基于虛擬儀器的扭簧檢測系統的設計*

建軍

(江漢大學物理與信息學院 武漢 430056)

1 系統硬件結構

控制與數據采集系統由上位機和下位機組成,由于系統對運行速度、靈敏度、穩定性及抗干擾等方面的要求,選用一般個人計算機作為上位機,進行虛擬儀器labV iew程序的設計和開發、以C8051F020作為下位機進行數據采集并通過USB將數據發送到上位機.

下位機采用功能強大、自帶A/D轉換模塊和USB通信模塊的C8051F020.實現扭簧數據的采集和控制[1-2].系統硬件結構如圖1所示.

圖1 系統硬件結構圖

2路檢測信號為轉矩傳感器信號和光電編碼器信號.路角位移傳感器(光電編碼器)將一個輸出脈沖信號對應于一個增量位移,另一路由其加計數器對脈沖進行計數,通過信號調理,進入C8051F020進行處理,換算成扭簧的角度,轉矩傳感器將扭簧的扭轉力矩產生的應變轉換為與其成線性關系的電信號,經A/D轉換模塊轉換為數字量.

1.1 C8051F020單片機模塊

C8051F020器件是完全集成的混合信號系統級MCU芯片,具有 64個數字I/O引腳,高速、流水線結構的 8051兼容的 CIP-51內核 ,自帶12位8通道ADC.

本設計所采用的主控制器為C8051F020,它與普通51單片機兼容,不同的是帶有內部ADC,十分適合用來實現此次設計中的相關功能.采用內部集成模塊,不僅大大簡化了硬件系統的設計,而且增加了系統的穩定性和可靠性.

與C8051F020連接的是放大芯片AD620,光耦濾波芯片6N138,液晶與鍵盤.由傳感器來的微弱信號需要進行放大,以提高信號分辨率.為了達到最高的測試精度,應該使被測信號的電壓變化范圍被放大至ADC的最大量程附近,這樣可以提高測量精度.在本文的設計中,采用了AD620作為放大芯片,AD620是一種低功耗的儀用放大器,特別適合做小信號的前置放大級,經AD620放大后的小信號失真度很小.圖2所示為信號濾波與放大電路圖.

圖3所示為AD620儀表放大器的腳位圖.其中1,8引腳要跨接一個電阻來調整放大倍率,4,7引腳需提供正負相等的工作電壓,由 2,3引腳輸入的放大的電壓即可從引腳6輸出放大后的電壓值.引腳5則是參考基準,如果接則引腳6的輸出即為與地之間的相對電壓.AD620的放大增益關系式如式(1)、式(2),借由該等式,可以推算出各種增益所需要電阻的阻值.

放大倍數

阻值取值

圖2 內部結構與外部連接圖

圖3 管腳圖

AD620的基本特點為精確度高、使用簡易、低噪聲,應用十分廣泛,其增益范圍:1～1 000,電源供應范圍:±2.3～ ±18 V,耗電量極低,僅為1.3 mA,在本次設計中,轉矩傳感器發出的是mV級的電壓,C8051F020中,AD的參考電壓為2.5 V,故G取50,RG=1 KΩ.

1.2 隔 離

光電編碼器輸出的是脈沖信號,對于脈沖信號采用光電隔離的方法進行采集,隔離也是信號調理中的一種.由于光耦合器件輸入輸出間采用光傳輸信號,傳數據有單向性的特點,輸入輸出完全實現了電氣隔離,從安全的角度把傳感器信號同計算機隔離開,因為被監測系統可能產生瞬時高電壓.另一個原因是隔離可使從數據采集板出來的數據不受地電位和輸入模式的影響.當輸入DAQ板的信號與原始的信號不共地時,可能產生較大誤差甚至損壞系統,而用隔離辦法就能保證信號準確,因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力[3-4].

6N138 作為光耦合器件適合對開關量進行隔離,6N138光耦是由A lGaA s LED和一個大增益分離達靈頓光電檢測器耦合組成的(如圖4,5),分離的達靈頓檢測器是由輸入的發光二極管和來自輸出晶體的一級增益構成的,輸出晶體允許比傳統的達靈頓光耦更低的輸出飽和電壓和更高轉換速度,當輸出需要兼容CMOS和TTL的電平時,0.5 mA的低輸入電流和2 000%的高電流轉換率的結合使該器件對于MOS,CMOS,LSTTL and EIA RS232C這些電平是很有用的.6N138在系統中的接法如圖6所示.

圖4 6N138引腳圖

圖5 6N138內部結構圖

圖6 6N138在系統中的接法

2 系統軟件結構

2.1 下位機的軟件設計

由于本系統要求的功能多,所以軟件設計比較復雜.為使程序清晰、明了、更有于修改和維護,單片機系統軟件采用模塊式結構,選用了C語言進行編程.程序的易編性與易讀性好,便于調試、修改和功能擴充.

各個功能模塊的硬件設計,構成整個系統的物理基礎.各功能模塊需要在一定的軟件程序控制之下才能完成自身功能并且協調工作.要使各功能模塊協調配合,真正地運作起來,還必須由軟件將它們連成一個有機整休,整個系統才能協調完成指定的功能,并具有“自動化”、“智能化”的特點.

本系統軟件可分為以下幾個主要模塊:主程序、系統初始化、鍵盤掃描、液晶顯示、數據采集,數據存儲等.程序流程圖如圖7所示.

圖7 程序流程圖

2.2 上位機的軟件設計

上位機采用 LABVIEW軟件來實現扭簧的測試,該軟件是運用圖形化編程語言LabV IEW為軟件開發平臺,在程序的開發過程中運用模塊化的設計思想,根據不同功能的需要,分別組建各種功能模塊,本系統包含了數據采集模塊、數據存儲與讀取模塊、數據處理模塊、結果顯示模塊,其界面設計如圖8所示[5-6].

利用LABV IEW軟件的開發平臺,設計扭簧測試系統的計算機測控程序.實現的主要功能有:(1)顯示扭簧角度動態變化過程以及轉矩實時測量值;(2)按類型和編號等參數對扭簧的測試數據進行儲存,生成歷史數據庫.取得權限的操作人員可以對扭簧的試驗理論參數進行處理;(3)根據測試數據生成報表和扭簧力矩-角位移關系曲線,并可打印;(4)對現場執行機構進行操作.人機對話界面有參數設置界面、扭簧試驗數據界面、報表界面等,參數設置界面要求用戶設置類型和編號等參數.如果參數設置不正確,計算機將發出提示信號.同時操作人員可以對彈簧的試驗理論參數進行修改,修改后的數據自動保存.保存數據為二進制格式,并釋放串口資源.各節點之間使用事件結構設置,前面板和框圖同步執行,節省了CPU資源.

圖8 LabV IEW界面設計

3 實驗結果及指標分析

3.1 扭簧扭角實測結果

表1 扭角實測數據與標準數據的比較

3.2 數據分析與結論

對扭簧測試儀器設計了共用的測量電路接口,以先進的數字化采集和數據處理系統代替了原機械測量系統.從性能指標上分析,扭簧測試儀器達到了測量±1%以內、扭簧測試儀器達到了±1%以內.并且引入微機處理系統,具有測量、數據存儲處理等功能,功能指標大大增強.因此,扭簧測試機系統的研制獲得了滿意的結果.

4 結 束 語

本文以測量扭簧轉矩性能測試裝置的研制項目為背景,圍繞扭簧的扭矩和角度測試及自動篩選問題,研究并解決模擬信號和脈沖信號處理的技術難題,設計相關電子電路.在軟件方面,下位機和LabVIEW的編程使用了C和G(graphic)這2種流行語言.全文從整個測量系統出發,設計了系統方案并進行了分析.系統從響應用戶輸入,到檢測扭簧參數,到比對標準數據,再到結果判斷并輸出,實現了全自動控制.

[1]毛建東.基于LabVIEW的單片機數據采集系統的設計[J].微計算機信息,2006,(2):41-42.

[2]楊樂平,李海濤,楊 磊.LabVIEW程序設計與應用[M].北京:電子工業出版社,2001.

[3]丁建軍.集裝箱轉鎖裝卸機械手控制系統的設計[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2004,28(1):33-35.

[4]楊明莉,葛立峰.基于LabVIEW平臺的低頻數據采集系統的設計[J].自動化與儀表,2007,22(3):73-76.

[5]林國漢,李曉秀.LIN Guo-han.LI Xiao-xiu基于單片機的數據采集與處理系統的設計[J].湖南工程學院學報:自然科學版,2009,19(2):55-58.

[6]顧亞雄,朱翠英,許方華.基于 LabV IEW的單片機多路數據采集系統的設計[J].自動化技術與應用,2009,28(10):89-92.