基于μC／OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)的萬能材料試驗機測控系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

萬能材料試驗機是測定材料機械性能的基本設(shè)備之一，主要用作對金屬、橡膠、塑料、陶瓷和水泥等材料的拉伸、壓縮、彎曲和剪切等機械性能的試驗，可完成對材料的強度、塑性、彈性及韌性的檢測。隨著國際化的不斷深入，國內(nèi)外材料試驗機的發(fā)展主要呈現(xiàn)出計算機化、數(shù)據(jù)處理全面化、控制精確化、全面化的特點。

當(dāng)前萬能材料試驗機測控系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的復(fù)雜性，要在盡可能小的空間中集成數(shù)據(jù)采集、處理，人機界面，串行通信等多個功能。傳統(tǒng)的單片機由于功能單一，往往無法滿足要求，或者即使可以實現(xiàn)，也需要使用大量的MCU協(xié)同工作，在信號連接、編程和減少體積方面，都會遇到不小的困難。在裸機上直接開發(fā)運行前后臺系統(tǒng)的開發(fā)、維護和擴展都很困難，而且這樣的系統(tǒng)本質(zhì)上是一個程序超循環(huán)，根本無法保證測控系統(tǒng)的實時性要求。

萬能材料試驗機測控系統(tǒng)不但要求系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)隨機發(fā)生的外部事件，對其進行快速處理，還需要同時執(zhí)行多個任務(wù)，并對每個任務(wù)實時響應(yīng)。如果使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，則可以使用單片嵌入式CPU，集成多種功能，逐步解決存在的問題。

本文就是基于這樣的背景，提出一種基于SEP3203處理器和實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ的高精度萬能材料試驗機測控系統(tǒng)的實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)工作原理

試驗機利用控制器，先經(jīng)交流伺服單元控制電機運轉(zhuǎn)，再經(jīng)精密減速器減速后，通過反齒隙游移螺帽由電機帶動雙螺旋絲杠副，驅(qū)動動橫梁上下移動，從而實現(xiàn)對試樣的加載過程，完成試樣的拉伸、壓縮等力學(xué)性能試驗。它的工作原理如圖1所示。在做拉力試驗或者其他試驗時，由于試驗機的負荷傳感器與試樣失去平衡，電橋產(chǎn)生一個弱小的不平衡電壓輸出。該電壓在一定范圍內(nèi)與作用力的大小呈線性正比例關(guān)系。然而試樣在負荷作用下引起的變形量則通過電子引伸計獲得。負荷傳感器和電子引伸計輸出的小信號都經(jīng)測量單元放大處理后，送給控制器數(shù)據(jù)采集輸入端進行數(shù)據(jù)處理，得到力和變形量值，同時繪制出力和變形等特征曲線。此外，動橫梁的位移則通過安裝在電機轉(zhuǎn)軸上的光電編碼器數(shù)字測量獲得。

2 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)試驗機的功能要求和工作原理，該系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．1 核心板和電源模塊

核心板上的處理器采用東南大學(xué)博芯公司的SEP3203。SEP3203處理器內(nèi)嵌了英國ARM公司提供的ARM7TDMI處理器內(nèi)核，內(nèi)嵌20 KB片上零等待靜態(tài)存儲器；集成了支持黑白、灰度、彩色的LCD控制器；支持用于連接觸摸屏通信的SPI協(xié)議。一個通道實時時鐘模塊，85個通用I／O口和18個外部中斷源。

核心板中存儲器部分包括8 MB SDRAM和2 MBNOR FLASH。通過擴展插座引入核心板所用到的RESET和WAKEUP功能引腳；通過擴展插座將22位地址線和32位數(shù)據(jù)線以及未用的控制信號擴展到母板。

該系統(tǒng)要求多路電源供電，如ARM核心板需要3．3 V和5 V兩路電源；在系統(tǒng)的外圍部件中，LCD控制模塊需要5 V電源供電；A／D轉(zhuǎn)換模塊需要6 V電源同時供電；伺服驅(qū)動器則需要12 V電源供電，所以應(yīng)該對輸入電源進行相應(yīng)的穩(wěn)壓、分路等設(shè)計。

2．2 外圍通用接口模塊

試驗機控制器的外圍通用接口模塊主要包含通用I／O口、USB接口、JTAG調(diào)試口等。在試驗機系統(tǒng)中，控制器除了要與上下層通信外，主要還涉及到傳感器測量參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和伺服控制信號的輸出等。同時，開關(guān)量也是測控現(xiàn)場最簡單且使用較頻繁的信號之一，如試驗機動橫梁的限位開關(guān)、液晶顯示控制和指示燈的亮滅等。設(shè)計中采用SEP3203的通用I／口來實現(xiàn)這些信號的輸入／輸出。

SEP3203提供了85個通用I／O口和18個外部中斷源，無需擴展I／O口。使用端口功能時首先在程序里把引腳功能模式定義好，即將每個端口配置為輸入模式、輸出模式或中斷功能模式，每個復(fù)用引腳都有對應(yīng)的寄存器位來選擇實際使用的功能模式。該設(shè)計中，I／O通道使用雙向緩沖器件74LVCH162245A，以增強總線驅(qū)動能力。

此外，系統(tǒng)中還添加了2個USB接口，用于測試結(jié)果的輸出或作為備用接口。

2．3 信號采集模塊

信號采集模塊包括多通道力值采集模塊和多通道變形信號采集模塊。

力值和變形是系統(tǒng)所采集的最主要信號。傳感器的電壓信號輸入到模／數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5530中，CS5530的差動輸入端可以直接測量來自傳感器的毫伏信號，這簡化了與外圍電路的連接。可編程增益放大器能使放大倍數(shù)從1～32進行設(shè)定，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性。多級程控數(shù)字濾波器可使數(shù)據(jù)輸出速率得到選擇，范圍為7．5 Hz～3．84 kHz，方便了與外設(shè)的連接。另外，CS5530內(nèi)部有一個完整的自校正系統(tǒng)，可以進行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，從而可消除A／D本身的零點增益和漂移誤差，以及系統(tǒng)通道的失調(diào)和增益誤差。此外，由線性穩(wěn)壓元件7806提供工作電壓，以確保信號采集精度。

2．4 人機交互模塊

為了使萬能試驗機測控系統(tǒng)具有更好的人機交互界面，便于用戶調(diào)試與操作，需要給其配置顯示裝置，如LCD液晶顯示屏以及信號燈提示等。另外．要進行人機交互，還得有輸入裝置，使用戶可以對ARM主控制器發(fā)出命令或輸入必要的控制參數(shù)等，該系統(tǒng)采用觸摸屏輸入。

根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，液晶顯示模塊采用240×320黑白4級灰度顯示屏，兼容彩色7寸64K彩色TFT液晶屏，觸摸屏與LCD合為一體。觸摸屏采用AC97+UCB1400工作方式。UCB1400的小體積與低電壓（3．3 V）特性使其成為新一代PDA應(yīng)用產(chǎn)品的理想選擇。它集成了先進的音頻編解碼、觸摸屏控制器以及電源管理等功能，并以標(biāo)準(zhǔn)、立即可用的產(chǎn)品形態(tài)提供客戶化功能。UCB1400控制器作為液晶顯示屏與ARM的接口，用來直接驅(qū)動液晶控制字符、漢字以及圖形的顯示。借助UCB1400，可以直接利用SEP3203的I／O口模擬液晶的讀／寫和控制時序，使得ARM對液晶的操作實際上變?yōu)锳RM對液晶顯示控制器UCB1400的操作，從而簡化了接口電路的硬件連接和軟件編程。

3 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

μC／OS-Ⅱ是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的完全可剝離的實時操作系統(tǒng)，可以管理64個任務(wù)，其中留給用戶的應(yīng)用程序最多可有56個任務(wù)。這種RTOS應(yīng)用軟件的開發(fā)過程為：

（1）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，明確應(yīng)用軟件的功能；

（2）結(jié)合RTOS的并發(fā)特性（或準(zhǔn)并發(fā)特性），對應(yīng)用軟件要實現(xiàn)的功能進行大小適當(dāng)?shù)膭澐?，也就是把?yīng)用軟件的功能按照一定的原則劃分為若干個任務(wù)模塊；

（3）對各個任務(wù)間的通信和時延進行仔細的確認。

在μC／OS-Ⅱ中，每個任務(wù)都是一個無限的循環(huán)，都可能處于以下5種狀態(tài)：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)和被中斷態(tài)。任務(wù)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖3所示。

3．1 測控系統(tǒng)軟件模塊分析

在該系統(tǒng)中，主要實現(xiàn)的功能是測試數(shù)據(jù)（包括力值、位移值）的采集、測試數(shù)據(jù)在LCD上面的顯示、伺電機的控制、人機交互以及數(shù)據(jù)通信等。由于力值和位移值是試驗機系統(tǒng)的2項關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將直接表征被測試件的力學(xué)性能，對采集的實時性和精度要求都很高，所以就需要在測試過程中連續(xù)地將實時力值和位移值傳遞給主控制器。主控制器將憑借所獲取的力值和位移值來確定當(dāng)前測試狀態(tài)，確定控制操作。如圖4、圖5所示。

依上所述，將系統(tǒng)劃分為若干任務(wù)模塊，將實時性要求高的任務(wù)，分配給高優(yōu)先級；將實時性要求低的任務(wù)，分配給低優(yōu)先級。該系統(tǒng)任務(wù)的具體劃分見表1。

表中，SysTaskstart的任務(wù)主要是完成系統(tǒng)硬件的初始化、用戶配置初始化、圖形界面GUI的初始化及其他任務(wù)的創(chuàng)建等工作。主測試任務(wù)TaskTest是整個材料試驗機測控系統(tǒng)的核心。該任務(wù)用來實現(xiàn)材料試驗機的測試邏輯，實時讀取力傳感器和位移傳感器的數(shù)值，判斷測試狀態(tài)，依據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的控制操作，以完成測試，最后保存測試結(jié)果。

3．2 人機交互界面設(shè)計

人機界面是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，它可以讓用戶方便地輸入?yún)?shù)，執(zhí)行操作，并及時呈現(xiàn)出必要的信息提示用戶。用戶在測試材料時，需要頻繁地向控制器發(fā)出不同的操作命令或更改系統(tǒng)參數(shù)，因此友好的人機交互界面是必需的。該系統(tǒng)采用μC／GUI來進行人機界面的設(shè)計。μC／GUI是一個源代碼開放的GUI，可以實現(xiàn)Windows風(fēng)格的圖形界面，微型是它的最大特點，同時它占用很小的系統(tǒng)資源，易于移植，功能強大；可以運行在μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)中；采用了100％的ANSIC編寫，可以應(yīng)用于任何LCD和CPU中；加上其源代碼開放的特點，使用起來非常靈活。

4 結(jié)語

該萬能材料試驗機測控系統(tǒng)，以SEP3203微處理器和μC／OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，具有精度高，實時性好，界面友好等特點，其模塊化設(shè)計便于今后對故障的查找和系統(tǒng)的改造升級。