萬能材料試驗機測控系統的設計

趙繼民，何 靜，王秀清

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

萬能材料試驗機(以下簡稱材料試驗機)是生產行業、科研單位和各級質檢部門在各類材料的質量檢驗、科學研究中最重要的檢測設備之一．在國外，經過近 60年的發展，材料試驗機的機械傳動單元已經從單懸臂傳動轉向了雙懸臂傳動；測控系統由最初的繼電控制轉為微機控制；驅動系統也逐步由變頻驅動升級為伺服驅動[1]，從而保證了材料試驗機在測試數據的精度、機械傳動的靈活性及驅動的精準度方面都得到了極大的提高．國內材料試驗機的技術水平也有較大提高，但在諸如測控系統等關鍵技術方面與歐美國家仍有較大的差距；同時，材料試驗機一直是歐美對我國尖端科研課題限制出口的產品．而國內現有的材料試驗機產品從檢測精度等方面還不能達到某些材料的精度要求[2]．

隨著新材料的不斷涌現和微電子技術的飛速發展，對于材料測試在數據處理、控制方法和設備集成度等方面也提出了更高的要求，國內現有的材料試驗機變頻測控系統已不能滿足廣大用戶的測試需求，迫切要求試驗機測控系統向數字化、智能化、集成化方面邁進[3]．測控系統性能的優劣是決定材料試驗機性能的關鍵因素，因而高品質的材料試驗機測控系統對材料科學的發展、工業產品和工程結構的合理設計等方面都具有重要的作用．

針對材料試驗機，本文基于虛擬儀器和微控制器技術設計了測控系統，并與傳統控制系統進行對比．

1 材料試驗機結構

材料試驗機結構如圖 1所示．該試驗機由儀器底座(內置伺服驅動系統及減速系統)、控制臺、力傳感器、位移變形傳感器及動懸臂等裝置組成．控制臺內置的測控系統是整個儀器的控制核心，同時也是本文探討的主要內容．

2 測控系統硬件設計

測控系統主要由儀表放大器、A/D轉換器、信號調理電路等構成的力檢測及計量單元，由增量式光電編碼器、脈沖計數器、鑒相電路等構成位移、變形檢測及計量單元，由液晶顯示器、鍵盤等構成人機接口. 同時，系統通過 Modbus協議控制伺服驅動單元以精確的轉速實現材料試驗機的速度調節控制、位移變形控制及試驗力的保持控制等功能．利用虛擬儀器在多核、數據處理、通用性及可擴展性上的優勢，構建基于 LabWindows/ CVI開發平臺的材料試驗機檢測與分析系統，提高了設備運行的可靠性和測試效率．

圖2為測控系統硬件功能框圖．

圖2 測控系統硬件功能框圖Fig.2 Diagram of the hardware functional block of the monitoring and control system

2.1 微控制器接口電路

系統要用到 SPI總線、RS-485總線、I2C總線、RS-232通信、脈沖計數等功能．而 Atmel公司的ATmega64是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位 CMOS微控制器，具有先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾；同時 ATmega64外圍接口齊全，內置看門狗電路及掉電檢測電路，是基于 CISC指令集的 8位微控制器所不能比擬的，故系統選用ATmega64微控制器作為控制系統的核心．

圖 3為微控制器接口電路原理圖，其中，Y2為微控制器的時鐘輸入引腳，U5為時鐘驅動器，型號為PCF8563，PCF8563與ATmega64之間采用I2C總線通信接口．

圖3 微控制器接口電路原理圖Fig.3 Diagram of the schematic circuit of the microcontroller interface

2.2 力檢測單元

力檢測單元主要用于實時采集與處理應變片式輪輻力傳感器的差分模擬信號．電阻應變片是一種將被測對象上的應變變化轉換為電信號的敏感器件[4]．這種應變片在受力時產生的電阻變化通常較小，一般都組成應變電橋，其輸出為毫伏級的差分信號，并通過后續的調理電路對差分信號進行處理，再傳輸給A/D轉換電路將差分信號轉換成數字量．

力檢測單元的電路原理如圖 4所示，其中，AD1＋、AD1－為力傳感器差分輸入端．選用的AD7714是基于Σ-Δ轉換技術的模數轉換器．該轉換器具有可編程增益前端，可直接接受來自傳感器的低電平的輸入信號[5]，故在本系統中不需考慮對傳感器輸出的差分信號的放大；LM336BZ2.5為 2.5,V的電壓基準源，用于為AD7714提供基準電壓．

圖4 力檢測單元電路原理圖Fig.4 Diagram of the schematic circuit of the force detection unit

2.3 位移、變形檢測單元

在材料試驗機中，對位移、變形兩個物理量的檢測是通過增量型編碼器來實現的．增量編碼器的輸出為方波信號，在設計時要考慮編碼器的方波計數電路的抗干擾設計及鑒相電路設計．SN74HC14D為具有波形整形功能的高速施密特觸發器，用于對編碼器輸出的波形進行整形；SN74LS74是邊沿 D觸發器，用于對增量編碼器輸出信號的鑒相．而脈沖計數單元直接采用ATmega64微控制器內置的16位外部事件計數器 Timer1來實現．位移及變形檢測單元電路原理如圖5所示．

圖5 位移與變形檢測電路原理圖Fig.5 Diagram of the schematic circuit of the displacement and deformation detection

2.4 伺服驅動單元

伺服驅動是閉環控制，而變頻驅動通常工作于開環控制，所以無論從速度還是控制精度上，變頻驅動都無法和伺服驅動相比．目前，伺服驅動的控制方式主要有 3種：驅動器面板設定、模擬量輸入設定及總線指令設定[6]．從控制難易程度上來看，面板設定較后者方便，而從操作的靈活性及精度上來看，總線指令設定方式大大優于前者．故本測控系統對伺服驅動單元的控制采用了總線驅動方式．伺服驅動器的總線遵循 Modbus工業總線協議．Modbus協議是第一個真正用于工業現場的總線協議，是應用于電子控制器上的一種通用語言．通過此協議，控制器相互之間、控制器和其他設備之間可以進行安全可靠的通信操作．本系統的伺服驅動接口電路設計如圖6所示．

圖6 伺服驅動接口電路Fig.6 Diagram of the schematic circuit of the servo driving interface

2.5 人機接口及通信接口電路

人機接口包含液晶顯示和鍵盤輸入，如圖 7所示．液晶顯示單元采用 DM12864漢字圖形點陣液晶；同時，為保證鍵盤輸入的穩定性及安全性，使用了鍵盤控制驅動器 CH452，避免了自建模擬鍵盤因干擾因素而導致的誤操作．

系統可將試樣的檢測數據實時上傳至計算機，由上位機的系統軟件對檢測數據進行處理．檢測系統與計算機之間采用USB通信接口．USB控制芯片為南京沁恒公司的基于USB1.0協議的CH376．

圖7 人機接口及通信接口電路原理圖Fig.7 Diagram of the schematic circuit of the man-machine interface and communication

3 系統軟件設計

3.1 上位機軟件

上位機軟件采用 LabWindows/CVI作為開發環境．虛擬儀器是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統[7]．用戶可以通過友好的圖形界面操作計算機，就像在操作自己定制的一臺傳統儀器一樣．它充分利用計算機的運算、存儲、回放、調用、顯示以及文件管理等智能化功能，同時把傳統儀器的專業化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結合起來融為一體，這樣便構成了一臺從外觀到功能都完全與傳統儀器相同，同時又充分利用計算機智能資源的全新的儀器系統．

系統軟件的主界面如圖 8所示．可以完成基于逆波蘭算法的符合國家標準的自動輸入及存儲、數據顯示、曲線分析、自動報表、多種測試方法、數據再分析等功能，可以實現打印、測試、統計、單位切換、傳感器通道切換、儀器控制等操作．

圖8 系統軟件主界面Fig.8 Main interface of the system software

通過上位機軟件，可實現對儀器的速度和位移控制，并實時顯示當前的試驗力數據、位移變形數據、試驗力及位移峰值；可實現包括斷點停機控制、定荷重控制、定位移控制、力量保持控制、自動回歸控制等控制和測量方式．

3.2 微控制器軟件

3.2.1 試驗力數據采集

ATmega64與AD7714通過SPI接口來實現數據的傳輸，AD7714包括6個可通過SPI接口訪問的片內寄存器，與任何寄存器通信都要首先向通信寄存器寫入．AD7714上電或復位后，可通過兩種不同的讀選項確認 AD7714的采集過程是否完成：一是查詢DRDY引腳以確定數據寄存器更新是何時進行的；二是查詢通信寄存器中的 DRDY位以確認數據寄存器是否進行過更新．本系統采用的是第一種方法．

3.2.2 位移、變形數據采集

位移、變形傳感器輸出為方波信號，Atmega64微控制器要對處理后的方波信號進行轉換處理，ATmega64的Timer1具有外部時鐘輸入捕獲功能(圖3中的 PD6引腳)，而變形編碼傳感器具有相位相差90°的兩路信號輸出，通過鑒相電路的處理即可得到實際變形量．變形數據處理子程序如下所示：

void BXDateGather(void)//變形數據采集函數

{

unsigned char tcnt2，tcnt3；

tcnt2＝TCNT2；//讀取Timer2捕獲的變形脈沖數

tcnt3＝TCNT3；

if(JianXiang)//變形編碼器正向旋轉

{tcnt2＋＝tcnt3；

Counter＋＝tcnt2；

}

else//變形編碼器逆向旋轉

{tcnt2-＝tcnt3；

Counter-＝tcnt2；

}

BianXing＝Counter*XiShu；//得到實際變形值

}

4 實 驗

依據國家標準[8]進行系統整機配置，并依據相應的行業標準[9]對試樣進行驗證性實驗，經過大量測試，得到本測控系統主要技術參數，并與傳統測控系統對比，見表1．表中FS表示滿量程．

表1 系統性能指標對比Tab.1 Index contrast of the system performance

從表 1可以看出，本測控系統在測控精度、運動控制的精確性及軟件的功能等方面均比傳統試驗機測控系統有較大提高．

5 結 語

本文設計了材料試驗機測控系統，詳細給出了系統硬件設計，介紹了實現的部分功能．與現有測控系統比較，本測控系統在控制精度、實現的功能等方面均有較大提高．目前，測控系統已成功應用于天津市美特斯試驗機廠等試驗機生產廠家的產品上．實踐表明，系統運動控制精確、精度高、穩定性好，并具有較強的數據分析處理能力．

［1］ Shao Junpeng，Chen Lihua，Sun Zhibin. The application of fuzzy control strategy in electro-hydraulic servo system[C]// Proceeding of IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. Piscataway：IEEE，2005：2010–2016.

［2］ 隗幼鵬. 材料試驗機的現狀與展望[J]. 現代制造工程，2003，8(增刊)：82–83.

［3］ 鄭列勤，易建軍，李輝，等. 萬能材料試驗機中交流伺服電機控制技術的研究[J]. 中國測試技術，2006，32(3)：23–25，74.

［4］ 李明，何首賢. 基于 MSP430的材料扭轉試驗機測控系統設計[J]. 長春大學學報，2011，21(4)：1–4，8.

［5］ Analog Devices Inc. AD7714 Datasheet[EB/OL].[2012–05–16]http：//www. analog. com/static/importedfiles/data_sheets/AD7714. pdf.

［6］ 劉鑫，程志輝，代娜，等. 基于LabVIEW的摩擦材料試驗機測控系統[J]. 湖北工業大學學報，2011，26(2)：94–96.

［7］ 王建新，楊世鳳，隋美麗. LabWindows/CVI測試技術及工程應用[M]. 北京：化學工業出版社，2006：15–18.

［8］ 全國試驗機標準化技術委員會. GB/T 16491—2008 電子式萬能材料試驗機[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

［9］ 交通部公路科學研究院. JTG E50—2006 公路工程土工合成材料試驗規程[S]. 北京：人民交通出版社，2006.