嵌入式杯突試驗機測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：針對目前國內(nèi)杯突試驗機測控系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計方案。該方案以S3C2440微處理器為核心并增加了相關(guān)外圍電路，設(shè)計了相關(guān)驅(qū)動程序并且移植和裁剪了Linux操作系統(tǒng)，使用多線程技術(shù)開發(fā)應(yīng)用程序并與SQLite數(shù)據(jù)庫相結(jié)合實現(xiàn)了對杯突試驗機的控制及試驗數(shù)據(jù)的自動采集、存儲與管理。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低和專用性強的特點，具有較高的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：杯突試驗機；嵌入式；光柵尺；LS7266R1；ADS7842

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(shè)備，也是目前國內(nèi)評定金屬材料塑性變形性能的惟一設(shè)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(chǎn)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(yīng)用。
    目前國內(nèi)的杯突試驗機測控系統(tǒng)大多是以PLC、人機界面和計算機相結(jié)合的方式。這種方式主要存在以下缺點：生產(chǎn)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(shù)應(yīng)用到杯突試驗機測控系統(tǒng)的改造中，設(shè)計了一種基于嵌入式的杯突試驗機測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在確保試驗數(shù)據(jù)精度的同時，充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)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(yīng)用價值。

1 杯突試驗機組成及工作原理
    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(jié)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(zhuǎn)換器等構(gòu)成。
    杯突試驗機工作原理：當(dāng)啟動夾緊油泵時，油經(jīng)換向閥、調(diào)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(jīng)換向閥、調(diào)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(dāng)試樣在全厚度上出現(xiàn)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，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(dāng)活塞落底時結(jié)束所有操作動作，完成試樣杯突值的一次檢測。

2 系統(tǒng)分析
    測控系統(tǒng)需要完成如下兩大功能：一是控制試驗機完成相關(guān)的試驗操作并能實時采集試驗數(shù)據(jù)；二是試驗數(shù)據(jù)的保存、查詢、編輯及打印等?，F(xiàn)將整個測控系統(tǒng)劃分為以下四個部分：主控制器單元、數(shù)據(jù)測量單元、電氣控制單元以及杯突試驗機主機。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    主控制器單元是整個測控系統(tǒng)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400MHz，其內(nèi)部集成了A／D、LCD觸摸屏、GPIO、USB以及網(wǎng)絡(luò)等接口。該單元通過系統(tǒng)總線和GPIO接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(tǒng)的應(yīng)用程序進行交互，控制試驗機的整個工作過程、完成數(shù)據(jù)的采集以及試驗數(shù)據(jù)的存儲和管理等操作；通過網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)與上位機或服務(wù)器之間數(shù)據(jù)的上傳與下載；通過USB接口完成試驗數(shù)據(jù)的打印。
    電氣控制單元主要包括繼電器和相應(yīng)的驅(qū)動電路，其主要任務(wù)是根據(jù)微處理器發(fā)出的命令控制試驗機的機械裝置，完成整個試驗過程。根據(jù)試驗機的工作原理，一次完整的試驗需要發(fā)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(yīng)6個開關(guān)量信號。微處理器發(fā)出的這些開關(guān)量信號通過GPIO口驅(qū)動繼電器從而控制試驗機內(nèi)部各機械裝置來完成整個試驗過程。
    數(shù)據(jù)測量單元包括兩種傳感器和對應(yīng)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(jié)流閥、沖力閥、單向閥、工作缸、活塞等機械裝置。
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3 系統(tǒng)硬件設(shè)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(xué)原理工作的測量反饋裝置，其輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有測量范圍大、精度高、響應(yīng)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(shù)等幾個步驟。本系統(tǒng)將光柵尺輸出的相位相差90°的A，B正交編碼脈沖信號經(jīng)過光電耦合器隔離、電平轉(zhuǎn)換及濾波整形后送入LS7266R1芯片，LS7266R1通過8位數(shù)據(jù)總線將計數(shù)結(jié)果送給嵌入式微處理器進行處理。
     LS7266R1是美國LSI公司開發(fā)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(shù)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(shè)計。芯片內(nèi)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(nèi)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(tǒng)中只需對一組正交信號進行處理。另外，通過對LS7266R1的計數(shù)模式寄存器(CMR)的設(shè)置將計數(shù)模式設(shè)置為四倍頻正交模式以提高計數(shù)精度。
3．2 壓力測量電路
    本系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號。S3C2440內(nèi)部集成的ADC只有10位的分辨率，轉(zhuǎn)換精度不足，為此本系統(tǒng)使用了TI(德州儀器)公司的4通道12位的ADS7842作為A／D轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器能在2 mW的功耗下以200kHz的采樣率同時進行4通道信號采樣，本系統(tǒng)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(zhuǎn)換為電壓信號才能被ADS7842測量，此處使用電流轉(zhuǎn)電壓芯片RCV420將4～20 mA電流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換完成的標(biāo)志位，輸出高電平表示A／D轉(zhuǎn)換完成。

3．3 電平轉(zhuǎn)換電路
    本系統(tǒng)使用的LS7266R1和ADS7842工作電壓都是5 V，并且LS7266R1數(shù)字量輸出高電平為4．5～5 V，ADS7842數(shù)字量輸出高電平為3．5～5 V，二者都超過了S3C2440系統(tǒng)總線的工作電壓3．3 V，因此它們要和S3C2440進行數(shù)據(jù)通信就必須完成電平轉(zhuǎn)換。
    本系統(tǒng)采用74LVC16245A完成數(shù)據(jù)總線的電平轉(zhuǎn)換，使用74LVC4245A完成片選線以及讀寫信號線的電平轉(zhuǎn)換。74LVC16245A是TI公司的一種16位雙向總線轉(zhuǎn)換器，能夠滿足3～5 V的數(shù)據(jù)信號的輸入／輸出，轉(zhuǎn)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(fā)器，本系統(tǒng)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(zhuǎn)換。
3．4 繼電器驅(qū)動電路
    試驗的整個過程是由微處理器通過6個開關(guān)量來控制與試驗機機械裝置相連的繼電器開關(guān)通斷來完成的。這6個開關(guān)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(qū)動繼電器，因此本系統(tǒng)增加了繼電器驅(qū)動電路來完成電壓的轉(zhuǎn)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(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件部分主要有底層驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)以及上層應(yīng)用程序，它們共同構(gòu)成了嵌入式杯突試驗機測控系統(tǒng)。其中選用2．6內(nèi)核的Linux作為操作系統(tǒng)，并根據(jù)開發(fā)板的硬件情況和系統(tǒng)需求進行了必要的裁剪以增強系統(tǒng)的專用性。下面主要介紹驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的設(shè)計。
4．1 驅(qū)動程序設(shè)計
    系統(tǒng)涉及的驅(qū)動程序主要有：
    (1)計數(shù)器驅(qū)動程序，主要包括LS7266R1芯片的初始化和數(shù)據(jù)讀取，LS7266R1芯片的初始化和數(shù)據(jù)讀取程序的流程如圖3和圖4所示。

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    (2)壓力變送器的A／D轉(zhuǎn)換程序，主要是選擇轉(zhuǎn)換通道并根據(jù)ADS7842轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志來讀取轉(zhuǎn)換后的值。
    (3)繼電器驅(qū)動電路的驅(qū)動程序，主要是配置相應(yīng)GPIO控制寄存器，設(shè)置相關(guān)I／O接口的功能，使其能根據(jù)應(yīng)用程序的要求輸出高低電平完成對繼電器開關(guān)通斷的控制。
4．2 應(yīng)用程序設(shè)計
    測控系統(tǒng)的應(yīng)用程序用來完成試驗過程的控制、實時采集試驗數(shù)據(jù)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(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)工具選擇了圖形化界面開發(fā)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?qū)ο缶幊蹋⒛転橛脩籼峁┚赖膱D形用戶界面所需要的所有元素。另外，它對多線程有很好的支持，應(yīng)用程序的開發(fā)中使用了多線程技術(shù)來避免因耗時操作而出現(xiàn)的界面凍結(jié)現(xiàn)象，使系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)用戶的操作，提高了系統(tǒng)和用戶的交互能力。
    系統(tǒng)使用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite來存儲和管理試驗記錄。SQLite是一個小型開源嵌入式數(shù)據(jù)庫，具有體積小、快速高效、穩(wěn)定可靠、可移植等特點，并且還提供了對SQL92標(biāo)準(zhǔn)的大多數(shù)支持：支持多表和索引、事務(wù)、視圖、觸發(fā)和一系列用戶接口及驅(qū)動等。它和應(yīng)用程序相結(jié)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(tǒng)應(yīng)用程序主要包括以下幾個模塊：系統(tǒng)登錄、試驗運行、記錄編輯、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)設(shè)定和系統(tǒng)設(shè)置，應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    各模塊功能簡述如下：
    (1)系統(tǒng)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(shù)據(jù)命令發(fā)送和數(shù)據(jù)采集兩個部分。主要是控制6個開關(guān)量的開關(guān)狀態(tài)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(shù)據(jù)，在試驗結(jié)束時將試驗數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。
    (3)記錄編輯模塊：完成試樣屬性參數(shù)的輸入。在做批量試驗時可以從服務(wù)器下載試驗數(shù)據(jù)然后直接導(dǎo)入。此功能可以大大提高試驗效率，避免用戶重復(fù)輸入相同試樣的屬性值。
    (4)數(shù)據(jù)管理模塊：為用戶提供多種查詢條件，并能根據(jù)用戶提供的查詢條件查詢滿足要求的試驗記錄數(shù)據(jù)，并能打印查詢結(jié)果。
    (5)數(shù)據(jù)設(shè)定模塊：初始化試驗的各項參數(shù)，包括試驗方式和試驗類別的選擇、力值參數(shù)測定和設(shè)置等。
    (6)系統(tǒng)設(shè)置模塊：完成用戶信息添加、刪除、修改和查詢等操作；設(shè)置FTP服務(wù)器的IP地址、用戶名以及登錄密碼；設(shè)置系統(tǒng)時間和日期。

5 結(jié)語
    本文將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到杯突試驗機測控系統(tǒng)的改造中，充分發(fā)揮了嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低、專用性強的特點，在降低企業(yè)生產(chǎn)成本的同時提高了產(chǎn)品的科技含量和市場競爭力，具有廣闊的應(yīng)用前景。