（机械电子工程专业论文）材料试验机的usb总线测控系统设计.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 材料试验机是检测材料及其制品在各种环境和模拟状态下的机械性能、工艺性 能、结构抗振强度以及材料与构件内外表面缺陷的重要科学测试仪器与设备。随着 试验机技术和微电子技术的快速发展，旧有的试验机测控系统己逐渐不能适应广大 用户的测试需求，迫切要求新一代试验机测控系统向数字化、智能化、集成化方面 迈进。材料试验机测控系统是影响试验机综合性能的关键因素。基于以上背景，本 文对基于u s b 总线的材料试验机测试与控制系统进行了研究与开发。 在分析和比较国内外先进材料试验机的测试控制系统基础上，本课题对材料试 验机的控制系统、数据采集系统、u s b 通信系统和上位机测试软件等组成进行了系 统的分析与研究，在此基础上确定了基于u s b 总线的材料试验机测试与控制系统的 整体设计方案。本文重点研究了材料试验机的数据采集系统、u s b 通信系统和控制 系统。设计了数据采集与控制系统的软硬件，u s b 通信系统的软硬件和上位p c 机的 应用程序。本测试系统下位机系统采用f p g a 作为主控制器，在f p g a 中实现闭环 控制，选用a d c 0 8 0 9 作为a d 转换芯片；采用飞利浦公司的p d s b d l 2 作为u s b 功能接口芯片，它是一个单独的接口芯片，符合u s b l 1 规范。上位机程序以l a b v i e w 平台开发为开发工具，程序主要包括数据通信模块、数据处理模块和曲线显示模块， 系统可实现多种复杂的数据采集与分析处理。 关键词：材料试验机、测试与控制系统、u s b 、l a b v i e w 北方工业大学硕士学位论文 d e s j g n 蚰t h et e s 咖ga n dc o n t l o i l l gs y s t e mo f t h em a t e r i a l t e s t i n gm a c h i n e b a s e do nu s b a b s t r a c t t h em a t e r i a lt 砌l gm a c h i n ei st l l ei i l s t m m e n tu - s o dw i d e l yt ot e s tm e c h a i l i c a l d 团毗p i d c e s sd 删e ra 1 1 d 鼬r l l c t 眦a l 蜘g t hi nt 1 1 es c i e n c ea n dt e c 知1 0 l o g y6 e l da n d t h ei 1 1 d 1 1 s t r i a lm 删亿c t l l r eq 叫i 哆i 1 1 s l ：i r a n c es 笋舱m w i t l lm em p i dd e v e l o p m e n to ft l l e t e s t h l gt e c l l i l o l o g y 锄dm i c r o 嗣e c 由r o l l i ct e c l l i l o l o g y ，t l 】l o s e m e a s i m e r 】【1 e n ta n dc 0 呲r o l s y s t e m so f删i t i o l l a lt e s t i i l gm a c m n 懿c a n tm e e tt e s t i l l gd e m a n d so f u s e r 辱删y ，s 0i t i s 苫e n tt 1 1 a tt l l en e wg e i ：暾a t i o no fm e a s u 儆n e n ta n dc 0 n t r o ls y s t e mf b rt l l et e s t i n g m a 6 h i i l eg o e s 硒m a r do n 1 ew a yo fd i 百t i z 撕。珥硫e 1 1 i g e n t i z a t i o n 趾dn 刚i o n 1 1 1 e t e s t i n ga 1 1 dc o i n t r 0 1 l i n g 毋咖i st l l ek e yt e c h n 0 1 0 9 yo fm em a 矧a lt e s t i n gm 溅n e b a s e d 0 na b o v eb a c l ( g 删，is t u d i e dn l et 硎n g 锄dc 0 n 呐l l i n gs y s t e mo ft l l e1 1 i 曲p r 晒s i o n u 1 1 i 、 e r s i a lm a t e r i a lt e s t i l l gm a d l i i l eb a s e do nu s b t h et e s t i n gs y s t e mo ft 1 1 e 硼打e r s i a lm a t 嘶a lt e s t i n gm a c h m eb a s e do nu s ba p p l 硫 u s bi m e r f h c et or e a l i z e l ec o m m u j l i 训o no fu 1 ) l ? e r - l o w e rs y s t 锄i th a s 廿1 eo u t s t a l l d i n g c h 硼a c t 甜s t i c so fc o n v e l l i 锄c e ，h i 曲s p e e da i l dp r e c i s i o n t h e 、h o l es y s t 锄i sc o l l s i s t e do f 妣rs e c t i o n s ，l o s ea r ec a i n l 睦_ o ls e c t i o n ，d a _ t a 州s i t i o n gs y s t e m ，u s bc o m l l 】切1 i 训o n g 趼r s t 伽a n du p p e rs y s t 锄t h eh a r d w a r e 锄dm er e l a t e ds o 胁a r eo fm ed a t a 州s i t i o n s y s t e ma 1 1 du s bc o 删m 1 1 1 i c 撕o n gs y s t e ma r ei i lt l l ec h a 略eo fm el o w e rs y s t 锄h l “s s y s t e m ，f p g ai sm a i nc o n 臼0 1 1 w l l i c hh 嬲m a d ec l o s 争l o o pc o l l 仃0 1 t h e8b i t s 煳o n a d c n 锄e d a d c 0 8 0 9 ，伽c h i s m e c o r e p a n o f m e d a t aa c q 【u i s i t i o ns y s t 锄，i s u s e dt or e a l i z el l i 曲咖s i o no f 恤s y s t 锄p d i u s b d l 2 娜d u c e db yp 1 1 i l i p s 讹c h c o m p l i e s 、加mm eu s bs 1 ) e c i 矗c a t i o nr e v l 1i sl l s e da st l l eu s bd e v i c e 砷抵e 出p t 0 r e a l 讫eu s bc c i n m m l l i c 碰o n t h eu 1 ) p e rc o n t r o ls y s t 锄u s el a ：晰e w 弱m es o f tw a r e d e 、r e l o l m l e n tp l a t f o 肌t h et e s t i i l gs y s t e mc a i lr e a l i z ec o m p l e xd a t a 唧i s i t i 叩岛a i l a l 河s a n dp c e s s i i 培ni sa b l et o ( 1 i s p l a ym er e a l - t i m el o a d d i s p a l c e m 毗l 0 a d - t i i i l e ， d i s p l a c e m 耐- t i i i l e ，s 仃e s s - 7 n m ec u r v e se t c a 幽e k e y w o r d s ：m a t 嘶a lt e s t i n gm a c h i i l e ，u s b ，t e 鼬培a n dc o 劬的1 1 i n gs y s t e m ，i 砒r v i e w 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕直王些太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名萍耘件签字日期：勿庐时月胗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j s 友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权j 笪虚王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝作者签名稃亟砰 签字日期：；莲盯月汐日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 蚕了 绎舯 j 略 名 期 整 日 师 字 话编 新 拌 蜥黼 北方工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 材料试验机是检测材料及其制品在各种环境和模拟状态下的机械性能、工艺性 能、结构抗振强度以及材料与构件内外表面缺陷的重要科学测试仪器与设备。它广 泛应用于交通运输、冶金建筑、汽车、宇航与造船以及国防科技、高等院校等国民 经济的各个领域和部门。材料试验机作为一种精密测试设备，对于材料科学的快速 发展、工业产品和工程结构的合理设计、有效地使用材料、改进工艺、减小产品的 体积和重量、提高产品质量，以及保证安全可靠和提高使用寿命等，都具有极其重 要的作用。 如今的试验机已经是一种技术密集型的精密标准测试设备，具有很强的综合性 和学科交叉性，它涉及到诸多高新技术领域。材料试验机须要满足工作强实时性、 可扩展性、执行机构精确的运动控制和力控制等性能要求，试验机测控系统不但要 进行数据采集和处理，还要实现对执行机构的运动控制。随着电子技术和计算机技 术的飞速发展，各种电子式万能材料试验机相继问世并投入市场，为材料性能测试 提供了高度自动化的设备。虽然新设备功能全，但其价格昂贵，而原有的老设备仍 在广泛使用，其数据处理方法满足不了现代科学研究的需要。国内己有一些科研单 位、企业公司、高等学校利用新技术对老式万能材料试验机的测试系统进行了技术 改造，实现实验数据的自动采集、分析和处理，但其中仍然有许多问题有待解决。 1 2 l 1 2 试验机及其分类 材料试验机是测定材料性能指标的标准仪器设备，根据材料种类及所需测定的 性能指标的不同，材料试验机可以分为很多种。按我国产品分类规定1 3 l ，试验机按 用途可分为：金属材料试验机、非金属材料试验机、平衡机、无损检测仪器、振动 台、冲击台与碰撞台、力与变形检测仪器、摩擦、磨损、润滑与工艺试验机、大型 结构试验机、汽车专用试验设备等。 金属材料试验机包括：万能材料试验机( 机械式和液压式) 、拉力试验机、压 力试验机、弯曲试验机、扭转试验机、复合应力试验机、大型构件试验机、蠕变与 持久强度试验机、松弛试验机、硬度计、冲击试验机、疲劳试验机等。非金属材料 试验机是按被测试材料来分类的，每类中又按其能完成的检测项目再进行划分。 北方工业大学硕士学位论文 材料试验机是测试材料力学性能的一个测试加载平台。按照加载方式与控制方 式区分i ，有三代产品：机械式加载试验机、液压式加载试验机、微机控制的电控 试验机。 1 机械式加载试验机，主要是普通电动机、齿轮、丝杠式传动加载及重锤杠 杆式加载。其缺点是调整、控制加载速率十分困难，而且要求试验机承力结构抵抗 变形的刚度很大。 2 液压式加载试验机使人工调整、控制加载速率变得较为容易，加载能力也 得到极大加强，而且对试验机结构刚度要求下降，特别是易于实现双向、三向加载， 这是机械加载方式难以实现的。 3 微机控制的电控试验机是在普通电动机、齿轮、丝杠式传动加载的基础上 改以采用便于自动控制的伺服电机，或者在液压加载方式的基础上采用电液伺服阀 或比例阀，配上微机控制的自动控制系统及显示系统，使得试验机的性能发生了革 命性的变化。 1 3 万能试验机的国内外发展现状 在工业生产的发展过程中，随着新材料的不断出现，迫切需要研制和生产相应 的材料试验设备，以及研究材料的试验方法。于是材料试验机应运而生，第一台材 料试验机于1 7 2 9 年问世，它是根据杠杆原理制成的。到十八世纪中叶，材料试验机 逐渐地有了较大的改进，例如在加载机构中采用了刀口结构等，这时的材料试验机 加载能力己达到1 0 0 吨。 十九世纪初，液压技术的进步促进了液压材料试验机的研究与应用。第一台液 压材料试验机于18 2 7 年制成，采用杠杆原理测量负荷。从这时起，才开始系统地发 表了一系列关于材料强度和弹性的试验数据。 本世纪初，制成了布氏硬度计，随后制成洛氏硬度计、维氏硬度计和蠕变试验 机等。二战后，适应军事科学的发展，新型合金的研究工作也随之发展起来。与之 配套的一系列新型材料试验机，如高温材料试验机、低温材料试验机、高速材料试 验机和高频材料试验机等也相继出现，负荷测量系统和变形测量系统也有了新的发 展。在本世纪五十年代，出现了电子式材料试验机。由于在材料试验机的的控制、 测量和记录系统中，广泛采用了电子技术，使材料试验机的整体性能得到很大提高。 机械设计的进步和微电子伺服控制技术的应用，现代静态试验机己经把拉、压、弯、 剪等集合于一身，称之为“电子万能试验机，1 5 j 。通过变换夹具、附件和改变机器 运行参数就能自动完成材料试验，并将试验结果以数据打印和曲线描绘的方式输出。 此类试验机由于具有闭环机电伺服控制系统，除上述静态试验机功能外，它还能进 2 北方工业大学硕士学位论文 行低频率下的往复拉压循环试验，因而添加了部分动态试验功能，扩展了它的应用 范围，成为世界上目前应用最广、最普遍的机种之一，基本取代了传统的老式机械 拉力试验机、压力试验机和专用的弯曲试验机。目前国际上公认的电子万能材料试 验机有英国的n s 陬0 n 、美国的m r s 和日本的岛津。此外，利用液压驱动大负荷 加载的液压万能试验机不仅可以对高强度金属、岩石等材料进行拉、压、弯、剪的 试验，而且特大负荷的机型也可以对大型建筑构件、地层高压岩体进行重载下的力 学强度试验，其负荷力已经达到三千吨以上1 4 i 。 可以实现各种速率控制的自控试验机在微机没有发展起来时就有，但那时因大 规模集成电路发展尚不成熟，故需较复杂、庞大的电控箱，采样速度慢，响应速度 低，性能不能与现在比，性能价格比低，操作复杂不便。只是随着大规模集成电路 的发展，微机的普及，才出现了现在的微机控制的电控试验机。比较有代表性的厂 家有英国的英斯特朗公司和日本的岛津公司所。英斯特朗公司的第一代产品是1 1 1 0 系列，第二代产品为1 1 9 0 系列，第三代产品为1 1 0 0 、6 0 0 0 系列，第四代产品是4 5 0 0 系列( 精密型) 和4 0 0 0 ( 4 2 0 0 、4 3 0 0 ) 系列( 标准型) 。岛津公司的第一代产品是i s 系列， 第二代产品是d s s 系列，第三代产品是a g a 、b 、c 系列，第四代是a g e 系 列。这些系列的试验机的技术指标中负荷精度能达到指示值的o 5 ( 或每级量程的 o 2 5 ) 横梁速度控制精度达0 1 【2 j 。 我国电子式万能试验机的发展也很迅速。最早的一款电子式万能试验机是由长 春试验机研究所开发的定型产品w d 系列，先后移植给宁夏青山试验机厂、广州试 验仪器厂。南土仪器有限公司在n y l 广3 0 0 型压力试验机基础上增加微电脑显示、记 录、储存、打印等功能。长春市朝阳试验仪器有限公司对北京建筑科学研究院检测 二所的5 台试验机联网改造，在原有的试验机上进行升级改造，以提高机器的自动 化水平，并与管理数据库进行数据交换f 6 】。济南试金集团生产多种类型的成套试验 设备。 因为考虑加载速率、变形速率对金属材料力学性能的影响，国际上通行的与我 国现行的金属材料拉伸试验规范中都对这两者做出较为严格的规定。按照规定传统 试验机因无法达到要求应属淘汰之列。但基于我国的试验机保有量和更新的经济承 受力，现经过十几年的更新过程，传统试验机正在逐步消失。目前计算机控制的电 控实验机使用越来越广泛，尤其是科研单位、重点高校，已基本淘汰传统试验机。 试验机发展的同时，试验机的附件和辅助装置也在不断更新发展，如高温加热 装置、低温致冷装置、高低温夹具、高低温引伸计、温度控制系统、大变形跟踪测 量装置以及气动与液压动力系统等。 3 北方工业大学硕士学位论文 到目前为止，试验机技术的发展和试验机研制的范围，己从单一的实验室型的 材料性能试验发展到现场应用的结构强度模拟试验和实物整体的运行试验，而且试 验的内容也从室温下的拉、压、弯、剪等纯机械的力学性能试验迈入到能模拟高温、 低温、化学腐蚀与振动等条件的综合性试验的领域。 1 4 基于u s b 的数据采集 u s b m i v e r s a ls 嘶a lb 1 l s ) 总线是新一代接口总线，在国内基于u s b 总线的相关 设计与开发快速发展，很多设计者从各自的应用领域，用不同的方案设计出了相应 的装置。数据采集是工业控制中一个普遍而重要的环节，因此开发基于u s b 接口的 数据采集模块具有很强的应用意义。过去采集系统一般是建立在基于p c i 或i s a 的 接口板上，固定于一台计算机，使用很不方便，特别是需要到现场进行数据采集的 时候。而u s b 的数据采集系统就不同，只需要把相应的数据采集应用软件装好，就 可以在不同的计算机上应用，当在笔记本电脑上应用时，就显得非常方便。 它不是一种新的总线标准，而是应用在p c 领域的新型接口技术。以前，就已 经有p c 带有u s b 接口了，但由于缺乏软件及设备的支持，这些p c 机的u s b 口都 是闲置未用的。1 9 9 7 年，微软在w i n 9 5 0 s r 2 ( w i l l 9 7 ) 中开始用外挂模块提供对u s b 的支持，1 9 9 8 年后随着微软在w 砌o w s 9 8 中内置了对u s b 接口的支持模块，加上 u s b 设备的日渐增多，u s b 逐步走进了实用阶段。 例如：著名的n a t i o n a l1 1 1 s 协】i i 】e n t s 公司( 构建了很多用p c 作为控制部分的数据 采集设备) 近年来增加了基于u s b 的仪器套件，该套件在更小的或便携式的安装中 是非常流行的。n i 公司产品线的核心是一个被称之为n i d a q 的范围极广泛的软件 驱动程序库，该测量和自动化软件管理所有与数据采集硬件的通信。当一个u s b 数 据采集产品被加入到p c 时，他的枚举导引驱动程序到n i d a q ，该设备然后被完全 的集成到此测量和自动化系统中。所有的仪器被p c 主机用可视化软件( 如m v i e w ) 来控制【刀。图1 1 【即是n i 公司2 0 0 4 年推出的u s b 数据采集系统的整体架构，其中有 一款u s b 接口的数据采集卡具有1 6 位a d ，2 0 0 “s 的采样速率，带有扩展d i o ，性能 优越，能够达到传统的p c i 插槽的数据采集卡，使用方便，但是价格很贵，要1 0 0 0 美元。 4 北方i ：业人。、浮硕士学何论文 图1 1 即插口叫 j 的数据采集系统 国内也出现了一些基于u s b 的数据采集系统，卜要是一些生物和医学的信号采 集系统，自的，江品采用全速的u s b 接口技术，抗十扰能力强，性能稳定。目前有些 手持式现场信号采集和分析仪也采用u s b 接n ，使用更加i 方便高效。一j 每个基于u s b 仪器的内部都类似于幽1 2 所示的方框图。微控制器管理着p c 主机的数据通信，经过一个外部的信号渊理单己迮接到诈在作测试的设备，它控制 着模拟与数字数掘的获取电路。 j + 5 v d + d g 嚣d 图1 2u s b 数据采集模块 v s s r p a i 、v o f l d 1 5 本课题研究的内容及结构 本文的主要目的是设计基于u s b 总线的材料试验机的测试与控制系统，包括材 料试验机的数据采集系统、电机控制系统和u s b 通信系统。我设计了材料试验机的 测试控制卡编写了测控卡上的程序( 基于v h d l 语言的闭环控制程序、数据采集程 北方工业大学硕士学位论文 序，基于c 语言的u s b 固件程序) ；编写了基于u s b 总线的上位p c 机程序，包括 数据处理及显示程序( 利用“b v i e w 软件) 。 下图为论文主要内容的框图 图1 3 论文主要内容框图 6 北方工业大学硕士学位论文 2 万能试验机测控系统总体方案设计 2 1 试验机系统的工作原理 本电子材料试验机( 如图2 1 所示) 【1 0 】系统的硬件组成包括万能材料试验机机 械本体3 ，伺服控制器1 4 及电机1 2 以及p c 机，其它附件有负荷传感器6 、变形传 感器7 、负荷变形放大器8 、编码器1 0 、模数转换器、打印机、绘i 圈仪等等。机械 本体主要用来给试样施加载荷，应变式负荷变形传感器固定在机械本体的上夹头上， 以测量加在试样上的负荷。变形传感器为应变式单向引伸计，试验时，引伸计直接 卡在试样上，用以测量试样的变形。当给试样加载时，力传感器和引伸计分别把力 和变形转化为电压信号，输入到力、变形电压信号放大器中，放大器输出经过信号 调理、模数转换后，通过测控卡送入计算机，再经过比例换算等处理得到力和变形 量值，同时绘出力变形等特征曲线。测控卡输出控制信号给驱动器，控制电机运 行，从而驱动执行机构运动。系统软件按照预先设定的计算项目，进行数据处理。 试验结果可以用表格或曲线的形式，经打印机或绘图仪输出。 图2 1 材料试验机工作原理图 7 北方工业大学硕士学位论文 2 2 测量系统方案设计 从上面的材料性能试验原理可以看出，如果能测量出载荷、变形量和位移可根 据有关公式计算出材料的性能参数，为此本系统将主要研究载荷、变形量和位移的 测试，相关的材料力学性能公式计算主要在上位机测试软件中完成。 本系统主要由五部分组成：机械部分( 实验室的机械部分已经设计完成) 、数据 采集模块、电机控制模块、u s b 通信系统和上位机测试软件。系统总体框图如图2 2 所示。 数据采集与 上位机 控制 机械部分 u s b 通信 人机 界面 测试电路 i u s b 材料试便机卜- 3 一 系统 l 接口 - l 计算l 电机+ 系统总体框图 21万能材料试验机基于usb总线的测试控制卡设计 中，电子万能试验机的测控系统由基于u s b 总线的测试控制卡和计算 机配测控软件组成，试验机所有的功能都通过测控系统来实现。 1采集部分 系统主要完成力传感器和位移传感器信号的采集、调理和模数转换， 数据系统主要由传感器、信号调理电路、ad芯片、fpga等组成，材料测试系 统主试材料变形时所加载的载荷值以及材料变形的位移量，故需要采用两种传 感器传感器和位移传感器。信号调理电路主要完成对传感器输出的差分模拟信号 进行和转换，使之可以被ad芯片接受，进行数模转换，fpga是本系统的中央 北方工业人学硕士学位论文 控制单元，数据采集u s b 通信受单片机控制，至于具体的系统软硬件结构将在下文 相关章节详细讨论。 2 电机控制部分 材料实验机在室温的情况下对材料进行拉压试验，测控卡进行数据采集并对电 机进行控制，通过u s b 总线上传到电脑中，电脑对采集进来的数据进行分析从而得 到材料的性能指标。通过国标的试验方法，可以得出准确的材料性能，国标试验包 括：恒速拉伸、恒力拉伸和横位移拉伸。要实现这些实验，就要对电机进行准确的 控制。 闭环控制可以在上位机的软件中实现也可以在下位机的硬件中实现；在硬件系 统中进行闭环控制，稳定性好，响应时间短。我的系统中，运动控制是通过f p g a 制 成的闭环控制器来实现的。f p g a 结合了微电子技术、电路技术、e d a 技术，使设计者 可以集中精力进行所需逻辑功能的设计，缩短设计周期，提高设计质量。a 1 t e r a 的 f l e x l 0 k 器件是工业界第一个嵌入式可编程器件，基于可重构的c m o ss r a m 单元，这种 灵活逻辑单元阵( f l e x i b l el o g i c e l e m e n t t r i x ) 具有一般门阵列的所有优点。系 统中选用这个芯片来设计闭环控制器。 本系统中需要对材料进行定拉伸和定载荷的试验。电子万能材料试验机闭环控 制即采用全闭坏控制系统，信号的反馈来自材料试验机的运动执行机构横梁上安装 的力传感器和丝杠顶端安装的光电编码器，系统的电机采用的是松下m 烈a s 交流 伺服电机。本闭环系统有以下优势： 1 、可以进一步提高系统的控制精度和稳定性。 2 、可以达到课题要求中运动规划，即定伸运动和定负荷运动。 3 、在硬件系统中实现全闭环控制，可以提高系统的响应时间，节约系统的资源。 3 u s b 通信系统 u s b 通信部分主要负责测试控制卡和上位机口c 机) 的数据传输，实现基于u s b 总线的数据通信，u s b 通信是本系统的重点。目前市场上已出现很多采用r s 2 3 2 串 口通信的材料测试仪，使用普通p c 作为上位机，不可否认i 峪2 3 2 是一项成熟的技 术，在工控领域发挥着重要的作用，但是由于2 3 2 的局限性，对大批量实时数据的 传输有时会出现问题。随着外设和控制对象的日益复杂，需要采集与传输的数据量 越来越大，串口通讯会逐渐的不满足需求。 众所周知尽管u s b 技术出现的时间并不长，但是由于它的高传输速度、协议的 强纠错能力、即插即用的使用形式，这些优点使得许多产品中都有它的身影，如u s b 打印机、摄像头等。但是在工控和测试领域，u s b 接口的产品还不是很多。 9 北方工业大学硕士学位论文 目前市场上存在各种各样的u s b 接口芯片，有单独的接口芯片、也有内嵌控制 器的u s b 接口芯片，如e z u s b 单片机系列，综合考虑本课题的可靠性和成本的要 求，力求选用性能稳定的独立u s b 接口芯片。 2 2 2 上位机程序设计 上位机系统主要由p c 机和打印机组成，上位机测试软件安装在p c 机上，主要 实现u s b 上位机通信、曲线显示分析、数据处理，用户自己接通过上位机测试软件 界面来进行材料试验的一系列操作。 试验室以前的测控系统的上位机程序是在v c 的环境下开发的，并且采用了模 块化的设计思路和面向对象的设计方法。测控系统软件共有多个模块构成：数据采 集与控制模块、状态监测模块、数据显示模块、数据管理与处理模块、程控自动测 试模块、系统外挂程序等等，每个模块都实现相应的功能，由此组成了一个比较完 善人机交互平台，使用非常方便。为了能够借鉴试验室已有的程序，在初期我也尝 试用v c 编写了基于u s b 总线的上位机程序。对于一个没有v c 基础的人，想开发 一套完整的软件还是比较困难得；虽然我用v c 做了一下工作，但是效果并不理想。 踟v i e w 是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室 所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。m 啊哪集成了与满足g p m 、 v = 跚、r s 2 3 2 和r s - 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便 于应用t c p 口、a 靠v e x 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。【l l 】 利用l a b 啊e w 作为数据采集系统上位机程序的开发工具已经被越来越多的人所 接受。特别是对于那些没有经验的编程者来说，m v i e w 是一个极好的编程工具。 根据有关数据，运用h b 访蹦开发测试系统，生产效率可以提高4 到1 0 倍。本测试 控制系统最终选用l a b v i e 作为工具编写了上位机程序。 2 2 3 系统软件总体设计 本系统软件主要分为三部分：f p g a 程序、单片机程序和上位机测试软件，其中 的难点和重点基于 d l 的闭环控制程序和u s b 通信的相关程序，其中包括一些 关键技术的研究。本系统的软件部分是整个课题的工作重点，很多内容都需要不断 的实验和修改，需要根据实际需求来做改动，是一个不断完善的过程，而且软件系 统的各个部分联系密切，只有互相配合，相互协调才能完成可靠、快速的实现数据 采集和u s b 通信。软件系统的层次结构如图2 3 所示，各个软件模块不在这里展开， 将在本文的有关章节作具体介绍 1 0 北方工业大学硕士学位论文 图2 3 软件系统结构框图 北方工业大学硕士学位论文 3 基于f p g a 的测试控制卡设计 3 1 引言 电子式万能材料试验机的硬件组成包括材料试验机的机械本体，u s b 总线控制 卡，伺服控制器及电机，p c 机。其中机械本体包含力传感器、光电编码器( 测量位 移) 、负荷变形引申计( 测量应变) ；应变式负荷变形传感器固定在机械本体的上 夹头上，以测量加在试样上的负荷；变形传感器为应变式单向引伸计，试验时，引 伸计直接卡在试样上，用以测量试样的变形；当给试样加载时，力传感器和引伸计 分别把力和变形转化为电压信号，输入到力、变形电压信号放大器中，放大器输出 经过信号调理、模数转换后，通过测控卡送入计算机，再经过比例换算等处理得到 力和变形量值，同时绘出力变形等特征曲线。测控卡输出控制信号给驱动器，控 制电机运行，从而驱动执行机构运动。下图为测试控制卡总体原理图。 图3 1 测试控制卡原理图 电子万能材料实验机在常温情况下对材料进行拉压试验，通过测控卡采集数据， 通过u s b 总线上传到电脑当中。上位机通过软件对采集进来的数据进行分析，从而 得出材料的性能指标。在实验机的整个运转过程中，电机起到驱动作用，随着电机 运转速度的变化，材料实验机将完成恒速，恒力，横应变三种运动。u s b 总线的测 试控制卡主要实现两方面的功能，一方面实现数据采集的功能，另一方面实现控制 的功能，控制部分主要是驱动伺服电机，通过电机转速和方向的变化，来间接控制 横梁的变化，带动三个传感器中数值的变化。伺服电机转速和方向的变化是通过伺 服驱动器来控制的，伺服驱动器可以通过宙g a 发出的数字信号来控制。伺服交流电 1 2 北方工业人学硕士学位论文 机有三种控制模式：速度控制、位置控制、扭矩控制方式，我选择的是速度控制方 式，只要给伺服驱动器脉冲和方向两个控制量，伺服电机就能够根据预期转动。 本设计使用a l t e r a 公司f p g a 完成了相关时序、逻辑电路设计，实现了各个模 块的连接，同时简化了硬件电路。与传统电路设计方法相比，f p g a 具有功能强大、 开发周期短、投资小、可反复编程修改、保密性好以及开发工具智能化等特点。 f p g a c p l d 是当今硬件设计的首选方案之一。d l 语言是一种大型硬件描述语言， 它与硬件电路密切相关，、h d l 已成为数字电路和系统的描述、建模、综合的工业标 准，因此它在电子产业中得到了广泛的应用。本设计中采用了v h d l 语言进行编程， 并运用其公司的m a x p l u s 2 进行编程。【1 2 】【1 3 】【1 4 】 3 2 载荷数据采集模块设计 3 2 1 载荷系统的硬件设计 1 力传感器介绍 力传感器采用最常用的应变片电桥式传感器，其主要由弹性体、电阻应变片、 电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，其内部电路原理如图3 2 所示。当弹性 体承受载荷产生变形时，输出信号电压由下式给出： 面加婴生塑+ 丝+ 坐+ 坐) 木历行 上d “f = 一i 十十十j 丘z 行 ( r 2 + 尺4 ) 、尺1 r 2r 3尺4 。 3 1 在电桥e i n 的两端加上电压，则当有应力作用在应变片r 上时，电桥的另外两 端就能输出与所加应力成正比的电压，如图3 2 所示。 图3 2 力传感器原理图 2 信号调理电路设计 在本材料测试控制系统中，测试系统的供电有两种选择模式：由u s b 接口的 5 v 电源负责，和外部电源供电。传感器的正端由5 v 供电，负端接地，根据所采用 北方工业大学硕士学位论文 的传感器的输出灵敏度 3 m v 士1 ，由于传感器输出的电压信号太小，未能达到 a d 转换芯片的满量程，影响d 转换的精度和灵敏度，故需要设计信号调理电路 将微小的电压信号放大，以达到a d 的满量程输入电压，信号调理电路如图3 4 所 示，这里用到了仪用放大器a d 6 2 0 ，a d 6 2 0 是一个低价格、低功耗、高精度仪器仪 表用放大器。它采用8 脚s o i l 封装和d p 封装，a d 6 2 0 具有很高的精度，非线性 失真小，最大输入失调电压为5 0 i lv ，所以它常用于精确的数据采集系统。 a d 6 2 0 是单片的仪器用放大器，它在传统的三片运放方式的基础上作了一些改 进，采用绝对值的校准，使用户仅用一个电阻r ，就能对增益进行准确的设定，它 接在管脚1 和8 之间，差分增益的计算公式为： g ：兰竺：兰茎竺+ 1 r g 3 2 如图3 3 所示，当i g = 5 4 8 9 欧姆时，据3 2 式可知g = 1 0 ，传感器的原始输出电压 范围为1 5 m v ，经过增益放大，a d 6 2 0 的输出电压约为士1 5 0 i t l v ，可以大致满足 d 转换的满量程输入电压。图3 3 给出了a d 6 2 0 在材料测试系统中作为力传感器 信号调理的应用。a d 6 2 0 特别适合于这种高阻抗的力传感器，因为这些传感器体积 小、功耗低，它也需要较低的工作电压。图3 3 为信号放大电路，a d 6 2 0 大大减小 整个信号调理电路的耗电量，从而降低总电源电流的消耗。此外，此信号调理电路 很大程度上增强了信号的抗干扰性和稳定性，有利于得到干净的前端模拟信号。 u 2 + u 2 一 u 2 + r 5 5 0 0 u 2 r gr g + v s + 阱o u t p u t - v sr e f + 5 vc 2 0 1 u f g n d 亘专u f 麟2 0i 0 ；0 一： - - 一 - ， 图3 3 信号放大电路原理图 1 4 北方工业大学硕士学位论文 3 a d 转换电路设计 本系统选用a d c 0 8 0 9 作为模数转换芯片，a d c 0 8 0 9 是c m o s 的8 位单片d 转换 器。片内带有锁存功能的八路模拟开关，可以控制8 个模拟量中的一个，片内具有多 路开关的地址译码和锁存电路、比较器等。气仍转换采用逐次逼近技术，输出的数 字信号有1 几三态缓冲器控制，故可以直接连接到数据总线。通常情况下，为了满 足加转换得时序要求，加转换芯片需要由外部的m c u 控制来进行工作，本系统 中采用砧t e f a 公司的审g a - e p f l o k l 0 来控制。用状态机的方法进行编程，状态机对 a d c 0 8 0 9 进行采样控制时，首先必须了解其工作时序，然后据此作出状态图，最后写 出相应的v h d l 代码。 3 2 2 载荷系统的软件设计 1 5 】 本系统采用f p 删a d c 0 8 0 9 进行逻辑时序控制，用状态机的方法进行编程。 用状态机对a d c 0 8 0 9 进行采样控制时，首先必须了解其工作时序，然后根据时序图 作出状态图，最后写出相应的d l 代码。下图是a d c 0 8 0 9 的引脚图，其中烈o 7 为8 耽 砚5 j 1 0 k 掰 2 la d 7 ik毒臻哟冬l 磁 ：2 l 拳埘 灶 蚤毒12 3 1 8 锹 2 4 8 蝴 灶薛2m 2 硒 1 5 艘 止耍阳 2 - 7 1 4a d l 妇黼 1 7a d 0 l酗 广 蹴 7l 止黼 t 鱼d d a 2 5 一 x ll 罨硒鱼d 【 b 慧2 2 j a d d 止 髂7 撇 g n dl 毒9i_ 4 捌【鼢鹣b l e 鬟麟 曼i v 1 21 0 捌c i 白强c l 图3 4a d c 0 8 0 9 引脚排列图 路模拟信号输入通道，由地址a d d a a d d c 进行选择。下面两幅图分别为转换时序图和 采样控制状态图。在时序图中，s t a r t 为转换启动控制信号，高电平有效：a l e 为模拟 信号输入选通端口的地址锁存信号，上升沿有效：一旦s t a r t 信号有效，状态信号e o c 即变为低电平，表示进入转换状态，转换时间约l o o i i l s ，转换结束后，e o c 引角变为高 电平。此后外部控制可使0 e 由低电平变为高电平输出有效，此时，a d c 0 8 0 9 的输出数 据总线d 7 o 将从原来的高阻态变为输出数据有效。 1 5 北方工业人学硕士学位论文 由状态图也可以看到，在状态s t 2 中需要对a d c 0 8 0 9 的工作状态信号e 0 c 进行测 试，如果为低电平，表示转换还没有结束，仍需停留在s t 2 伏态中等待，直到其变成 高电平后才能可以说明转换结束，并在下一时钟脉冲到来时转向状态s t 3 。在s t 3 ， 则由状态机向a d c 0 8 0 9 发出转换好的8 位数据输出允许命令，这一状态周期同时可以 作为数据输出稳定周期，在下一状态中向锁存器中锁入可靠的数据。在状态s t 4 ，由 状态机向c p l d 中的锁存器发出锁存信号l o c k 的上升沿，以将a d c 0 8 0 9 出的数据进行锁 存。【1 8 】 卜俯叫 雠t 厂 厂 厂 厂1r 翦 膏t l e d o 刚潜 l o b 捌u 1 t 稍嶙r t o r 协 t 州饯材l 札埘i 口u ”h t e i u i t o ) 毖 锨j i 冁， l轧 一略- 雾 雕善 辨、一|l 一一瞩u e ，一l 黔 耵 t e 舢i 囊韩碍i 。 弓 ，一1 e 姒 l 一 垂 l 一 雾 t 鬟 一 秆聃l t 1 一y i 。 o ， 5 蓝一 x 飞 ； f 。l o 一 。厂1 g 荔 玉粥孑l 图3 5a d c 0 8 0 9 工作时序图 1 6 j 艺方工监大学硕士学位论文 对a d e 0 8 0 9 初始他 图3 6 控制a d c 0 8 0 9 采样状态图 a d c 0 8 0 9 采样控制器的程序采用 d l 语言编辑输入。该程序中含有以下几个 进程。其中l 违g 是时孝进程，它在时钟信号c 【朕的驱动下，不断将n 懿扛s t a 咎的内容 赋给a 撇s 隧e 并由此信号将状态变量传输给维合进程c g 嗽。组合进程c 渊有两个 功能：一是状态译码功能，即根据从c i l n 翎t s t 别言号中获得的状态变量以及来自 a d c 0 8 0 9 的状态线信号e o c 来决定下一状态的转移方向，即确定次态的状态变量； 一是采样控制功能，即根据a 】嚣硼孓s 喽筘魄状态变量确定对舳c 0 8 的控制信号线 a l e ，s t a r t ，o e 等输出相应的控制信号，采样结束后还臻通过l o c k 向锁存器 件进程“汀c hl 发出锁存信号，以便将由a d c 0 8 0 9 的d 【7 棚数据输出口输出的8 位转换数据锁存起来。 以下是采用v h d l 语言编写的a d c 0 8 。9 采样控制程序： 1 i b r a r yi e e o ： u s ei e e e s t d 一l o g i ( l 11 6 4 a 王l ： 毯s e 主e e e 。s 专d 一王o g i e ：鼙n s i g 娃e 莲a 王王： e n t i t yw d c xi s p o r t ( c l k ，e o c ，r e s e t ：i n s t d 一1 0 9 i c ： d i n ：主ns 专( l l o g 主e v e e 专o r ( 7d e 黼专oo ) ： s t a r t ，o e ，a l e ，s l w r ：o u ts t d _ 一l o g i c ： d o u t：o u t s t d 一1 0 9 i ( o v e c t o r ( 7d o w n t oo ) ) ： e n dw d c x ： 1 7 a r c h i t e c t u r eao fw d c xi s s 主g n 8 圭醅主蠢g e ：s 专毒一圭o g 主e ： s i g n a lc o u ：s t d - l o g i t v e c t o r ( 2d o 硼t o0 ) ： s i g n a lc l k 0 ：s t d _ l o g i c ： b e g i n p r o c e s s b e g i n ，姨i lu n t i lc l k _ ，l ； c o 醢 = c o u + 圭： e