，并可以轉(zhuǎn)動(dòng)，分別實(shí)施標(biāo)定和測(cè)試工作。吸能器安置在地坑內(nèi)。將臺(tái)架的標(biāo)定管對(duì)準(zhǔn)測(cè)桿進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)束后，將臺(tái)架的推進(jìn)裝置旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)測(cè)桿。氣動(dòng)鑿巖機(jī)垂直插入測(cè)桿中，由氣缸給氣動(dòng)鑿巖機(jī)施加推力進(jìn)行測(cè)試工作。

圖3 沖擊性能測(cè)試系統(tǒng)

表1 測(cè)試內(nèi)容及范圍

在釬桿上采用兩組應(yīng)變片相對(duì)粘貼于釬桿兩側(cè)，串聯(lián)作為半橋的一臂檢測(cè)釬桿中之縱波。橋路中測(cè)取的電壓經(jīng)應(yīng)變儀適當(dāng)放大，輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，依次準(zhǔn)確地俘獲每次沖擊的入射應(yīng)力波，經(jīng)A/D變換，通過(guò)接口輸入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。得到連續(xù)25次沖擊的測(cè)桿最大應(yīng)力、沖擊能和沖擊頻率及其統(tǒng)計(jì)值。由打印機(jī)給出相應(yīng)的數(shù)字結(jié)果和四條應(yīng)力波形采樣曲線。

本套系統(tǒng)可以檢測(cè)的參數(shù)見表1所示，可以實(shí)現(xiàn)在同一軟件界面下顯示數(shù)據(jù)。

3.2 檢測(cè)試驗(yàn)

采用上述氣動(dòng)鑿巖機(jī)沖擊性能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某單位生產(chǎn)的YT27型鑿巖機(jī)進(jìn)行了沖擊性能測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)工作壓力分別為0.63 MPa、0.5 MPa，其測(cè)試曲線如圖4、圖5所示。

圖4 壓力0.63MPa沖擊性能測(cè)試曲線

圖5 壓力0.5MPa沖擊性能測(cè)試曲線

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)表明：本文所介紹的基于ARM的可遠(yuǎn)程操控的鑿巖機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)，作為鑿巖機(jī)性能測(cè)試專用測(cè)試系統(tǒng)，其工作可靠性高，除了能實(shí)現(xiàn)鑿巖機(jī)性能參數(shù)的自動(dòng)采集和處理外，還具備遠(yuǎn)程控制功能，能完全滿足現(xiàn)階段鑿巖機(jī)性能測(cè)試的需要，可提供鑿巖機(jī)生產(chǎn)廠家作為質(zhì)量監(jiān)控的手段。

參考文獻(xiàn)：

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