CN101441155A - 嵌入式万能材料试验机测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式万能材料试验机测控系统，包括主控制板，电机控制板，伺服控制器，液晶显示器，键盘，力传感器和光栅编码器；电机控制板通过26针数据线与主控制板的电机接口连接，电机控制板通过伺服控制器接口与伺服控制器连接；伺服控制器通过控制线与交流伺服电机连接，伺服控制器通过串口线与主控制板的串口连接。本发明的优点：采用CPLD(XC9572)采集位移脉冲信号，CPLD采集位移信号具有频率高、实时相位判断和灵活性大的点；根据具体的应用需求，既大幅度提高了计数精度，又减轻了主处理器的运算负荷。

Description

嵌入式万能材料试验机测控系统

【技术领域】

本发明涉及材料试验机测控系统技术领域，具体地说，是一种嵌入式万能材料试验机测控系统。

【背景技术】

按控制方法来分，国内外生产的材料试验机主要包括：机械式、液压式和电子式。现在机械式材料试验机的生产，几乎处于停滞状态。国外只有少数厂家仍在生产，产品也越来越少。电子式材料试验机是近年来发展较快的一种材料试验机。电子式材料试验机可细分为两类：嵌入式和微电脑式。嵌入式材料试验机，其控制系统核心为单片机或微控制器，可用于一些相对简单、数据量较小的应用。由于PC机的普及和应用，微电脑式材料试验机也得到了很大的发展，由于PC机功能强大，便于开发强大的系统，可用于控制复杂、数据量大的应用。目前，国内的电子式材料试验机，多为微电脑型。

液压式试验机对试样的拉伸速度是由测力计外面的手轮控制的，由于无法直接显示拉伸速度，加上国家标准里面给出的拉伸速度范围比较大及个人操作习惯的不同，所以测出的性能指标往往差别较大。

液压式万能试验机是利用油压原理加荷，在测力计外壳内装有活塞式高压油泵，由电动机带动向油缸加油，油缸带动移动横梁上升、下降，完成试样的拉伸、压缩、弯曲等力学性能试验，所有油压系统，全由测力计外面手轮控制。试验机的试验速率，靠送、回两油阀来控制。在试验过程中，测力指针随着负荷的增加或减少而相应的转动，材料的力学指标是通过指针法读出来的，由于液压系统惯性及测力机构本身惯性的影响，故而测出来的力学指标比材料的实际指标要高一些。

电子式试验机的拉伸速度是在计算机里面的控制软件中直接设定的，一旦设定好后，即按照设定好的条件进行试验，无人为因素的影响，故测出的性能指标比较稳定。

电子式万能试验机是一种先进的用户极易操作的精密万能试验机，它利用计算机或微控制器经调速系统控制伺服电机转动，经减速系统减速后带动移动横梁上升、下降，完成试样的拉伸、压缩、弯曲等力学性能试验。在试验过程中，材料的力学指标是通过显示器显示出来的，由于试验机系统的惯性很小，基本上可以忽略不计。所以测出来的力学指标和材料的实际指标要更接近。

但是，目前国内大多数材料试验机控制器都是基于单片机开发的。由于单片机运算速度较慢、片内资源(如，RAM和ROM)较少，在很大程序上限制了材料试验机控制器的功能和性能。而且，单片机的软件开发一般都是前后台系统，这在一定程度上也限制了单片机控制器的性能。

随着技术的发展，对材料试验机的各个方面都有了新的要求。当前万能材料试验机测控系统的开发具有一定的复杂性，在裸机上直接开发运行前后台系统的开发，维护和扩展都很困难。而且这样的系统本质上是一个程序超循环，根本无法保证测控系统实时性要求。万能材料试验机测控系统，不但要求系统能够及时响应随机发生的外部事件，对其快速处理，通常由于其功能不断完善，还需要同时执行多个任务，并对每个任务实时响应。这样的应用，采用嵌入式实时操作系统作为应用软件的设计平台和运行平台，以及选用功能强大的微控制器如ARM7，无疑是一个很好的选择。

本系统开发基于ARM7微控制器和UC/OS实时操作系统。在硬件设计上，充分考虑材料试验机的通用性要求，模块化设计可适应不同的加载标准。在软件设计上，综合考虑嵌入式操作的实时性能和本系统的硬件资源，做到运行效率和系统吞吐量的有机统一。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种嵌入式万能材料试验机测控系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种嵌入式万能材料试验机测控系统，包括主控制板，电机控制板，伺服控制器，液晶显示器，键盘，力传感器和光栅编码器；其特征在于，电机控制板通过26针数据线与主控制板的电机接口连接，电机控制板通过伺服控制器接口与伺服控制器连接；伺服控制器通过控制线与交流伺服电机连接，伺服控制器通过串口线与主控制板的串口连接；

所述的CPLD是指复杂可编程逻辑控制器；

所述的SPI是指同步串行通信；

所述的PWM是指脉宽调制器；

所述的中央处理器为ARM中央处理器；

所述的主控制板，包括中央处理器，力传感器，AD转换单元，CPLD光栅编码器计数单元以及光栅；电机接口与中央处理器相连，中央处理器通过SPI与AD转换单元相连，AD转换单元通过屏蔽线与力传感器连接；中央处理器通过SPI与实时时钟单元相连；中央处理器通过总线与液晶接口与打印机接口相连；中央处理器通过8位数据线与CPLD光栅编码器计数单元相连，CPLD光栅编码器计数单元通过屏蔽线与光栅连接；中央处理器通过I2C串行总线与键盘单元连接，键盘单元通过数据线与键盘连接；主控制板设有液晶接口，打印机接口以及串口，液晶接口与液晶显示器相连，打印机接口与打印机相连，串口与微机相连；主控制板设有电源；

所述的CPLD光栅编码器计数单元，包括逻辑核心、光栅接口、4M有源晶振、光栅清零信号线、计数器状态指示线；逻辑核心通过总线、清零信号线和计数器状态指示线与中央处理器连接；逻辑核心通过数据线与光栅接口连接；光栅编码器计数单元通过光栅接口与光栅相连；4M有源晶振与逻辑核心相连；

所述的电机控制板采用模块化的设计，在主控制板上预先定义好电机控制所需资源，包括三路控制IO输出口，一个脉宽调制接口，一个用于与DA通信的SPI总线，一个光栅编码器接口、一个串口、以及电源接口；依据预先定义的资源，为不同类型的电机控制设计不同的电机控制板；包括采用伺服电机的电机控制板和采用变频电机的电机控制板；

所述的伺服电机的电机控制板，包括三路IO输出控制信号，控制信号为ServON伺服使能信号，ZEROSPD零速箝位信号，CMOD模式切换信号；一路脉宽调制信号输出PLUS和SIGN作为伺服电机位置和速度信号；一个电机光栅编码器信号调理接收单元，将伺服电机控制器输入的差分反馈脉冲信号通过芯片AM26LS32调理并输出；一个用于速度控制的DA输出；

所述的三路IO输出控制信号，由中央处理器提供，通过伺服电机控制板上的伺服控制器接口与伺服控制器连接；

所述的脉宽调制信号输出，由中央处理器的脉宽调制器提供，通过伺服电机控制板上的伺服控制器接口与伺服控制器连接；

所述的电机光栅编码器接口，由伺服控制器提供，通过伺服控制器接口连接到伺服控制板上的差分脉冲调理芯片，经差分脉冲调理芯片处理后，通过数据线与主控制板CPLD光栅编码器计数单元接口连接；

所述的DA为10位DA芯片，通过SPI与ARM中央处理器连接，通过伺服控制器接口与伺服控制器连接；

所述的变频电机的电机控制板，包括三路IO输出控制信号，控制信号为正转，反转，停止信号；一个电机光栅编码器接口，接收材料试验机丝杆上的光栅编码器信号；一个用于速度控制的DA输出；一个485串口用于更改或获取伺服控制器配置与参数；

所述的三路IO输出控制信号，由中央处理器提供，通过变频电机控制板上的变频器接口与EV300变频器控制端连接；

所述的电机光栅编码器接口，连接材料试验机丝杆上的光栅编码器，通过数据线与主控制板CPLD光栅编码器计数单元接口3连接；

所述的DA为10位DA芯片，通过SPI与中央处理器连接，通过变频器接口与变频器控制端连接；

从以上两种方案可以看出，采用伺服控制和采用变频控制所需接口基本上类似；可以将两接口统一起来，预先定义好电机控制可能要用到的最大资源，设计出一个统一的接口；在实际的系统应用中，针对高端产品开发与伺服控制器相匹配的伺服控制板，针对低端产品开发与变频控制器相匹配的变频控制板，并在系统软件设计上充分考虑两种情况，就可以使得本系统最大限度地适应实际需求，实现一个平台对两种驱动方案的支持。

与先有技术相比，本发明的积极效果是：

(1)良好的精度和运行性能，采用32位ARM7微处理器平台、24位AD转换器件以及引入UC/OS嵌入式实时操作系统，最大限度保证了本发明的运行性能。相比较于传统单片机系统，资源受限、速度慢、单任务执行等不足，本发明具有资源充分、运行速度快、采集精度高、多任务执行和实时性响应强的优点，可以更好地满足当前材料试验机的需求；

(2)很强的灵活性和适应性，采用统一的电机控制接口，使本发明对控制的电机对象有了更强的适应性，将材料试验机可能用到的两种驱动方式(变频电机驱动和伺服电机驱动)统一起来，预先定义好电机控制可能要用到的最大资源，设计出一个统一的接口，在实际的系统应用中，针对高端产品开发与伺服控制器相匹配的伺服控制板，针对低端产品开发与变频控制器相匹配的变频控制板，并在系统软件设计上充分考虑两种情况，就可以使得本系统最大限度地适应实际需求，实现一个平台对两种驱动方案的支持。另外，基于CPLD(复杂可编程逻辑控制器)的光栅编码器计数单元，也使得系统灵活性得以进一步增强；

(3)位移采集精度高，采用CPLD(复杂可编程逻辑控制器)进行光栅编码器脉冲信号的采集也是本发明的优点之一，采用CPLD采集位移脉冲信号，以1-4MHZ频率检测多路位移脉冲信号并进行实时相位的判断，完全可以保证位移脉冲信号的准确计数，相比较于用定时器计数位移脉冲信号的方法，CPLD采集位移信号具有频率高、实时相位判断和灵活性大的点，根据具体的应用需求，可以在CPLD的能力范围内随意定义采集通道数和计数宽度，使得位移采集完全独立于主处理器，既大幅度提高了计数精度，又减轻了主处理器的运算负荷；

(4)友好的人机交互，本系统设计了基于菜单操作的人机交互界面，为两种不同类型的用户分别设计了相应的菜单，从而分别满足相应的需求，其一，用户菜单为普通用户提供人机交互接口。使普通用户能方便地执行特定操作、定义控制器工作方式和显示方式，如：单位切换、报告显示、数据打印、执行测试、电机操作及参数输入等，其二，高级设定菜单为技术人员配置和标定控制器提供交互接口，材料试验机组装完成后，必须由厂家技术人员预先配置好相关参数、完成传感器标定，以建立好控制器的正确工作环境，保证测试精度，由于本菜单不向普通用户开放，为防止误操作，菜单界面用全英文显示，进入菜单须经密码确认；

(5)友好的人机交互界面，既让用户可以方便地输入参数、执行操作，又能即时地呈现出必要的信息提示用户，本系统的人机界面设计，完全很好地满足了用户使用时的操作需求。

【附图说明】

图1本发明的总体结构示意图；

图2伺服电机控制板模块接口的结构示意图；

图3变频控制板模块接口的结构示意图。

【具体实施方式】

以下提供本发明一种嵌入式万能材料试验机测控系统的具体实施方式。

实施例1

请参见附图1，一种嵌入式万能材料试验机测控系统，包括主控制板，电机控制板，伺服控制器，液晶显示器，键盘，力传感器和光栅编码器；其特征在于，电机控制板通过26针数据线与主控制板的电机接口连接，电机控制板通过伺服控制器接口与伺服控制器连接；伺服控制器通过控制线与交流伺服电机连接，伺服控制器的RS232口通过串口线与主控制板的串口1连接；

所述的CPLD是指复杂可编程逻辑控制器；

所述的SPI是指同步串行通信；

所述的PWM是指脉宽调制器；

所述的中央处理器为ARM中央处理器；

所述的主控制板，包括中央处理器，力传感器，AD转换单元，CPLD光栅编码器计数单元以及光栅；电机接口与中央处理器相连，中央处理器通过SPI与AD转换单元相连，AD转换单元通过屏蔽线与力传感器连接；中央处理器通过SPI与实时时钟单元相连；中央处理器通过总线与液晶接口与打印机接口相连；中央处理器通过8位数据线与CPLD光栅编码器计数单元相连，CPLD光栅编码器计数单元通过屏蔽线与光栅连接；中央处理器通过I2C串行总线与键盘单元连接，键盘单元通过数据线与键盘连接；主控制板设有液晶接口，打印机接口以及串口，液晶接口与液晶显示器相连，打印机接口与打印机相连，串口与微机相连；主控制板设有设有电源；

所述的光栅编码器计数单元，包括逻辑核心XC9572、三个光栅接口、一个4M有源晶振、一个光栅清零信号线、二个计数器状态指示线；逻辑核心XC9572，通过总线、清零信号线和计数器状态指示线与ARM中央处理器连接，通过数据线与三个光栅接口连接；总线，包括8位数据总线、4位地址总线，为逻辑核心XC9572与ARM中央处理器数据通道；光栅接口，包括A相、B相、地线和+5V，光栅编码器计数单元通过光栅接口与光栅相连，接收位移脉冲信号；4M有源晶振，与逻辑核心XC9572相连，为逻辑核心XC9572提供工作频率；

电机控制板采用模块化的设计为：在主控制板上预先定义好电机控制所需资源，包括三路控制IO输出口，一个脉宽调制接口，一个用于与DA通信的SPI总线，一个光栅编码器接口、一个串口、以及电源接口；依据预先定义的资源，为不同类型的电机控制设计不同的电机控制板；包括采用伺服电机的电机控制板设计和采用变频电机的电机控制板设计；

采用伺服电机的电机控制板设计方案：

请参见附图2，伺服电机控制板包括：三路IO输出控制信号，控制信号为ServON伺服使能信号，ZEROSPD零速箝位信号，CMOD模式切换信号；一路脉宽调制信号输出(PLUS和SIGN)作为伺服电机位置或速度信号；一个电机光栅编码器信号调理接收单元，将伺服电机控制器输入的差分反馈脉冲信号通过芯片AM26LS32调理并输出；一个用于速度控制的DA输出；

所述的三路IO输出控制信号，由ARM中央处理器提供，通过伺服电机控制板上的伺服控制器接口与松下伺服控制器连接；所述脉宽调制信号输出，由ARM中央处理器的PWM(脉宽调制器)提供，通过伺服电机控制板上的伺服控制器接口与松下伺服控制器连接；所述的电机光栅编码器接口，由松下伺服控制器提供，并通过伺服控制器接口连接到伺服控制板上的差分脉冲调理芯片(AM26LS32)，经差分脉冲调理芯片处理后，通过数据线与主控制板CPLD光栅编码器计数单元接口连接；所述DA为10位DA芯片，该芯片通过SPI与ARM中央处理器连接，通过伺服控制器接口与松下伺服控制器连接；

采用变频电机的电机控制板设计方案：

请参见附图3，变频电机控制板包括：三路IO输出控制信号，控制信号为正转，反转，停止信号；一个电机光栅编码器接口，接收材料试验机丝杆上的光栅编码器信号；一个用于速度控制的DA输出；一个485串口用于更改或获取伺服控制器配置与参数；

所述的三路IO输出控制信号，由ARM中央处理器提供，通过变频电机控制板上的变频器接口与EV300变频器控制端连接；所述的电机光栅编码器接口，连接材料试验机丝杆上的光栅编码器，通过数据线与主控制板CPLD光栅编码器计数单元接口连接；所述的DA为10位DA芯片，该芯片通过SPI与ARM中央处理器连接，通过变频器接口与EV300变频器控制端连接；

所述的芯片XC9572，为Xilinx公司生产的；在CPLD开发平台Maxplus2上以Verilog语言进行处理逻辑的定义、引脚功能的定义；程序编译完成后，通过并口下载线烧录到XC9572中，光栅编码器计数单元的设计就完成了；本发明中，以Verilog语言实现了三路双向光栅编码器脉冲采集；

从以上两种方案可以看出，采用伺服控制和采用变频控制所需接口基本上类似；可以将两接口统一起来，预先定义好电机控制可能要用到的最大资源，设计出一个统一的接口；在实际的系统应用中，针对高端产品开发与伺服控制器相匹配的伺服控制板，针对低端产品开发与变频控制器相匹配的变频控制板，并在系统软件设计上充分考虑两种情况，就可以使得本系统最大限度地适应实际需求，实现一个平台对两种驱动方案的支持。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种嵌入式万能材料试验机测控系统，包括主控制板，电机控制板，伺服控制器，液晶显示器，键盘，力传感器和光栅编码器，其特征在于，电机控制板通过26针数据线与主控制板的电机接口连接，电机控制板通过伺服控制器接口与伺服控制器连接；伺服控制器通过控制线与交流伺服电机连接，伺服控制器通过串口线与主控制板的串口连接。

2.根据权利要求1所述的嵌入式万能材料试验机测控系统，其特征在于，所述的主控制板，包括中央处理器，力传感器，AD转换单元，CPLD光栅编码器计数单元以及光栅；电机接口与中央处理器相连，中央处理器通过SPI与AD转换单元相连，AD转换单元通过屏蔽线与力传感器连接；中央处理器通过SPI与实时时钟单元相连；中央处理器通过总线与液晶接口与打印机接口相连；中央处理器通过8位数据线与CPLD光栅编码器计数单元相连，CPLD光栅编码器计数单元通过屏蔽线与光栅连接；中央处理器通过I2C串行总线与键盘单元连接，键盘单元通过数据线与键盘连接；主控制板设有液晶接口，打印机接口以及串口，液晶接口与液晶显示器相连，打印机接口与打印机相连，串口与微机相连；主控制板设有电源。

3.根据权利要求2所述的嵌入式万能材料试验机测控系统，其特征在于，所述的CPLD光栅编码器计数单元，包括逻辑核心，光栅接口，4M有源晶振，光栅清零信号线和计数器状态指示线；逻辑核心通过总线，清零信号线和计数器状态指示线与中央处理器连接；逻辑核心通过数据线与光栅接口连接；4M有源晶振与逻辑核心相连。

4.根据权利要求1所述的嵌入式万能材料试验机测控系统，其特征在于，所述的电机控制板包括采用伺服电机的电机控制板和采用变频电机的电机控制板。

5.根据权利要求4所述的嵌入式万能材料试验机测控系统，其特征在于，所述的伺服电机的电机控制板，包括三路IO输出控制信号，控制信号为ServON伺服使能信号，ZEROSPD零速箝位信号，CMOD模式切换信号。

6.根据权利要求5所述的嵌入式万能材料试验机测控系统，其特征在于，所述的三路IO输出控制信号，由中央处理器提供，通过伺服电机控制板上的伺服控制器接口与伺服控制器连接。

7.根据权利要求4所述的嵌入式万能材料试验机测控系统，其特征在于，所述的变频电机的电机控制板，包括三路IO输出控制信号，控制信号为正转，反转，停止信号。

8.根据权利要求7所述的嵌入式万能材料试验机测控系统，其特征在于，所述的三路IO输出控制信号，由中央处理器提供，通过变频电机控制板上的变频器接口与变频器控制端连接。

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