CN100403195C

CN100403195C - 试验机测控系统

Info

Publication number: CN100403195C
Application number: CNB2004100108826A
Authority: CN
Inventors: 王振; 赵国峰
Original assignee: KEXIN EXPERIMENTAL INSTRUMENT CO Ltd CHANGCHUN CITY
Current assignee: KEXIN EXPERIMENTAL INSTRUMENT CO Ltd CHANGCHUN CITY
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: CN1584762A

Abstract

本发明涉及一种试验机测控系统，属于试验机测控技术领域。数据存储器、程序存储器、日历时钟电路、键盘扫描电路、液晶显示电路与单片机是通过总线相连接的，其中总线包括数据总线和地址总线；地址锁存器直接相连到单片机的数据口线上，用以锁存高8位地址；串行口与单片机是通过串口线相连接的，用以电平转换；模数转换器、看门狗电路可以直接相连到单片机的I/O上以便数据的直接传输，单片机通过数据总线对电机进行驱动，位置反馈电路直接输入到与单片机的中断口。本发明优点是采用全数字化控制方式，集A/D、计数及脉冲发生PWM、方波发生SWP等功能于一体，其结构简单可靠，并且具有十分良好的互换性。

Description

试验机测控系统

技术领域

本发明属于试验机测控技术领域。

背景技术

随着数字技术的快速发展，试验机行业也由以往的模拟控制技术走向数字控制，但这种所谓的数字控制技术也只能是在整个模拟系统中部分单元电路采用数字控制方式，其功能主要还是依赖阻容电路的分立元件调整其放大倍数和项敏等参数，这种方式不能有效地消除周围环境以及模拟元件离散性等对整个系统精度的影响，更不能实现整套控制系统的批量生产，这就给整个系统的电器性能带来了极大的影响也为生产与维护带来很多的麻烦。

在国内具有位移-试验力-变形三种控制方式间无冲击切换的控制器和A/D采集达到±12万倍两项技术尚属空白，在国际上也只有像德国DoLi，美国MTS等一些具有一定开发实力的公司才具有。在国内试验机行业，大部分厂家的测控系统主要依赖国外产品，其性能价格比都不高。

发明内容

本发明提供一种试验机测控系统，以解决目前验机测控系统中依赖阻容电路的分立元件调整其放大倍数和项敏等参数、不能有效地消除周围环境以及模拟元件离散性等对整个系统精度的影响、更不能实现整套控制系统的批量生产等问题。本发明采取的技术方案是：

数据存储器、程序存储器、日历时钟电路、键盘扫描电路、液晶显示电路与单片机是通过总线相连接的，其中总线包括数据总线和地址总线；地址锁存器直接相连到单片机的数据口线上，用以锁存高8位地址；串行口与单片机是通过串口线相连接的，用以电平转换；模数转换器、看门狗电路可以直接相连到单片机的I/O上以便数据的直接传输，单片机通过数据总线对电机进行驱动，位置反馈电路直接输入到与单片机的中断口。

该系统可直接连接电子应变式传感器，交、直流电机控制器、步进电机驱动器，通过功放电路也可驱动各种比例阀组和伺服阀组。该电路采用位置PID控制算法，将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，数字PID具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。

本发明的最大特点可直接将模拟信号直接送到模数转换器，增益、标定等参数完全采用软件设置，不需任何硬件调整。这就大大地提高了整套系统的抗干扰性。也为整套系统的全数字的实现成为可能。本套系统我们采用全数字化控制方式，集A/D、计数及脉冲发生PWM、方波发生SWP等功能于一体，其结构简单可靠，并且具有十分良好的互换性。

本发明的优点在于：

调速范围为10万倍的直流调速系统，具有国内领先水平。24位∑-Δ高精度A/D转换器，省略掉了中间环节(弱信号放大等)提高了抗干扰性，同时使测量精度也大大提高并真正实现了全量程的无档采集，此项技术也属国内先进。

在性能上：采集精度与国外产品持平，控制精度也与国外产品持平；操作界面中文化，适合本国使用习惯，在价格上与国外产品相比较有绝对优势。

附图说明

图1、本发明电路原理框图；

图2、本发明实施例中串行通讯单元的电路原理图；

图3、本发明实施例中看门狗的电路原理图；

图4、本发明实施例中定时时钟的电路原理图；

图5、本发明实施例中键盘，打印的电路原理图；

图6、本发明实施例中A/D采集电路的电路原理图；

图7、本发明实施例中交流电机位置反馈和判相电路原理图；

图8、本发明实施例中实现交流驱动和位置反馈原理图；

图9、本发明实施例中的总体电路原理图；

图10、本发明实施例中的软件设计流程图；

图11、本发明实施例中以恒应力为例介绍闭环控制流程图。

具体实施方式

具体的a)硬件电路为：

1、数据存储器单元

外部数据存储器主要是硬盘数据读写的缓存，因而必须具有非易失性，操作简便及合适的容量。目前采用62256的容量为32KB，具有非易失性，功耗低等特点。

2、串行通讯单元

见图2，RS232是目前异步串行通讯中应用最广泛的标准总线，适用于数据中断设备和数据通信设备之间的接口，而单片机使用TTL电平，两者互不兼容。因而使用了232电平转换芯片对他们的通信电平进行转换，作为外部的通信接口。

3、地址锁存器74LS573和地址译码器74HC154。

其中Address/data(0-7)为复用的8位数据或低8位地址总线。Address(8-14)用于寻址62256和27C512(程序存储器)的高7位地址线Address(11-14)接至74HC154，用于其他元件的片选信号。

4、看门狗

见图3，随着测量技术的发展和微处理器的广泛应用系统的电路越来越复杂，系统的可靠性也越来越突出，因此本系统采用额集看门狗，工作电压监控、EPROM存储器于一身的X5045芯片，此芯片的优点：①可编程的看门狗定时器，通过指令可选择看门狗定时时间。②工作电压监测，并产生复位信号。③读写时钟速率可达1MHZ。④518×8位串行EPROM。⑤数据块锁定功能和片内偶然性的写保护功能，保护存储数据。⑥CMOS器件，低功耗。⑦擦写次数最少10万次，最多100年的保存。

5、定时时钟

见图4，为了实现系统重要数据的实时记录并要求掉电保护，我们采用DSDC887芯片，此器件具有128个RAM单元与软件接口，其中14个作为字节时钟和控制寄存器。114字节通用RAM同时此器件还具有计秒分，时、天、星期、日、月、年并有闰年补偿功能，内部的锂电池断电运行十年以上不丢失数据，这为系统的数据安全提供硬件支持。

6、LCD液晶显示电路

本系统的液晶显示部分是通过SED1335液晶显示控制器实现的，此器件的控制部分由振荡器电路，控制寄存器组，控制逻辑电路以及显示存储器和字符发生器的管理电路等组成，它与单片机之间通过数据总线相联。

7、键盘，打印：

见图5，键盘扫描，打印电路分别通过74HC574、74HC244实现。b)A/D采集电路：

见图6，在本系统中A/D转换采用了高集成度的Δ∑模数转换器，它通过采用电荷平衡技术达到了24位精度，同时还提供了四通道，且它们均包含一个低噪声斩波稳定增益可编程仪表放大器，其增益为1×，2×，4×，8×，16×，32×，64×可选，它们同时包含一个四阶调制器和一个数字滤波器。该数字滤波器提供了7.5HZ-3KHZ 10种输出字速率。为了便于模数转换器和微控制器之间的通信，该转换器具有一个简单的串行接口，分别为CS、SDI、SDO、Sclk。

CS片选，是允许访问端口的控制线，当CS接地时，串口可作为总线接口来访问。

SDI串行数据输入，用于将数据串行输入到转换器。

SDO数据串行输出，用于将数据串行从转换器输出，当CS＝1、SDO为高。

Sclk串行时钟，是数据位移入或移出转换器串口的控制时钟，只有当CS＝0时串口时钟能被端口逻辑识别。

这四条控制线在整个系统中分别与574(1)第15脚和单片机P1.5、P1.6、P3.5相连，直接将转化后的数据送入CPU。

在此硬件电路设计中第一个要求注意的是Δ∑的正(负)模拟电源电压的选择，电源电压的高低与波动将直接影响A/D转换器的精度，在该系统中，我们采用了L431做模拟电平的基准源，为其提供±2.5V的基准电源电压。

另一个要求注意的是：VREF+，VREF-参考电压输入的选择，因为在本单元转换器可量化的满量程输入信号的范围由增益设定和VREF+，VREF-之间的参考电压决定，转换器的满量程输入信号范围等于((VREF+)-(VREF-))/(G*A)，其中G是放大器的增益，由软件设置，A＝1。其余各项均由软件设置。

c)驱动及位置反馈单元：

在本系统中对电机有两钟驱动方式，一种是交流驱动，另一种是直流驱动。在变换两种不同方式驱动时，只需换上相应的驱动卡即可。现以交流电机为例加以介绍，见图7。

交流驱动及位置反馈：

交流驱动是通过可编程计数器/计时器8253和驱动芯片2003实现的。

单片机向8253发出控制指令，8253以1M晶振为时钟产生一定频率的方波脉冲，通过2003驱动交流电机，改变单片机对8253的指令也就改变了交流电机的转速，从而实现了对交流电机得控制。

交流电机的位置反馈和判相是通过26LS32，74LS74(D锁存器)，74LS86(异或门)实现的。

从Panasoic交流伺服电机驱动器取出的两组脉冲信号分别送入26LS32的1，2脚和6，7脚，经转化后由3脚和5脚分别输出A，B相脉冲信号，然后经过D锁存器和异或门送入CPU(P3.4)进行判相。将26LS32的5脚直接接入CPU(P3.2)，利用中断进行位置计数。这样就实现了交流驱动和位置反馈，见图8。

d)闭环控制：

以往的试验机只有一种控制方式，那就是位移控制，也就是以一定的速度进行试验，这也叫开环控制。在本系统中，我们实现了恒应力，恒应变，恒位移的闭环控制。

现以恒应力为例介绍如下：

恒应力控制：恒应力是指在试验过程中试验力的变化量是恒定的。它的实现过程：

用户给定的加力速率用ΔL表示；

单位时间力值变化量用ΔF/ΔT表示。

(ΔL-ΔF/ΔT)输出差值送入调节器PID(比例，积分，微分)进行调节，将调节后的偏差信号转换为电机的控制信号以改变电机的转向和转速。因为电机的运动变化将直接改变传感器的信号输出，这样就改变了ΔF/ΔT的值，直至(ΔL-ΔF/ΔT)＝0为止。

软件设计流程

①上电后，系统芯片首先进行初始化程序②读取看门狗及时钟电路，如果有任何一方没有相应，程序将循环检测③采集试验数据，其中包括：试验力通道，变形通道，位移通道。④进入主循环，随时判断是否需要与计算机通讯，是否需要改变试验方式等。⑤本系统有两种试验方式可供选择：一种是开环控制，也就是只能以恒定的速度控制电机；另一种是闭环控制。闭环控制有三种方式可供选择：恒应力控制、恒应变控制、恒位移控制。

以恒应力为例介绍闭环控制的基本思想和实现方法。①给定力值Rk②测量力值Yk及时间③计算Ek＝Rk-Yk及时间偏差④判断时间偏差是否为零，如果时间偏差为零，只进行PD调解，否则进行PID调节⑤调解后，输出速度控制量⑥进行速度限定判断，返回速度值。

Claims

1.一种试验机测控系统，其特征在于：数据存储器、程序存储器、日历时钟电路、键盘扫描电路、液晶显示电路与单片机是通过总线相连接的，其中总线包括数据总线和地址总线；地址锁存器直接相连到单片机的数据口线上，用以锁存高8位地址；串行口与单片机是通过串口线相连接的，用以电平转换；模数转换器、看门狗电路可以直接相连到单片机的I/O上以便数据的直接传输，单片机通过数据总线对电机进行驱动，位置反馈电路直接输入到与单片机的中断口；其中：

串行通讯单元：采用了232电平转换芯片对他们的通信电平进行转换，作为外部的通信接口；

地址锁存器74LS573和地址译码器74HC154：

其中Address/data(0-7)为复用的8位数据或低8位地址总线，Address(8-14)用于寻址62256和程序存储器27C512的高7位地址线Address(11-14)接至74HC154，用于其他元件的片选信号；

看门狗：采用额集看门狗，工作电压监控、EPROM存储器于一身的X5045芯片；

定时时钟：采用DSDC887芯片，此器件具有128个RAM单元与软件接口，其中14个作为字节时钟和控制寄存器，114字节通用RAM同时此器件还具有计秒分，时、天、星期、日、月、年并有闰年补偿功能；

LCD液晶显示电路：是通过SED1335液晶显示控制器实现的，此器件的控制部分由振荡器电路，控制寄存器组，控制逻辑电路以及显示存储器和字符发生器的管理电路组成，它与单片机之间通过数据总线相联；

键盘，打印：键盘扫描，打印电路分别通过74HC574、74HC244实现；

A/D采集电路：在本系统中A/D转换采用了高集成度的Δ∑模数转换器，它通过采用电荷平衡技术达到了24位精度，同时还提供了四通道，且它们均包含一个低噪声斩波稳定增益可编程仪表放大器，其增益为1×，2×，4×，8×，16×，32×，64×可选，它们同时包含一个四阶调制器和一个数字滤波器，该数字滤波器提供了7.5HZ-3KHZ 10种输出字速率；为了便于模数转换器和微控制器之间的通信，该转换器具有一个简单的串行接口，分别为CS、SDI、SDO、Sclk；

CS片选，是允许访问端口的控制线，当CS接地时，串口可作为总线接口来访问；

SDI串行数据输入，用于将数据串行输入到转换器；

SDO数据串行输出，用于将数据串行从转换器输出，当CS＝1、SDO为高；

Sclk串行时钟，是数据位移入或移出转换器串口的控制时钟，只有当CS＝0时串口时钟能被端口逻辑识别；

这四条控制线在整个系统中分别与574(1)第15脚和单片机P1.5、P1.6、P3.5相连，直接将转化后的数据送入CPU；

采用了L431做模拟电平的基准源，为其提供±2.5V的基准电源电压；

VREF+，VREF-参考电压输入的选择，因为在本单元转换器可量化的满量程输入信号的范围由增益设定和VREF+，VREF-之间的参考电压决定，转换器的满量程输入信号范围等于((VREF+)-(VREF-))/(G*A)，其中G是放大器的增益，由软件设置，A＝1，其余各项均由软件设置；

驱动及位置反馈单元：

对电机有两种驱动方式，一种是交流驱动，另一种是直流驱动，在变换两种不同方式驱动时，只需换上相应的驱动卡即可；

其中，交流驱动及位置反馈：

交流驱动是通过可编程计数器/计时器8253和驱动芯片2003实现的；

交流电机的位置反馈和判相是通过26LS32，D锁存器74LS74，异或门74LS86实现的；

从Panasoic交流伺服电机驱动器取出的两组脉冲信号分别送入26LS32的1，2脚和6，7脚，经转化后由3脚和5脚分别输出A，B相脉冲信号，然后经过D锁存器和异或门送入CPU的P3.4脚进行判相；将26LS32的5脚直接接入CPU的P3.2脚，利用中断进行位置计数；

闭环控制：

恒应力控制：恒应力是指在试验过程中试验力的变化量是恒定的，它的实现过程：

用户给定的加力速率用ΔL表示；

单位时间力值变化量用ΔF/ΔT表示；

(ΔL-ΔF/ΔT)输出差值送入比例、积分、微分调节器PID进行调节，将调节后的偏差信号转换为电机的控制信号以改变电机的转向和转速；因为电机的运动变化将直接改变传感器的信号输出，这样就改变了ΔF/ΔT的值，直至(/ΔL-ΔF/ΔT)＝0为止。