基于SEP3203拉力試驗(yàn)機(jī)嵌入式測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　萬能材料試驗(yàn)機(jī)是測定材料機(jī)械性能的基本設(shè)備之一。當(dāng)前萬能材料試驗(yàn)機(jī)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(jī)界面，串行通信等多個(gè)功能。傳統(tǒng)的單片機(jī)由于功能單一，往往無法滿足要求，或者即使可以實(shí)現(xiàn)，也需要使用大量的MCU協(xié)同工作，在信號(hào)連接、編程和減少體積方面，都會(huì)遇到不小的困難。萬能材料試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)不但要求系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，對其進(jìn)行快速處理，還需要同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，并對每個(gè)任務(wù)實(shí)時(shí)響應(yīng)。　　

??????? 本文就是基于這樣的背景，提出一種基于SEP3203處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的高精度萬能材料試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　試驗(yàn)機(jī)利用控制器，先經(jīng)交流伺服單元控制電機(jī)運(yùn)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(jī)帶動(dòng)雙螺旋絲杠副，驅(qū)動(dòng)動(dòng)橫梁上下移動(dòng)，從而實(shí)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(yàn)。它的工作原理如圖1所示。在做拉力試驗(yàn)或者其他試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)機(jī)的負(fù)荷傳感器與試樣失去平衡，電橋產(chǎn)生一個(gè)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(fù)荷作用下引起的變形量則通過電子引伸計(jì)獲得。負(fù)荷傳感器和電子引伸計(jì)輸出的小信號(hào)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到力和變形量值，同時(shí)繪制出力和變形等特征曲線。此外，動(dòng)橫梁的位移則通過安裝在電機(jī)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(jì)

　　根據(jù)試驗(yàn)機(jī)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(chǔ)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(gè)通道實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，85個(gè)通用I/O口和18個(gè)外部中斷源。

　　核心板中存儲(chǔ)器部分包括8 MB SDRAM和2 MBNOR FLASH。通過擴(kuò)展插座引入核心板所用到的RESET和WAKEUP功能引腳;通過擴(kuò)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(hào)擴(kuò)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(shí)供電;伺服驅(qū)動(dòng)器則需要12 V電源供電，所以應(yīng)該對輸入電源進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)壓、分路等設(shè)計(jì)。

　　2.2 外圍通用接口模塊

　　試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)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(hào)的輸出等。同時(shí)，開關(guān)量也是測控現(xiàn)場最簡單且使用較頻繁的信號(hào)之一，如試驗(yàn)機(jī)動(dòng)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(jì)中采用SEP3203的通用I/口來實(shí)現(xiàn)這些信號(hào)的輸入/輸出。

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

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

　　2.3 信號(hào)采集模塊

　　信號(hào)采集模塊包括多通道力值采集模塊和多通道變形信號(hào)采集模塊。

　　力值和變形是系統(tǒng)所采集的最主要信號(hào)。傳感器的電壓信號(hào)輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5530中，CS5530的差動(dòng)輸入端可以直接測量來自傳感器的毫伏信號(hào)，這簡化了與外圍電路的連接?？删幊淘鲆?a href="http://wenjunhu.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器能使放大倍數(shù)從1～32進(jìn)行設(shè)定，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。多級(jí)程控?cái)?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(gè)完整的自校正系統(tǒng)，可以進(jìn)行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，從而可消除A/D本身的零點(diǎn)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(hào)采集精度。

　　2.4 人機(jī)交互模塊

　　為了使萬能試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)具有更好的人機(jī)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(hào)燈提示等。另外.要進(jìn)行人機(jī)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(shí)際需要，液晶顯示模塊采用240×320黑白4級(jí)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(jìn)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(dòng)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(shí)序，使得ARM對液晶的操作實(shí)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。