CN100501705C

CN100501705C - 一种基于dsp的试验机测控器及其测控方法

Info

Publication number: CN100501705C
Application number: CNB2005100366432A
Authority: CN
Inventors: 黄志方; 雷庆安; 王欢; 何楚平
Original assignee: MTS Systems China Co Ltd
Current assignee: MTS Industry System (China) Co., Ltd.
Priority date: 2005-08-13
Filing date: 2005-08-13
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2025-08-13
Also published as: CN1766767A

Abstract

本发明公开一种基于DSP的试验机测控器及其测控方法，包括：处理器单元、数据采集单元、控制输出单元、通讯接口单元及人机接口单元；通过以专用DSP处理器作为主控器，采用了力、变形、位移三闭环全数字控制算法，结合数据采集单元、控制输出单元，以及采用USB通讯方式的通讯接口单元，使该测控器具有实时性高、数据采集性精度高、控制实现三闭环且无冲击切换、体积小、成本低、易维护等优点。

Description

一种基于DSP的试验机测控器及其测控方法

【技术领域】

本发明涉及一种测控器及其测控方法，特别涉及一种用于材料试验，基于数字信号处理器(DSP)的试验机测控器及其测控方法。

【背景技术】

材料试验机在航空航天、国防军工、科研单位、大专院校、质检部门、金属和非金属等众多行业及领域得到了广泛的应用。现有的材料试验机的测控器通常是采用单片机或X86等CPU来系统集成，如图1所示，包括计算机、测控器、传感器、交流伺服系统、RS232串口通讯单元等组成。在计算机上运行试验机专用测控及数据处理应用软件，将预先设定的试验机测控所需要的所有指令参数输出到试验机测控器，试验机测控器根据接收到的指令参数生成TTL电平的脉冲信号和方向信号，输出到交流伺服系统内的伺服器，从而控制伺服系统的伺服电机运行。同时试验机测控器将采到的模拟和数字信号通过RS232串口传送给计算机，作为获得的数据，再通过试验机专用软件进行数据处理与分析，生成试验报告。然而，由于其采用单片机或X86等CPU，故数据采集精度低、控制性能差，控制各控制环之间不能平滑过渡，难以实现三闭环控制，且由于X86等PC机外设不丰富，需要较多的外围器件加以支持，故导致体积增大、成本高，可维护性差；另外，由于采用RS232串口通讯，通讯速率低，实时性差。

【发明内容】

为解决上述问题，本发明提供了一种基于DSP的试验机测控器及其测控方法。

本发明提出的基于DSP的试验机测控器包括：处理器、数据采集单元、控制输出单元、通讯接口单元及人机接口单元；其中所述的处理器采用DSP作为主控器，其上设置有初始化模块、系统管理模块、USB通讯协议模块、外设模块、8路A/D数据采集模块、3路光电编码器数据采集模块、控制及运行管理模块和驱动模块，通过计算机控制执行力、变形、位移三闭环全数字控制；数据采集单元包括模拟信号采集电路和数字信号采集电路，其中模拟信号采集电路包括有24bit高精度A/D转换器，增益可在线编程；控制输出单元包括有模拟信号输出电路和数字信号输出电路；通讯接口单元采用USB通讯接口方式。

本发明提出的基于DSP的试验机测控方法，所述的DSP上设置有初始化模块、系统管理模块、USB通讯协议模块、外设模块、8路A/D数据采集模块、3路光电编码器数据采集模块、控制及运行管理模块和驱动模块，并通过计算机执行下列步骤：

a.打开设备驱动程序，然后初始化动态链接库，与测控器建立连接；

b.等待测控器初始化完成，获得测控器的量测值后设定执行步骤命令；

c.向测控器发送控制命令，测控器根据命令的要求进行控制，实时监视并采集数据，同时存储实验数据；

d.根据相应的材料标准对存储的实验数据进行数据处理，打印输出实验报告；

e.将测控器脱离连接，保存动态链接库设置，关闭设备驱动程序。

相较于现有技术，本发明通过以专用DSP处理器作为主控器，由测控及数据处理应用软件的控制，采用了力、变形、位移三闭环全数字控制算法，结合数据采集单元、控制输出单元，以及采用USB通讯方式的通讯接口单元，使该测控器具有实时性高、数据采集性精度高、控制实现三闭环且无冲击切换、体积小、成本低、易维护等优点。

【附图说明】

下面结合附图和较佳实施例对本发明说明如下，其中：

图1为现有试验机测控器电路方框图；

图2为本发明基于DSP的试验机测控器的原理方框图；

图3为本发明一实施例的数据采集通道的电路框图；

图4为本发明一实施例的伺服驱动电路框图；

图5为本发明一实施例的通讯接口电路框图；

图6为本发明一实施例的人机接口电路框图；

图7为本发明一实施例的模块流程图；

图8为本发明一实施例的系统管理模块流程图；

图9为本发明一实施例的USB通讯模块流程图；

图10为本发明一实施例的8路A/D数据采集模块流程图；

图11为本发明一实施例的控制及运行管理模块流程图；

图12为本发明一实施例的试验机专用测控及数据处理应用流程图。

【具体实施方式】

参照图2所示，本发明提出的基于DSP的试验机测控器包括：处理器单元1、数据采集单元2、控制输出单元3、通讯接口单元4及人机接口单元5。

处理器单元1以专用DSP处理器100作为主控器，其包括8路24bit高精度模拟传感器的信号采集通道10，3路光电编码器采集通道11，1路伺服系统的驱动通道12，1路16bit模拟输出通道13，1路USB接口通讯通道14，以及1路简易键盘的通讯通道15。

在PC机上运行试验机专用测控及数据处理应用软件，根据用户设定的试验方案，将预先设定的试验机测控所需要的所有指令参数通过USB接口通讯通道14以USB方式传送到DSP处理器100，DSP处理器100根据接收到的指令参数生成TTL电平的脉冲信号和方向信号，通过伺服系统的驱动通道12输出到交流伺服器，从而实时有效控制伺服电机运行。同时DSP处理器100将由数据采集单元2采到的模拟信号，如：力和小变形等，以及数字信号，如：位移和大变形等，通过USB方式传送给PC机作为获得的采样数据。DSP处理器100再根据获得的模拟和数字信号，采用先进的控制算法进行闭环控制，再通过试验机专用软件进行数据处理与分析，生成试验报告。

请参照图3所示，数据采集单元2包括有两大部分，第一部分是模拟传感器的采集电路，第二部分为数字传感器的采集电路。

模拟传感器的采集电路由信号调整电路、8路24bit高精度A/D转换、高精密参考源IC、高精准激励源IC和多路复用器MUX组成。模拟传感器的模拟的信号经过信号调整电路，输入到24bit A/D转换器的AIN+、AIN-引脚，再通过SDI、SDO、CLK信号传送到多路复用器MUX，然后传送到DSP处理器100的IOPC0、IOPD0、IOPA2口。其中由于有8路通道输入，为节省DSP处理器100的资源，此处可以采用多路复用器MUX，由DSP处理器100控制采样；另外，此处的采用高精度的稳压参考源对精度的提高有很重要的作用。

数字传感器的采集电路可以直接接入DSP处理器100，其中光码信号1用于位移信号采集，它直接输入到DSP处理器100的QEP1和QEP2口，光码信号2、3用于大变形或其他数字信号采集，它直接输入到DSP处理器的IOPF4～IOPF7口。

控制输出单元3包括模拟信号输出电路和数字信号输出电路，其中，模拟信号输出电路主要是通过16bit D/A转换生成电压信号实现对电液伺服阀执行机构的控制，用于液压试验机的驱动；数字信号输出电路主要是通过生成脉宽调制(PWM)脉冲波实现对伺服电机的控制，用于伺服电机的驱动；请参照图4所示，根据用户设定的试验方案，将预先设定的试验机测控所需要的所有指令参数通过USB方式传送到DSP处理器100，DSP处理器100根据接收到的指令参数生成TTL电平的脉冲信号和方向信号，输出到交流伺服器，从而实时有效控制伺服电机运行。

请参照图5所示，通讯接口单元4采用USB通讯接口方式，包括有USB通讯芯片，其中USB芯片的USBTX、USBRX引脚分别与DSP处理器100的IOPA0、IOPA1口相连，而USB+、USB-引脚与PC机的USB通讯口信号相连。由于采用了USB通讯方式，速度可以达到480MPS，并且支持热插拔。可以大大提高控制的实时性和数据处理交换能力。在本实施例中采用USB2.0通讯方式。

请参照图6所示，人机接口单元5直接通过USB与PC机的USB口相连，打印机可以直接接入打印机。由于小键盘的通讯速率要求不高，可以通过DSP的两个IO口与小键盘相连，可以采用I²C通讯方式或RS232通讯方式。

请参照图7所示，本发明中DSP控制器设置了8大功能模块，即初始化模块、系统管理模块、USB通讯模块、外设模块、8路A/D数据采集模块、3路光电编码器数据采集模块、控制及运行管理模块和驱动模块组成。其中系统管理模块、USB通讯模块、8路A/D数据采集模块、控制及运行管理模块是本测控器的关键技术所在。

初始化模块包括DSP处理器初始化和测控器初始化两大部分。DSP处理器初始化用来设置DSP处理器的各种寄存器以及变量置初值，分配DSP处理器资源和启动各种外设。

请参照图8所示，本发明系统管理模块包括时钟管理、安全管理、系统资源及状态管理。时钟管理将根据测控的实时性要求，按照事件优先级分配DSP处理器轮询时间等。安全管理部分是用于保护各种传感器不受损坏、试验机横梁限位，以及防止飞车等，保证设备和人生安全。系统资源及状态管理部分的功能是分配和整合整个测控系统的事件能有效运行并且可控，在线侦测机器的各种运行状态。

请参照图9所示，本发明USB通讯模块由IN数据和OUT数据组成。IN数据是由测控器发给PC机的数据包，PC机接收到以后，根据通讯协议进行解码，用于数据采集信息、机器状态信息、请求信息和握手信息的交换。OUT数据是由PC机根据试验机专用测控及数据处理应用软件发给测控器的数据包，测控器接收到以后，根据通讯协议进行解码，用于用户设置的方案信息和联机请求信息的交换。

外设模块由小键盘管理程序和继电器管理程序组成。小键盘管理程序负责简易小键盘按键信息的接收和处理。继电器管理程序负责将测控器的分析出的动作发送给继电器执行，控制试验机相关动作的运行。

请参照图10所示，本发明8路A/D数据采集模块包括测量数据管理程序和反馈数据管理程序。测量数据管理程序和反馈数据管理程序用于设置A/D转换器的增益、转换速率和启动A/D转换等，根据系统配置将力、变形等模拟信号实时采集到控制器。

3路光电编码器数据采集模块包括测量数据管理程序和反馈数据管理程序。本模块的测量数据管理程序和反馈数据管理程序负责将位移、大变形等光电编码器的数字信号实时采集到测控器。

请参照图11所示，本发明中的控制及运行管理模块由控制命令译码程序、神经元自适应比例、积分、微分(PID)控制管理程序、控制参数辨识程序、控制切换及过渡管理程序、其它控制程序(保持控制、自动金属拉伸等)构成。控制命令译码程序将接收到的IN数据包里的命令进行译码处理，转换成各执行机构能够识别的信号。其中神经元自适应PID控制管理程序、控制参数辨识程序、控制切换及过渡管理程序、其它控制程序，将根据用户方案的设置控制要求，实现准确、无人工干预的、全自动、高性能的在线控制。

驱动模块包括伺服电机驱动管理程序、电液伺服阈驱动管理程序。伺服电机驱动管理程序用于实时、准确地向伺服器发送PWM脉冲信号，控制伺服电机的位移和速度。电液伺服阈驱动管理程序用来实时、准确地向伺服阀发送精准的模拟控制信号，控制伺服阀的开度和控制速度，从而实现三闭环，即力闭环、变形闭环、位移位移闭环的控制，且任意控制环之间自动切换且平稳过渡、控制精度高。

请参照图12所示，本发明基于DSP的实验机测控方法主要通过于测控器DSP上烧制以下模块：初始化模块、系统管理模块、USB通讯协议模块、外设模块、8路A/D数据采集模块、3路光电编码器数据采集模块、控制及运行管理模块和驱动模块，并通过计算机控制执行下列步骤：

在本实施例中采用的测控及数据处理应用软件为PowerTestV3.0，该软件采用模块化设计及开放式编程，集权限管理、试验、曲线分析、校准及检定、数据查询及处理等模块于一体，可满足GB、ISO、ASTM、JIS、DIN等国家标准对材料试验的要求。

当然，本发明也可应用其它测控及数据处理应用软件。本发明也不仅限于用在材料试验机上，也可用于数控机床控制器、多轴联动控制器、精密加工设备测控器等诸多应用场合。

以上所描述的最佳实施例仅是对本发明进行阐述和说明，并不局限于所公开的任何具体形式，在不离开本发明权利要求保护的范围，可以进行许多修改和变化。

Claims

1.一种基于DSP的试验机测控器，包括：处理器、数据采集单元、控制输出单元、通讯接口单元及人机接口单元；其特征在于：所述的处理器采用DSP作为主控器，其上设置有初始化模块、系统管理模块、USB通讯协议模块、外设模块、8路A/D数据采集模块、3路光电编码器数据采集模块、控制及运行管理模块和驱动模块，通过计算机控制执行力、变形、位移三闭环全数字控制；数据采集单元包括模拟信号采集电路和数字信号采集电路，其中模拟信号采集电路包括有24bit高精度A/D转换器，增益可在线编程；控制输出单元包括有模拟信号输出电路和数字信号输出电路；所述数字信号输出电路是通过生成脉宽调制PWM脉冲波实现对伺服电机的控制，用于伺服电机的驱动；所述主控器根据数据采集单元获取的力、小变形的模拟信号和位移、大变形的数字信号产生控制命令，所述模拟信号输出电路将所述控制命令通过D/A转换生成电压信号控制电液伺服阀的开度和速度，用于液压试验机的驱动；通讯接口单元采用USB通讯接口方式。

2.如权利要求1所述的试验机测控器，其特征在于：所述DSP处理器包括有8路24bit高精度模拟传感器的信号采集通道，3路光电编码器采集通道，1路伺服系统的驱动通道，1路16bit模拟输出通道，1路USB接口通讯通道，以及1路简易键控制通道。

3.如权利要求1所述的试验机测控器，其特征在于：所述DSP处理器具有专用伺服电机控制接口及光码捕获外设。

4.如权利要求1至3中任一项所述的试验机测控器，其特征在于：所述USB通讯接口方式采用USB2.0通讯方式。

5.一种基于DSP的试验机测控方法，所述的DSP上设置有初始化模块、系统管理模块、USB通讯协议模块、外设模块、8路A/D数据采集模块、3路光电编码器数据采集模块、控制及运行管理模块和驱动模块，并通过计算机执行下列步骤：

e.将测控器脱离连接，保存动态链接库设置，关闭设备驱动程序；

其中，驱动模块包括伺服电机驱动管理程序和电液伺服阀驱动管理程序；所述伺服电机驱动管理程序是通过生成脉宽调制PWM脉冲波控制驱动伺服电机；所述DSP根据8路A/D数据采集模块获取的力、小变形的模拟信号和位移、大变形的数字信号产生控制命令，所述电液伺服阀驱动管理程序将所述控制命令通过D/A转换生成电压信号控制电液伺服阀的开度和速度，驱动液压试验机。

6.如权利要求5所述的试验机测控方法，其特征在于：所述的初始化模块执行DSP初始化和测控器初始化操作；所述的系统管理模块执行时钟管理、安全管理、系统资源管理及状态管理操作；所述的外设模块执行小键盘按键信息处理和继电器控制；所述的8路A/D数据采集模块执行测量数据管理和反馈数据管理，用于设置A/D转换器的增益、转换速率和启动A/D转换，根据系统配置将力、变形等模拟信号实时采集到控制器；所述的3路光电编码器数据采集模块执行测量数据管理和反馈数据管理，将位移、大变形等光电编码器的数字信号实时采集到测控器；所述的控制及运行管理模块执行控制命令译码、神经元自适应PID控制管理、控制参数辨别、控制切换及过渡管理；所述的驱动模块执行伺服电机驱动管理和电液伺服阀驱动管理。