嵌入式杯突試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)杯突試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)成本高、功耗大的缺點(diǎn)，提出了一種基于嵌入式的杯突試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)了相關(guān)驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)應(yīng)用程序并與SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)杯突試驗(yàn)機(jī)的控制及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)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(zhuān)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：杯突試驗(yàn)機(jī)；嵌入式；光柵尺；LS7266R1；ADS7842

0 引言
    杯突試驗(yàn)機(jī)是對(duì)金屬薄板和帶材進(jìn)行延展性試驗(yàn)的專(zhuān)用設(shè)備，也是目前國(guó)內(nèi)評(píng)定金屬材料塑性變形性能的惟一設(shè)備，主要用于檢驗(yàn)各種金屬薄板在試驗(yàn)過(guò)程中的塑性變形性能及有色金屬薄板的各項(xiàng)異性。近年來(lái)，隨著我國(guó)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(zhǎng)足的進(jìn)步，為了獲得新工藝下材料的各項(xiàng)性能，杯突試驗(yàn)機(jī)得到了更加廣泛的應(yīng)用。
    目前國(guó)內(nèi)的杯突試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)大多是以PLC、人機(jī)界面和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方式。這種方式主要存在以下缺點(diǎn)：生產(chǎn)成本高、功耗大、試驗(yàn)操作臺(tái)與計(jì)算機(jī)終端的分離給操作人員帶來(lái)了很大的不便。
    針對(duì)以上缺點(diǎn)，本文將目前日益成熟的嵌入式技術(shù)應(yīng)用到杯突試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的改造中，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式的杯突試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度的同時(shí)，充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低、專(zhuān)用性強(qiáng)以及可靠性高等特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 杯突試驗(yàn)機(jī)組成及工作原理
    杯突試驗(yàn)機(jī)主機(jī)組成：杯突試驗(yàn)機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。
    杯突試驗(yàn)機(jī)工作原理：當(dāng)啟動(dòng)夾緊油泵時(shí)，油經(jīng)換向閥、調(diào)速閥流向夾緊油缸，推動(dòng)大活塞上升，使夾模將試樣夾緊；然后啟動(dòng)沖壓油泵，油經(jīng)換向閥、調(diào)速閥流向沖壓油缸，推動(dòng)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(shí)，沖壓負(fù)荷下降，此時(shí)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(shí)換向，油泵的油流回油池，使沖頭、墊模下降，當(dāng)活塞落底時(shí)結(jié)束所有操作動(dòng)作，完成試樣杯突值的一次檢測(cè)。

2 系統(tǒng)分析
    測(cè)控系統(tǒng)需要完成如下兩大功能：一是控制試驗(yàn)機(jī)完成相關(guān)的試驗(yàn)操作并能實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)；二是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存、查詢(xún)、編輯及打印等。現(xiàn)將整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)劃分為以下四個(gè)部分：主控制器單元、數(shù)據(jù)測(cè)量單元、電氣控制單元以及杯突試驗(yàn)機(jī)主機(jī)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    主控制器單元是整個(gè)測(cè)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(dá)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(guò)系統(tǒng)總線和GPIO接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并完成對(duì)試驗(yàn)機(jī)的控制。用戶(hù)通過(guò)觸摸屏與測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用程序進(jìn)行交互，控制試驗(yàn)機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程、完成數(shù)據(jù)的采集以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理等操作；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)或服務(wù)器之間數(shù)據(jù)的上傳與下載；通過(guò)USB接口完成試驗(yàn)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(dòng)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(yàn)機(jī)的機(jī)械裝置，完成整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程。根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的工作原理，一次完整的試驗(yàn)需要發(fā)出以下六個(gè)操作指令：夾緊油泵工作、夾緊電機(jī)工作、沖壓電機(jī)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(duì)應(yīng)6個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)。微處理器發(fā)出的這些開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)GPIO口驅(qū)動(dòng)繼電器從而控制試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部各機(jī)械裝置來(lái)完成整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程。
    數(shù)據(jù)測(cè)量單元包括兩種傳感器和對(duì)應(yīng)的測(cè)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(lái)測(cè)量試樣的杯突值，后者用來(lái)測(cè)量夾緊力值和沖壓力值。
    試驗(yàn)機(jī)主機(jī)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(jī)械裝置。
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3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 杯突值測(cè)量電路
    沖頭壓入試樣的深度即試樣的杯突值是通過(guò)固定在沖頭上的光柵位移傳感器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)光柵尺)來(lái)測(cè)量的。光柵尺是一種利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置，其輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有測(cè)量范圍大、精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。
    光柵尺信號(hào)的采集一般分為濾波整形、鑒相、倍頻、計(jì)數(shù)等幾個(gè)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(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)8位數(shù)據(jù)總線將計(jì)數(shù)結(jié)果送給嵌入式微處理器進(jìn)行處理。
     LS7266R1是美國(guó)LSI公司開(kāi)發(fā)的24位雙軸正交信號(hào)鑒相芯片，該芯片將倍頻、細(xì)分、鑒相、計(jì)數(shù)集成到一起，不僅具有良好的抗干擾能力和較高的測(cè)量精度，而且也大大簡(jiǎn)化了光柵尺傳感器接口電路的設(shè)計(jì)。芯片內(nèi)部含有2個(gè)正交信號(hào)鑒相模塊(X和Y)，每個(gè)正交信號(hào)鑒相模塊內(nèi)都包含了各自的寄存器，可以同時(shí)對(duì)兩組正交信號(hào)進(jìn)行處理，本系統(tǒng)中只需對(duì)一組正交信號(hào)進(jìn)行處理。另外，通過(guò)對(duì)LS7266R1的計(jì)數(shù)模式寄存器(CMR)的設(shè)置將計(jì)數(shù)模式設(shè)置為四倍頻正交模式以提高計(jì)數(shù)精度。
3．2 壓力測(cè)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(lái)測(cè)量被測(cè)試樣的夾緊力和沖壓力值，兩個(gè)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(hào)。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(shí)進(jìn)行4通道信號(hào)采樣，本系統(tǒng)使用其中的兩個(gè)通道。由于壓力變送器輸出的是電流信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)才能被ADS7842測(cè)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(shí)選擇AIN0，高電平時(shí)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(guò)了S3C2440系統(tǒng)總線的工作電壓3．3 V，因此它們要和S3C2440進(jìn)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(xiě)信號(hào)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(mǎn)足3～5 V的數(shù)據(jù)信號(hào)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(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換。
3．4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路
    試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程是由微處理器通過(guò)6個(gè)開(kāi)關(guān)量來(lái)控制與試驗(yàn)機(jī)機(jī)械裝置相連的繼電器開(kāi)關(guān)通斷來(lái)完成的。這6個(gè)開(kāi)關(guān)量分別是：夾緊油泵工作；夾緊電機(jī)工作；沖壓電機(jī)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(yuǎn)小于繼電器工作電壓，無(wú)法直接通過(guò)GPIO口驅(qū)動(dòng)繼電器，因此本系統(tǒng)增加了繼電器驅(qū)動(dòng)電路來(lái)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(hào)對(duì)輸入端無(wú)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(jì)
    系統(tǒng)的軟件部分主要有底層驅(qū)動(dòng)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(yàn)機(jī)測(cè)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(kāi)發(fā)板的硬件情況和系統(tǒng)需求進(jìn)行了必要的裁剪以增強(qiáng)系統(tǒng)的專(zhuān)用性。下面主要介紹驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。
4．1 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)涉及的驅(qū)動(dòng)程序主要有：
    (1)計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)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(lái)讀取轉(zhuǎn)換后的值。
    (3)繼電器驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)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(duì)繼電器開(kāi)關(guān)通斷的控制。
4．2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用程序用來(lái)完成試驗(yàn)過(guò)程的控制、實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)試驗(yàn)記錄進(jìn)行管理。為了給用戶(hù)提供良好的人機(jī)交互界面，系統(tǒng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)工具選擇了圖形化界面開(kāi)發(fā)工具Qt的嵌入式版本Qt／Embedded 4，它能通過(guò)Qt的API直接與Linux I／O以及Framebuffer交互，擁有較高的運(yùn)行效率，而且采用面向?qū)ο缶幊?，并能為用?hù)提供精美的圖形用戶(hù)界面所需要的所有元素。另外，它對(duì)多線程有很好的支持，應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)中使用了多線程技術(shù)來(lái)避免因耗時(shí)操作而出現(xiàn)的界面凍結(jié)現(xiàn)象，使系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)用戶(hù)的操作，提高了系統(tǒng)和用戶(hù)的交互能力。
    系統(tǒng)使用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite來(lái)存儲(chǔ)和管理試驗(yàn)記錄。SQLite是一個(gè)小型開(kāi)源嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，具有體積小、快速高效、穩(wěn)定可靠、可移植等特點(diǎn)，并且還提供了對(duì)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(hù)接口及驅(qū)動(dòng)等。它和應(yīng)用程序相結(jié)合能夠方便地完成對(duì)試驗(yàn)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(gè)模塊：系統(tǒng)登錄、試驗(yàn)運(yùn)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(jiǎn)述如下：
    (1)系統(tǒng)登錄模塊：完成用戶(hù)身份合法性驗(yàn)證。
    (2)試驗(yàn)運(yùn)行模塊：包括數(shù)據(jù)命令發(fā)送和數(shù)據(jù)采集兩個(gè)部分。主要是控制6個(gè)開(kāi)關(guān)量的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)控制繼電器從而控制試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，并在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)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(yàn)時(shí)可以從服務(wù)器下載試驗(yàn)數(shù)據(jù)然后直接導(dǎo)入。此功能可以大大提高試驗(yàn)效率，避免用戶(hù)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(hù)提供多種查詢(xún)條件，并能根據(jù)用戶(hù)提供的查詢(xún)條件查詢(xún)滿(mǎn)足要求的試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，并能打印查詢(xún)結(jié)果。
    (5)數(shù)據(jù)設(shè)定模塊：初始化試驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)，包括試驗(yàn)方式和試驗(yàn)類(lèi)別的選擇、力值參數(shù)測(cè)定和設(shè)置等。
    (6)系統(tǒng)設(shè)置模塊：完成用戶(hù)信息添加、刪除、修改和查詢(xún)等操作；設(shè)置FTP服務(wù)器的IP地址、用戶(hù)名以及登錄密碼；設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間和日期。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到杯突試驗(yàn)機(jī)測(cè)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(zhuān)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在降低企業(yè)生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了產(chǎn)品的科技含量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有廣闊的應(yīng)用前景。