嵌入式杯突試驗機測控系統設計與實現
2012-04-12 00:00:00龔雙喜石奮蘇
現代電子技術 2012年13期
摘要：針對目前國內杯突試驗機測控系統成本高、功耗大的缺點，提出了一種基于嵌入式的杯突試驗機測控系統的設計方案。該方案以S3C2440微處理器為核心并增加了相關外圍電路，設計了相關驅動程序并且移植和裁剪了Linux操作系統，使用多線程技術開發應用程序并與SQLite數據庫相結合實現了對杯突試驗機的控制及試驗數據的自動采集、存儲與管理。該系統充分發揮了嵌入式系統體積小、功耗低和專用性強的特點，具有較高的應用價值。
關鍵詞：杯突試驗機； 嵌入式； 光柵尺； LS7266R1； ADS7842
中圖分類號：
TN911.734; TP273
文獻標識碼：A
文章編號：1004373X(2012)13
0101
04
收稿日期：20120216
基金項目：寧夏回族自治區科技攻關計劃項目(寧科計字\\[2009\\]83號第25項)
0引言
杯突試驗機是對金屬薄板和帶材進行延展性試驗的專用設備，也是目前國內評定金屬材料塑性變形性能的惟一設備，主要用于檢驗各種金屬薄板在試驗過程中的塑性變形性能及有色金屬薄板的各項異性。近年來，隨著我國科技力量的不斷提升，金屬材料的生產加工工藝也取得了長足的進步，為了獲得新工藝下材料的各項性能，杯突試驗機得到了更加廣泛的應用。
目前國內的杯突試驗機測控系統大多是以PLC、人機界面和計算機相結合的方式。這種方式主要存在以下缺點：生產成本高、功耗大、試驗操作臺與計算機終端的分離給操作人員帶來了很大的不便。
針對以上缺點，本文將目前日益成熟的嵌入式技術應用到杯突試驗機測控系統的改造中，設計了一種基于嵌入式的杯突試驗機測控系統。該系統能夠在確保試驗數據精度的同時，充分發揮嵌入式系統體積小、功耗低、專用性強以及可靠性高等特點，具有較高的應用價值。
1杯突試驗機組成及工作原理［1］
杯突試驗機主機組成：杯突試驗機主要由油泵、溢流閥、電磁換向閥、節流閥、沖力閥、單向閥、工作缸、活塞、沖壓力傳感器、壓邊力傳感器、光柵位移傳感器以及電氣控制裝置等組成。其中，電氣裝置主要由控制電路、繼電器、直流電源、電流信號轉換器等構成。
杯突試驗機工作原理：當啟動夾緊油泵時，油經換向閥、調速閥流向夾緊油缸，推動大活塞上升，使夾模將試樣夾緊；然后啟動沖壓油泵，油經換向閥、調速閥流向沖壓油缸，推動小活塞上升，使球形沖頭壓入試樣；當試樣在全厚度上出現穿透裂縫時，沖壓負荷下降，此時沖頭壓入試樣的深度即為試樣的杯突值［2］，然后兩換向閥同時換向，油泵的油流回油池，使沖頭、墊模下降，當活塞落底時結束所有操作動作，完成試樣杯突值的一次檢測。
2系統分析
測控系統需要完成如下兩大功能：一是控制試驗機完成相關的試驗操作并能實時采集試驗數據；二是試驗數據的保存、查詢、編輯及打印等。現將整個測控系統劃分為以下四個部分：主控制器單元、數據測量單元、電氣控制單元以及杯突試驗機主機。系統的整體結構如圖1所示。
主控制器單元是整個測控系統的核心，其核心電路是ARM9核心板，使用了三星公司的S3C2440芯片，主頻可達400 MHz，其內部集成了A/D、LCD觸摸屏、GPIO、USB以及網絡等接口。該單元通過系統總線和GPIO接口實現數據的采集并完成對試驗機的控制。用戶通過觸摸屏與測控系統的應用程序進行交互，控制試驗機的整個工作過程、完成數據的采集以及試驗數據的存儲和管理等操作；通過網絡接口實現與上位機或服務器之間數據的上傳與下載；通過USB接口完成試驗數據的打印。
電氣控制單元主要包括繼電器和相應的驅動電路，其主要任務是根據微處理器發出的命令控制試驗機的機械裝置，完成整個試驗過程。根據試驗機的工作原理，一次完整的試驗需要發出以下六個操作指令：夾緊油泵工作、夾緊電機工作、沖壓電機工作、沖壓油泵工作、夾緊換向閥換向、沖壓換向閥換向，這些操作指令分別對應6個開關量信號。微處理器發出的這些開關量信號通過GPIO口驅動繼電器從而控制試驗機內部各機械裝置來完成整個試驗過程。
數據測量單元包括兩種傳感器和對應的測量電路。這兩種傳感器分別是光柵尺和壓力變送器。前者用來測量試樣的杯突值，后者用來測量夾緊力值和沖壓力值。
試驗機主機主要包括油泵、溢流閥、電磁換向閥、節流閥、沖力閥、單向閥、工作缸、活塞等機械裝置。
3系統硬件設計
3.1杯突值測量電路
沖頭壓入試樣的深度即試樣的杯突值是通過固定在沖頭上的光柵位移傳感器(以下簡稱光柵尺)來測量的。光柵尺是一種利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置，其輸出的信號為數字脈沖，具有測量范圍大、精度高、響應速度快等特點。
光柵尺信號的采集一般分為濾波整形、鑒相、倍頻、計數等幾個步驟。本系統將光柵尺輸出的相位相差90°的A，B正交編碼脈沖信號經過光電耦合器隔離、電平轉換及濾波整形后送入LS7266R1［3］芯片， LS7266R1通過8位數據總線將計數結果送給嵌入式微處理器進行處理。
LS7266R1是美國LSI公司開發的24位雙軸正交信號鑒相芯片，該芯片將倍頻、細分、鑒相、計數集成到一起，不僅具有良好的抗干擾能力和較高的測量精度，而且也大大簡化了光柵尺傳感器接口電路的設計。芯片內部含有2個正交信號鑒相模塊(X和Y)，每個正交信號鑒相模塊內都包含了各自的寄存器，可以同時對兩組正交信號進行處理，本系統中只需對一組正交信號進行處理。另外，通過對LS7266R1的計數模式寄存器(CMR)的設置將計數模式設置為四倍頻正交模式以提高計數精度。
3.2壓力測量電路
本系統采用中航第十一研究所的DaCY420壓力變送器來測量被測試樣的夾緊力和沖壓力值，兩個變送器的量程分別為0～2.5 MPa和0～10 MPa，輸出標準的4～20 mA電流信號。S3C2440內部集成的ADC只有10位的分辨率，轉換精度不足，為此本系統使用了TI(德州儀器)公司的4通道12位的ADS7842作為A/D轉換器。該轉換器能在2 mW的功耗下以200 kHz的采樣率同時進行4通道信號采樣，本系統使用其中的兩個通道。由于壓力變送器輸出的是電流信號，需要轉換為電壓信號才能被ADS7842測量，此處使用電流轉電壓芯片RCV420將4～20 mA電流轉換為0～5 V電壓后接入ADS7842。ADS7842接口電路如圖2所示，GPG13用于通道選擇，低電平時選擇AIN0，高電平時選擇AIN1。BUSY作為轉換完成的標志位，輸出高電平表示A/D轉換完成。
3.3電平轉換電路
本系統使用的LS7266R1和ADS7842工作電壓都是5 V，并且LS7266R1數字量輸出高電平為4.5～5 V，ADS7842數字量輸出高電平為3.5～5 V，二者都超過了S3C2440系統總線的工作電壓3.3 V，因此它們要和S3C2440進行數據通信就必須完成電平轉換。
本系統采用74LVC16245A完成數據總線的電平轉換，使用74LVC4245A完成片選線以及讀寫信號線的電平轉換。74LVC16245A是TI公司的一種16位雙向總線轉換器，能夠滿足3～5 V的數據信號的輸入/輸出，轉換的方向可由方向控制引腳(DIR)控制。74LVC4245A是一個8位雙電源供電的雙向收發器，本系統中芯片的VCCA端采用5 V供電，VCCB端采用3.3 V供電，將方向控制引腳(DIR)置為低電平，從而完成3.3~5 V的電平信號轉換。
3.4繼電器驅動電路
試驗的整個過程是由微處理器通過6個開關量來控制與試驗機機械裝置相連的繼電器開關通斷來完成的。這6個開關量分別是：夾緊油泵工作;夾緊電機工作;沖壓電機工作;沖壓油泵工作;夾緊換向閥換向;沖壓換向閥換向。由于微處理器的GPIO口的輸出電壓遠小于繼電器工作電壓，無法直接通過GPIO口驅動繼電器，因此本系統增加了繼電器驅動電路來完成電壓的轉換，并且使用光耦將輸入和輸出隔離，使輸出信號對輸入端無影響，以提高系統的抗干擾能力和穩定性。
4系統軟件設計
系統的軟件部分主要有底層驅動程序、操作系統以及上層應用程序，它們共同構成了嵌入式杯突試驗機測控系統。其中選用2.6內核的Linux作為操作系統，并根據開發板的硬件情況和系統需求進行了必要的裁剪以增強系統的專用性。下面主要介紹驅動程序和應用程序的設計。
4.1驅動程序設計
系統涉及的驅動程序主要有：
(1) 計數器驅動程序，主要包括LS7266R1芯片的初始化和數據讀取，LS7266R1芯片的初始化和數據讀取程序的流程如圖3和圖4所示。
(2) 壓力變送器的A/D轉換程序，主要是選擇轉換通道并根據ADS7842轉換完成標志來讀取轉換后的值。
(3) 繼電器驅動電路的驅動程序，主要是配置相應GPIO控制寄存器，設置相關I/O接口的功能，使其能根據應用程序的要求輸出高低電平完成對繼電器開關通斷的控制。
4.2應用程序設計
測控系統的應用程序用來完成試驗過程的控制、實時采集試驗數據并對試驗記錄進行管理。為了給用戶提供良好的人機交互界面，系統應用程序的開發工具選擇了圖形化界面開發工具Qt的嵌入式版本Qt/Embedded 4，它能通過Qt的API直接與Linux I/O以及Framebuffer交互，擁有較高的運行效率，而且采用面向對象編程，并能為用戶提供精美的圖形用戶界面所需要的所有元素［4］。另外，它對多線程有很好的支持，應用程序的開發中使用了多線程技術來避免因耗時操作而出現的界面凍結［5］現象，使系統能夠及時響應用戶的操作，提高了系統和用戶的交互能力。
系統使用嵌入式數據庫SQLite來存儲和管理試驗記錄。SQLite是一個小型開源嵌入式數據庫，具有體積小、快速高效、穩定可靠、可移植等特點，并且還提供了對SQL92標準的大多數支持：支持多表和索引、事務、視圖、觸發和一系列用戶接口及驅動等［6］。它和應用程序相結合能夠方便地完成對試驗記錄的添加、刪除、修改和查找操作。
系統應用程序主要包括以下幾個模塊：系統登錄、試驗運行、記錄編輯、數據管理、數據設定和系統設置，應用程序結構如圖5所示。
各模塊功能簡述如下：
(1) 系統登錄模塊：完成用戶身份合法性驗證。
(2) 試驗運行模塊：包括數據命令發送和數據采集兩個部分。主要是控制6個開關量的開關狀態來控制繼電器從而控制試驗的整個過程，并在試驗過程中實時采集試驗數據，在試驗結束時將試驗數據保存到數據庫中。
(3) 記錄編輯模塊：完成試樣屬性參數的輸入。在做批量試驗時可以從服務器下載試驗數據然后直接導入。此功能可以大大提高試驗效率，避免用戶重復輸入相同試樣的屬性值。
(4) 數據管理模塊：為用戶提供多種查詢條件，并能根據用戶提供的查詢條件查詢滿足要求的試驗記錄數據，并能打印查詢結果。
(5) 數據設定模塊：初始化試驗的各項參數，包括試驗方式和試驗類別的選擇、力值參數測定和設置等。
(6) 系統設置模塊:完成用戶信息添加、刪除、修改和查詢等操作；設置FTP服務器的IP地址、用戶名以及登錄密碼；設置系統時間和日期。
5結語
本文將嵌入式技術應用到杯突試驗機測控系統的改造中，充分發揮了嵌入式系統體積小、功耗低、專用性強的特點，在降低企業生產成本的同時提高了產品的科技含量和市場競爭力，具有廣闊的應用前景。
參考文獻
［1］石奮蘇.基于PLC的自動杯突試驗機測控系統［J］.機電工程，2007，24(5)：4042.
［2］中國國家標準化管理委員會.GB/T 4156—2007/ISO 20482:2003金屬材料、薄板和薄帶埃里克森杯突試驗［S］.北京：中國標準出版社，2007.
［3］LLSI Corporation.LS7266R1 datasheet \\[EB/OL\\]. \\[20021201\\]. http://www.lsicsi.com/pdfs/Data_Sheets/LS7266R1.pdf.
［4］游燕珍，趙國峰，徐川.基于Qt/E的嵌入式GUI的研究及其移植［J］.微計算機信息，2008，24(52)：6163.
［5］［加拿大］BLANCHETTE Jasmin，［英］SUMMERFIELD Mark.C++ GUI Qt4編程［M］.閆峰欣，曾泉人，張志強，譯.2版.北京：電子工業出版社，2009.
［6］堯有平，薛小波.基于ARMLinux的SQLite嵌入式數據庫的研究［J］.微計算機信息，2008，24(22)：6466.
作者簡介：
龔雙喜男，1986年出生，河南信陽人，在讀碩士研究生。主要研究方向為嵌入式系統應用與設計、實時處理。
石奮蘇男，1958年出生，寧夏銀川人，教授，碩士生導師。主要從事嵌入式系統、實時管理與測控系統的開發研究。
