杯突試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案解析

　0 引言
　　杯突試驗(yàn)機(jī)是對金屬薄板和帶材進(jìn)行延展性試驗(yàn)的專用設(shè)備，也是目前國內(nèi)評定金屬材料塑性變形性能的 惟一設(shè)備，主要用于檢驗(yàn)各種金屬薄板在試驗(yàn)過程中的塑性 變形性能及有色金屬薄板的各項(xiàng)異性。近年來，隨著我國科技力量的不斷提升，金屬材料的生產(chǎn)加工工藝也取得了長足的進(jìn)步，為了獲得新工藝下材料的各項(xiàng)性能， 杯突試驗(yàn)機(jī)得到了更加廣泛的應(yīng)用。
　　目前國內(nèi)的杯突試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)大多是以PLC、人機(jī)界面和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方式。這種方式主要存在以下缺點(diǎn)：生產(chǎn)成本高、功耗大、試驗(yàn)操作臺與計(jì)算機(jī)終端的分離給操作人員帶來了很大的不便。
　　針對以上缺點(diǎn)，本文將目前日益成熟的嵌入式技術(shù)應(yīng)用到杯突試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)的改造中，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式的杯突試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度的同時(shí)，充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低、專用性強(qiáng)以及可靠性高等特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
　　1 杯突試驗(yàn)機(jī)組成及工作原理
　　杯突試驗(yàn)機(jī)主機(jī)組成：杯突試驗(yàn)機(jī)主要由油泵、溢流閥、電磁換向閥、節(jié)流閥、沖力閥、單向閥、工作缸、活塞、沖壓力傳感器、壓邊力傳感器、光柵位移傳感器以及電氣控制裝置等組成。其中，電氣裝置主要由控制電路、繼電器、直流電源、電流信號轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。
　　杯突試驗(yàn)機(jī)工作原理：當(dāng)啟動夾緊油泵時(shí)，油經(jīng)換向閥、調(diào)速閥流向夾緊油缸，推動大活塞上升，使夾模 將試樣夾緊；然后啟動沖壓油泵，油經(jīng)換向閥、調(diào)速閥流向 沖壓油缸，推動小活塞上升，使球形沖頭壓入試樣；當(dāng)試樣在全厚度上出現(xiàn)穿透裂縫時(shí)，沖壓負(fù)荷下降，此時(shí)沖頭壓入試樣的深度即為試樣的杯突值，然后兩換向閥 同時(shí)換向，油泵的油流回油池，使沖頭、墊模下降，當(dāng)活塞落底時(shí)結(jié)束所有操作動作，完成試樣杯突值的一次檢測。
　　2 系統(tǒng)分析
　　測控系統(tǒng)需要完成如下兩大功能：一是控制試驗(yàn)機(jī)完成相關(guān)的試驗(yàn)操作并能實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)；二是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存、查詢、編輯及打印等?，F(xiàn)將整個(gè)測控系統(tǒng)劃分為以下四個(gè)部分：主控制器單元、數(shù)據(jù)測量單元、電氣控制單元以及杯突試驗(yàn)機(jī)主機(jī)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　
　　主控制器單元是整個(gè)測控系統(tǒng)的核心，其核心電路是ARM9核心板，使用了三星公司的S3C2440 芯片，主頻可達(dá)400MHz，其內(nèi)部集成了A/D、 LCD觸摸屏、GPIO、USB以及網(wǎng)絡(luò)等接口。該單元通過系統(tǒng)總線和GPIO接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并完成對試驗(yàn)機(jī)的控制。用戶通過觸摸屏與測控系統(tǒng)的應(yīng)用 程序進(jìn)行交互，控制試驗(yàn)機(jī)的整個(gè)工作過程、完成數(shù)據(jù)的采集以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲和管理等操作；通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)或服務(wù)器之間數(shù)據(jù)的上傳與下載；通過 USB接口完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的打印。
　　電氣控制單元主要包括繼電器和相應(yīng)的驅(qū)動電路，其主要任務(wù)是根據(jù)微處理器發(fā)出的命令控制試驗(yàn)機(jī)的機(jī) 械裝置，完成整個(gè)試驗(yàn)過程。根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的工作原理，一次 完整的試驗(yàn)需要發(fā)出以下六個(gè)操作指令：夾緊油泵工作、夾緊電機(jī)工作、沖壓電機(jī)工作、沖壓油泵工作、夾緊換向閥換向、沖壓換向閥換向，這些操作指令分別對應(yīng) 6個(gè)開關(guān)量信號。微處理器發(fā)出的這些開關(guān)量信號通過GPIO口驅(qū)動繼電器從而控制試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部各機(jī)械裝置來完成整個(gè)試驗(yàn)過程。
　　數(shù)據(jù)測量單元包括兩種傳感器和對應(yīng)的測量電路。這兩種傳感器分別是光柵尺和壓力變送器。前者用來測量試樣的杯突值，后者用來測量夾緊力值和沖壓力值。
　　試驗(yàn)機(jī)主機(jī)主要包括油泵、溢流閥、電磁換向閥、節(jié)流閥、沖力閥、單向閥、工作缸、活塞等機(jī)械裝置。
　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　3.1 杯突值測量電路
　　沖頭壓入試樣的深度即試樣的杯突值是通過固定在沖頭上的光柵位移傳感器（以下簡稱光柵尺）來測量的。光柵尺是一種利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置，其輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有測量范圍大、精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。
　　光柵尺信號的采集一般分為濾波整形、鑒相、倍頻、計(jì)數(shù)等幾個(gè)步驟。本系統(tǒng)將光柵尺輸出的相位相差90°的A，B正交編碼脈沖信號經(jīng)過光電耦合器隔離、電平 轉(zhuǎn)換及濾波整形后送入LS7266R1芯片，LS7266R1通過8位數(shù)據(jù)總線將計(jì)數(shù)結(jié)果送給嵌入式微處理器進(jìn)行處理。
　　LS7266R1是美國LSI公司開發(fā)的24位雙軸正交信號鑒相芯片，該芯片將倍頻、細(xì)分、鑒相、 計(jì)數(shù)集成到一起，不僅具有良好的抗干擾能力和較高的測量 精度，而且也大大簡化了光柵尺傳感器接口電路的設(shè)計(jì)。芯片內(nèi)部含有2個(gè)正交信號鑒相模塊（X和Y），每個(gè)正交信號鑒相模塊內(nèi)都包含了各自的寄存器，可以同 時(shí)對兩組正交信號進(jìn)行處理，本系統(tǒng)中只需對一組正交信號進(jìn)行處理。另外，通過對LS7266R1的計(jì)數(shù)模式寄存器（CMR）的設(shè)置將計(jì)數(shù)模式設(shè)置為四倍頻 正交模式以提高計(jì)數(shù)精度。