CN103676893A - 一种试验机测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种试验机控制系统，包括片上系统处理器、大规模可编程门阵列、以太网单元、EEPROM存储器、RS232串行通讯单元、RS485通讯单元以及A/D采集转换电路，大规模可编程门阵列以及以太网单元均通过并行总线与片上系统处理器相连，并行总线包括地址总线以及数据总线，通过不同的地址分配来实现不同模块之间的访问；片上系统处理器与EEPROM存储器之间通过IIC总线连接；RS232串行通讯单元以及RS485通讯单元分别通过串行总线与片上系统处理器进行数据交换；A/D采集转换电路通过SPI总线接口与片上系统处理器相连。本发明的优点是采用全数字化控制方式，集A/D采集、计数器及脉冲发生PWM、方波发生SWP、以太网等功能于一体，其结构简单可靠，并且具有十分良好的互换性。

Description

一种试验机测控系统

技术领域

本发明涉及试验机测控领域，更具体地说，是涉及一种试验机测控系统。

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，这种方式不能有效的消除周围环境以及模拟元件离散型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，这就给整个控制系统的电气性能带来了极大的影响也为生产与维护带来很多麻烦，尤其是在脉冲发生和编码器位置反馈信号的采集上，国内厂家所采用的办法直接将脉冲发生信号和编码器位置反馈信号连接到处理器的中断端口，这会严重的影响处理器的处理速度，导致整个控制系统的实时性和稳定性受到了制约。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种试验机控制系统，以解决目前试验机控制系统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。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种试验机控制系统，包括片上系统处理器、大规模可编程门阵列、以太网单元、EEPROM存储器、RS232串行通讯单元、RS485通讯单元以及A/D采集转换电路，

所述大规模可编程门阵列以及以太网单元均通过并行总线与片上系统处理器处理器相连，所述并行总线包括地址总线以及数据总线，通过不同的地址分配来实现不同模块之间的访问；

所述片上系统处理器与EEPROM存储器之间通过IIC总线连接；

所述RS232串行通讯单元以及RS485通讯单元分别通过串行总线与片上系统处理器进行数据交换；

所述A/D采集转换电路通过SPI总线接口与片上系统处理器相连。

所述大规模可编程门阵列实现交流电机驱动、直流电机驱动、电机的位置反馈以及电机的I/O口的输入输出。

所述交流电机驱动为：通过大规模可编程门阵列产生1-1MHz的方波的产生，通过对应的交流驱动板卡进行功率放大后输出，从而驱动交流伺服电机。

所述直流电机驱动为：通过大规模可编程门阵列产生占空比为0.01-100%的PWM信号，通过直流驱动卡进行功率放大后输出，从而驱动直流电机。

所述电机的位置反馈为：通过光电式编码器输入给大规模可编程门阵列的I/O引脚，通过大规模可编程门阵列实现计数，然后通过并行总线传送给片上系统处理器。

所述试验机控制系统的流程如下：

A．系统上电后，片上系统处理器首先进行初始化程序，配置内部各参数；

B．读取片上系统处理器内的看门狗及时钟电路，如果有任何一方没有反应，程序将循环检测；

C．采集试验数据，其中包括：试验力通道，变形通道，位移通道；

D．进入主循环，所述试验机控制系统采用多线程编程方式，将采集试验数据、计算机通讯、控制输出通道分别分配到不同的线程中，随时判断是否需要与计算机通讯，是否需要更改控制方式。

所述控制方式包括开环控制以及闭环控制，所述开环控制为以恒定速度控制电机；所述闭环控制包括以下三种方式，即恒应力控制，恒应变控制以及恒位移控制。

所述恒应力控制是指在试验过程中试验力变化量是恒定的，它的实现过程如下：

①给定力值Rk；

②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调节，否则进行PID调节；

⑤调节后，输出速度控制量；

⑥进行速度限定判断，返回速度值。

与现有技术相比，采用本发明的一种试验机控制系统，是以片上系统为核心其他电路为辅助搭建的。片上系统与大规模可编程门阵列、以太网模块是通过并行总线相连接的，其中包括数据总线和地址总线。RS485及RS232串口与片上系统之间是通过串口总线连接的，用以电平转换；模数转换器、EEPROM存储器可以直接连接在SOC处理器的I/O引脚上。伺服电机的驱动、位置反馈以及I/O口的出入输出是通过大规模可编程门阵列实现的。

总之，本发明的优点是采用全数字化控制方式，集A/D采集、计数器及脉冲发生PWM、方波发生SWP、以太网等功能于一体，其结构简单可靠，并且具有十分良好的互换性。

附图说明

图1为本发明的实施例的电路原理框图；

图2为本发明的实施例的大规模可编程门阵列的功能模块原理图；

图3为本发明的实施例的以太网单元原理图；

图4为本发明的实施例的EEPROM存储单元原理图；

图5为本发明的实施例的RS232串口通讯单元原理图；

图6为本发明的实施例的RS485通讯单元原理图；

图7为本发明的实施例的A/D采集转换电路单元原理图；

图8为本发明的实施例的流程框图；

图9为本发明的实施例的闭环控制的原理框图；

图10为本发明的实施例的闭环控制的流程框图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

请参阅图1所示的一种试验机测控系统，包括：

1）如图2所示的CPLD(大规模可编程门阵列)电路采用的是ALTERA公司的EPM1270芯片与SOC(片上系统)处理器通过并行总线相连在工业控制领域，并行总线的执行速度最快。此系统是围绕SOC+CPLD展开的，CPLD属于大规模可编程门电路系列，不但执行速度在ns级别而且不存在死机现象。在硬件系统搭建好的情况下，通过修改CPLD中的代码程序，可实现不同的控制输出和不同类型的信号采集，这在试验仪器这种小规模、多品种的控制领域是非常具有优势的。

2）再请参见如图3所示的以太网单元采用CP2200芯片，兼容100/1000BASE-T网络，全/半双工自适应，通过8位非复用总线方式与SOC(片上系统)处理器相连。

3）再请参见如图4所示的EEPROM存储器采用的是24CL16芯片实现的，SOC(片上系统)处理器与EEPROM存储器之间是通过IIC总线连接的。

4）再请参见如图5所示的串行通讯单元，采用了RS232电平转换芯片MAX232与SOC(片上系统)处理器通过串行总线进行数据交换，作为外部的通讯接口。

5)再请参见如图6所示的RS485通讯单元，采用了RS485转换芯片MAX1483与SOC(片上系统)处理器通过串行总线进行数据交换，作为另一个外部的通讯接口。

6)再请参见如图7所示的A/D采集转换电路：本系统中A/D转换采用了高集成度的△∑模数转换器CS5534BS系列芯片；为了便于模数转换器和SOC(片上系统)处理器之间的通讯，该转换器具有一个简单的SPI总线接口，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，此SPI总线端口可以用来进行访问。

SDI数据输入端口，用于将数据串行输入到转换器。

SDO数据输出端口，用于将数据串行从转换器输出。

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，串口时钟才能被端口逻辑识别。

这四条控制总线在整个系统中分别与SOC(片上系统)处理器的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3相连，直接将转化后的数据送给处理器。

采用了78L05做为模拟电平的基准源，为其提供+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。

7)伺服驱动、位置反馈及I/O单元：

①交流电机驱动

SOC(片上系统)处理器与CPLD之间是通过并行总线进行数据交换的，CPLD本身为可编程器件，可以实现1-1MHz的方波SWP的产生，通过对应的交流驱动板卡进行功率放大后输出，从而驱动松下电机，安川电机，台达电机等交流伺服电机。

②直流电机驱动

通过对CPLD进行编程，可产生占空比为0.01-100%的PWM信号，通过对应的直流驱动卡进行功率放大后输出，从而驱动直流电机。

③电机的位置反馈是通过光电式编码器输入给CPLD的I/O引脚。通过对CPLD的编程实现计数，然后通过并行总线传送给SOC(片上系统)处理器的。

再请参见如图8所示的本发明的设计流程如下：

1.系统上电后，处理器首先进行初始化程序，配置内部各参数。

2.读取处理器内部看门狗及时钟电路，如果有任何一方没有反应，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。本系统采用多线程编程方式，将采集试验数据、计算机通讯、控制输出通道分别分配到不同的线程中，随时判断是否需要与计算机通讯，是否需要更改控制方式等

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。

再请参见图9所示的闭环控制原理框图，其闭环控制实现方法如下：

恒应力控制：恒应力是指在试验过程中试验力变化量是恒定的，它的实现过程：

用户给定的加力速率用△L表示；

单位时间力值变化量用△F/△T表示；

(△L-△F/△T)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；因为电机的运转变化将直接改变传感器的信号输出，这样就改变了△F/△T的值，直至(△L-△F/△T)=0为止。

再请参见图10所示的闭环控制流程框图，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调节，否则进行PID调节⑤调节后，输出速度控制量⑥进行速度限定判断，返回速度值。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种试验机控制系统，其特征在于：

包括片上系统处理器、大规模可编程门阵列、以太网单元、EEPROM存储器、RS232串行通讯单元、RS485通讯单元以及A/D采集转换电路，

所述大规模可编程门阵列以及以太网单元均通过并行总线与片上系统处理器相连，所述并行总线包括地址总线以及数据总线，通过不同的地址分配来实现不同模块之间的访问；

所述片上系统处理器与EEPROM存储器之间通过IIC总线连接；

所述RS232串行通讯单元以及RS485通讯单元分别通过串行总线与片上系统处理器进行数据交换；

所述A/D采集转换电路通过SPI总线接口与片上系统处理器相连。

2.根据权利要求1所述的试验机控制系统，其特征在于：

所述大规模可编程门阵列实现交流电机驱动、直流电机驱动、电机的位置反馈以及电机的I/O口的输入输出。

3.根据权利要求2所述的试验机控制系统，其特征在于：

所述交流电机驱动为：通过大规模可编程门阵列产生1-1MHz的方波的产生，通过对应的交流驱动板卡进行功率放大后输出，从而驱动交流伺服电机。

4.根据权利要求2所述的试验机控制系统，其特征在于：

所述直流电机驱动为：通过大规模可编程门阵列产生占空比为0.01-100%的PWM信号，通过直流驱动卡进行功率放大后输出，从而驱动直流电机。

5.根据权利要求2所述的试验机控制系统，其特征在于：

所述电机的位置反馈为：通过光电式编码器输入给大规模可编程门阵列的I/O引脚，通过大规模可编程门阵列实现计数，然后通过并行总线传送给片上系统处理器。

6.根据权利要求1所述的试验机控制系统，其特征在于：

所述试验机控制系统的流程如下：

A．系统上电后，片上系统处理器首先进行初始化程序，配置内部各参数；

B．读取片上系统处理器内的看门狗及时钟电路，如果有任何一方没有反应，程序将循环检测；

C．采集试验数据，其中包括：试验力通道，变形通道，位移通道；

D．进入主循环，所述试验机控制系统采用多线程编程方式，将采集试验数据、计算机通讯、控制输出通道分别分配到不同的线程中，随时判断是否需要与计算机通讯，是否需要更改控制方式。

7.根据权利要求6所述的试验机控制系统，其特征在于：

所述控制方式包括开环控制以及闭环控制，所述开环控制为以恒定速度控制电机；所述闭环控制包括以下三种方式，即恒应力控制，恒应变控制以及恒位移控制。

8.根据权利要求7所述的试验机控制系统，其特征在于：

所述恒应力控制是指在试验过程中试验力变化量是恒定的，它的实现过程如下：

①给定力值Rk；

②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调节，否则进行PID调节；

⑤调节后，输出速度控制量；

⑥进行速度限定判断，返回速度值。

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