材料試驗機是測定材料機械性能的基本設(shè)備之一,主要用作對金屬、橡膠、塑料、陶瓷和水泥等材料的拉伸、壓縮、彎曲和剪切等機械性能的試驗,可完成對材料的強度、塑性、彈性及韌性的檢測。隨著化的不斷深入,國內(nèi)外材料試驗機的發(fā)展主要呈現(xiàn)出計算機化、數(shù)據(jù)處理全面化、控制化、全面化的特點。
當(dāng)前材料試驗機測控系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的復(fù)雜性,要在盡可能小的空間中集成數(shù)據(jù)采集、處理,人機界面,串行通信等多個功能。傳統(tǒng)的單片機由于功能單一,往往無法滿足要求,或者即使可以實現(xiàn),也需要使用大量的MCU協(xié)同工作,在信號連接、編程和減少體積方面,都會遇到不小的困難。在裸機上直接開發(fā)運行前后臺系統(tǒng)的開發(fā)、維護和擴展都很困難,而且這樣的系統(tǒng)本質(zhì)上是一個程序超循環(huán),根本無法保證測控系統(tǒng)的實時性要求。
材料試驗機測控系統(tǒng)不但要求系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)隨機發(fā)生的外部事件,對其進行快速處理,還需要同時執(zhí)行多個任務(wù),并對每個任務(wù)實時響應(yīng)。如果使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù),則可以使用單片嵌入式CPU,集成多種功能,逐步解決存在的問題。
本文就是基于這樣的背景,提出一種基于SEP3203處理器和實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的高精度材料試驗機測控系統(tǒng)的實現(xiàn)。
1系統(tǒng)工作原理
試驗機利用控制器,先經(jīng)交流伺服單元控制電機運轉(zhuǎn),再經(jīng)精密減速器減速后,通過反齒隙游移螺帽由電機帶動雙螺旋絲杠副,驅(qū)動動橫梁上下移動,從而實現(xiàn)對試樣的加載過程,完成試樣的拉伸、壓縮等力學(xué)性能試驗。它的工作原理如圖1所示。在做拉力試驗或者其他試驗時,由于試驗機的負(fù)荷傳感器與試樣失去平衡,電橋產(chǎn)生一個弱小的不平衡電壓輸出。該電壓在一定范圍內(nèi)與作用力的大小呈線性正比例關(guān)系。然而試樣在負(fù)荷作用下引起的變形量則通過電子引伸計獲得。負(fù)荷傳感器和電子引伸計輸出的小信號都經(jīng)測量單元放大處理后,送給控制器數(shù)據(jù)采集輸入端進行數(shù)據(jù)處理,得到力和變形量值,同時繪制出力和變形等特征曲線。此外,動橫梁的位移則通過安裝在電機轉(zhuǎn)軸上的光電編碼器數(shù)字測量獲得。
2測控系統(tǒng)硬件設(shè)計
根據(jù)試驗機的功能要求和工作原理,該系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.1核心板和電源模塊
核心板上的處理器采用東南大學(xué)博芯公司的SEP3203。SEP3203處理器內(nèi)嵌了英國ARM公司提供的ARM7TDMI處理器內(nèi)核,內(nèi)嵌20KB片上零等待靜態(tài)存儲器;集成了支持黑白、灰度、彩色的LCD控制器;支持用于連接觸摸屏通信的SPI協(xié)議。一個通道實時時鐘模塊,85個通用I/O口和18個外部中斷源。
核心板中存儲器部分包括8MBSDRAM和2MBNORFLASH。通過擴展插座引入核心板所用到的RESET和WAKEUP功能引腳;通過擴展插座將22位地址線和32位數(shù)據(jù)線以及未用的控制信號擴展到母板。
該系統(tǒng)要求多路電源供電,如ARM核心板需要3.3V和5V兩路電源;在系統(tǒng)的外圍部件中,LCD控制模塊需要5V電源供電;A/D轉(zhuǎn)換模塊需要6V電源同時供電;伺服驅(qū)動器則需要12V電源供電,所以應(yīng)該對輸入電源進行相應(yīng)的穩(wěn)壓、分路等設(shè)計。
2.2外圍通用接口模塊
試驗機控制器的外圍通用接口模塊主要包含通用I/O口、USB接口、JTAG調(diào)試口等。在試驗機系統(tǒng)中,控制器除了要與上下層通信外,主要還涉及到傳感器測量參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和伺服控制信號的輸出等。同時,開關(guān)量也是測控現(xiàn)場簡單且使用較頻繁的信號之一,如試驗機動橫梁的限位開關(guān)、液晶顯示控制和指示燈的亮滅等。設(shè)計中采用SEP3203的通用I/口來實現(xiàn)這些信號的輸入/輸出。
SEP3203提供了85個通用I/O口和18個外部中斷源,無需擴展I/O口。使用端口功能時先在程序里把引腳功能模式定義好,即將每個端口配置為輸入模式、輸出模式或中斷功能模式,每個復(fù)用引腳都有對應(yīng)的寄存器位來選擇實際使用的功能模式。該設(shè)計中,I/O通道使用雙向緩沖器件74LVCH16224,以增強總線驅(qū)動能力。
此外,系統(tǒng)中還添加了2個USB接口,用于測試結(jié)果的輸出或作為備用接口。
2.3信號采集模塊
信號采集模塊包括多通道力值采集模塊和多通道變形信號采集模塊。
力值和變形是系統(tǒng)所采集的主要信號。傳感器的電壓信號輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5530中,CS5530的差動輸入端可以直接測量來自傳感器的毫伏信號,這簡化了與外圍電路的連接??删幊淘鲆娣糯笃髂苁狗糯蟊稊?shù)從1~32進行設(shè)定,大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性。多級程控數(shù)字濾波器可使數(shù)據(jù)輸出速率得到選擇,范圍為7.5Hz~3.84kHz,方便了與外設(shè)的連接。另外,CS5530內(nèi)部有一個完整的自校正系統(tǒng),可以進行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn),從而可消除A/D本身的零點增益和漂移誤差,以及系統(tǒng)通道的失調(diào)和增益誤差。此外,由線性穩(wěn)壓元件7806提供工作電壓,以確保信號采集精度。
2.4人機交互模塊
為了使試驗機測控系統(tǒng)具有更好的人機交互界面,便于用戶調(diào)試與操作,需要給其配置顯示裝置,如LCD液晶顯示屏以及信號燈提示等。另外.要進行人機交互,還得有輸入裝置,使用戶可以對ARM主控制器發(fā)出命令或輸入必要的控制參數(shù)等,該系統(tǒng)采用觸摸屏輸入。
根據(jù)系統(tǒng)的實際需要,液晶顯示模塊采用240×320黑白4級灰度顯示屏,兼容彩色7寸64K彩色TFT液晶屏,觸摸屏與LCD合為一體。觸摸屏采用AC97+UCB1400工作方式。UCB1400的小體積與低電壓(3.3V)特性使其成為新一代PDA應(yīng)用產(chǎn)品的理想選擇。它集成了的音頻編解碼、觸摸屏控制器以及電源管理等功能,并以標(biāo)準(zhǔn)、立即可用的產(chǎn)品形態(tài)提供客戶化功能。UCB1400控制器作為液晶顯示屏與ARM的接口,用來直接驅(qū)動液晶控制字符、漢字以及圖形的顯示。借助UCB1400,可以直接利用SEP3203的I/O口模擬液晶的讀/寫和控制時序,使得ARM對液晶的操作實際上變?yōu)锳RM對液晶顯示控制器UCB1400的操作,從而簡化了接口電路的硬件連接和軟件編程。
3測控系統(tǒng)軟件設(shè)計
μC/OS-Ⅱ是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的*可剝離的實時操作系統(tǒng),可以管理64個任務(wù),其中留給用戶的應(yīng)用程序多可有56個任務(wù)。這種RTOS應(yīng)用軟件的開發(fā)過程為:
(1)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案,明確應(yīng)用軟件的功能;
?。?)結(jié)合RTOS的并發(fā)特性(或準(zhǔn)并發(fā)特性),對應(yīng)用軟件要實現(xiàn)的功能進行大小適當(dāng)?shù)膭澐?,也就是把?yīng)用軟件的功能按照一定的原則劃分為若干個任務(wù)模塊;
(3)對各個任務(wù)間的通信和時延進行仔細(xì)的確認(rèn)。
在μC/OS-Ⅱ中,每個任務(wù)都是一個無限的循環(huán),都可能處于以下5種狀態(tài):休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)和被中斷態(tài)。任務(wù)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖3所示。
3.1測控系統(tǒng)軟件模塊分析
在該系統(tǒng)中,主要實現(xiàn)的功能是測試數(shù)據(jù)(包括力值、位移值)的采集、測試數(shù)據(jù)在LCD上面的顯示、伺電機的控制、人機交互以及數(shù)據(jù)通信等。由于力值和位移值是試驗機系統(tǒng)的2項關(guān)鍵數(shù)據(jù),將直接表征被測試件的力學(xué)性能,對采集的實時性和精度要求都很高,所以就需要在測試過程中連續(xù)地將實時力值和位移值傳遞給主控制器。主控制器將憑借所獲取的力值和位移值來確定當(dāng)前測試狀態(tài),確定控制操作。如圖4、圖5所示。
依上所述,將系統(tǒng)劃分為若干任務(wù)模塊,將實時性要求高的任務(wù),分配給高優(yōu)先級;將實時性要求低的任務(wù),分配給低優(yōu)先級。該系統(tǒng)任務(wù)的具體劃分見表1。
表中,SysTaskstart的任務(wù)主要是完成系統(tǒng)硬件的初始化、用戶配置初始化、圖形界面GUI的初始化及其他任務(wù)的創(chuàng)建等工作。主測試任務(wù)TaskTest是整個材料試驗機測控系統(tǒng)的核心。該任務(wù)用來實現(xiàn)材料試驗機的測試邏輯,實時讀取力傳感器和位移傳感器的數(shù)值,判斷測試狀態(tài),依據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的控制操作,以完成測試,后保存測試結(jié)果。
3.2人機交互界面設(shè)計
人機界面是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分,它可以讓用戶方便地輸入?yún)?shù),執(zhí)行操作,并及時呈現(xiàn)出必要的信息提示用戶。用戶在測試材料時,需要頻繁地向控制器發(fā)出不同的操作命令或更改系統(tǒng)參數(shù),因此友好的人機交互界面是必需的。該系統(tǒng)采用μC/GUI來進行人機界面的設(shè)計。μC/GUI是一個源代碼開放的GUI,可以實現(xiàn)Windows風(fēng)格的圖形界面,微型是它的大特點,同時它占用很小的系統(tǒng)資源,易于移植,功能強大;可以運行在μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)中;采用了100%的ANSIC編寫,可以應(yīng)用于任何LCD和CPU中;加上其源代碼開放的特點,使用起來非常靈活。
4結(jié)語
該材料試驗機測控系統(tǒng),以SEP3203微處理器和μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)為基礎(chǔ),具有精度高,實時性好,界面友好等特點,其模塊化設(shè)計便于今后對故障的查找和系統(tǒng)的改造升級。
基于SEP3203拉力試驗機嵌入式測控系統(tǒng)設(shè)計
更新時間:2011-04-19 點擊次數(shù):1755次