（机械电子工程专业论文）液压实验台cat系统的设计与实现.pdf

y 3 9 3 3 ； 西南交通大学研究生学位论文 摘要 本论文针对原液压教学实验在测量液压系统压力、流量、 速度时存在的误差较大、灵敏度较低等缺点，提出构建q c s 0 0 3 液压实验台计算机辅助测试( c a t ) 系统的改进方案。 液压实验台c a t 系统的基本构想是用传感器感知被测物理 量，输出模拟电压信号，将系统中模数、数模转换部分的电路 以附加插件一一数据采集接口卡的形式插入到微型计算机的总 线扩展槽中，充分利用微机现有的硬件、软件资源虚拟压力表、 流量计、光线示波器等仪器，构成以微型计算机为主体的数据 采集与测试系统，实现压力、流量、速度各种动静态参数的测 取、显示、分析。 液压实验台系统改进时，利用传感器、在一块印刷电路板 上集装了模拟多路开关、程控放大器、采样保持器、模数和数 模转换器等器件的数据采集卡p c l 8 1 8 与计算机接口共同构建了 液压实验台c a t 系统。设计工作的重点是： 1 完成各种传感器的选型、安装。 2 数据采集接口卡的调试、操作、控制。 3 液压实验台c a t 系统的软件实现。7 论文( 绩合上述实际问题，详细介绍了传感器、数据采集接 1 ：2 卡的选择依据，各组成部分的工作原理，着重分析了数据采 集卡的端口设计与操作；并在v b 集成环境中设计、开发了实验 应用软件；最后作出了计算机辅助测试和常规测试的对比分析。 关键词： 计算机辅助测试液压实验台数据采集 l 西南交通大学研究生学位论文 7 一 a b s t r a c t t os a l v es o m ep r o b l e m ss u c ha sl a r g ee r r o ra n d l o wa c c u r a c yi l l m e a s u r e m e n to fp r e s s u r e 、 f l o wr a t e 、 v e l o c i t y ，t h i sp a p e r d r e s e n t sac o m p u t e ra i d t e s tm e t h o d ( h y d r a u l i cc a t ) t oi m p r o v e t h eh y d r a u l i ce x p e r i m e n tq c s 0 0 3 f o rt h ei m p r o v e dh y d r a u l i ce x p e r i m e n t ，o r i g i n a lp r e s s u r eg a u g e a n df l u i dr a t eg a u g er e p l a c e db yt h ep r e s s u r es e n s o ra n df l o wr a t e s e n s o r t h ep o s i t i o ns e n s o ri sa p p l i e dt om e a s u r ed i s p l a c e m e n to f t h ec y l i n d e rr o d t h ea n a l o g o u sv o l t a g es i g n a l sf r o ms e n s o r sa r e s e n tt oad a t a - a c q u i r i n gc a r da n dt r a n s f o r m e di n t od i g i t a ls i g n a l s ， a n dt h e np r o c e e d e db yt h ec o m p u t e r t h em a i n j o bo fd e s i g n i n g t h eh y d r a u l i cc a ti n c l u d e ss e l e c t i n g s e n s o rt y p e s 、a d a p t i n gt h es e n s o r sa n dt h ed a t a - a c q u i r i n gc a r d ， m e a s u r i n ga n dd i s p l a y i n gt h ed y n a m i ca n ds t a t i cd a t ao fh y d r a u l i c s y s t e mi no p e r a t i o n t h ep a p e re x p l a i n sh o w t os e l e c ta n du s et h e s e n s o r sa n dt h ed a t a - a c q u i r i n gc a r d p c l 8 18 t h e t h e o r y a n d m a i nt e c h n i c a li n d e x e so ft h ed i f f e r e n tw o r k i n gp a r t s t h ep a p e r e m p h a s i z e so nt h ei n t e r f a c ed e s i g no fd a t a _ a c q u i r i n gc a r d ，d e s i g n a n dd e v e l o p m e n to ft h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei nt h ev bi n t e g r a l e n v i r o n m e n t ，a s w e l la s a n a l y s i s a n d c o m p a r i s o n b e t w e e n h y d r a u l i cc a t a n do r i g i n a lt e s tm e t h o d k e yw o r d s ：c a t ( c o m p u t e l a i dt e s t ) h y d r a u l ic e x p e r i m e n t d a t aa c q u i r i n g ( 堕堕銮望盔堂婴塞生堂垡笙苎二 第一章液压教学实验台改进背景 一液压教学实验台q c s 0 0 3 存在的问题 q c s 0 0 3 液压教学实验台是液压实验室8 0 年代初期购进的实 验设备。实验是液压教学必不可少的辅助环节，q c s 0 0 3 实验台可 用于定量叶片泵工作特性实验、先导式溢流阀性能实验及节流调速 回路性能实验。通过实验，可使学生增强对定量叶片泵工作性能、 先导式溢流阀静态性能和动态性能以及各种节流调速回路特性的理 解，加深对液压系统各种特性参数的感性认识。 在定量叶片泵工作特性实验中，需要测绘泵的输出流量一负载 压力( q p ) 特性曲线、泵的容积效率一负载压力( n ，- p ) 特性 曲线、输入输出功率一压力( n 。、n 一p ) 曲线等用以分析定量叶 片泵的性能；在先导式溢流阀性能实验中，需要测量溢流阀在调定 压力下的压力振摆值( 稳态时压力的波动值) 和压力偏移值( 稳态 时，调定压力在单位时间内的漂移量) 及阀的卸荷压力值，测绘系 统的卸荷一升压动态特性曲线等用以分析判断被测试溢流阀的性 能；在节流调速性能实验中，需要测绘不同节流调速回路中活塞杆 的负载一速度( p v ) 特性曲线用以分析比较进i 2 1 、出i 2 i 、旁路节 流调速及调速阀进口节流调速的性能特点。上述实验数据的获得可 归结为液压系统中压力、流量和速度等物理量静态、动态值的测取。 q c s 0 0 3 教学实验台利用压力表测量液压系统中某一给定点的 压力，表盘指针所指示的刻度对应某一压力值，由于小幅度波动的 压力振摆和随时间而漂移的压力偏移值很难通过压力表指针反映出 来，有限的刻度格数使读数依赖于实验操作者的目测习惯，从而使 测量精度得不到保证；原实验使用动态应变仪、光线示波器、感光 纸记录阀从一种稳定工作状态到另一稳定工作状态的过渡过程蓝 线，操作过程复杂繁琐，对液压系统加载一卸荷时被控压力随时间 变化所反映的动态特性参数如动态超调，只能作出定性分析；实验 台利用椭圆齿轮流量计测量流量，由于指针指示的刻度值是通过流 第i 页共6 5 页 o ，压缩时e ( o 。 将( 3 5 ) 式代入( 3 4 ) 式，则有 a 一争t ( 3 一一6 ) 可见，电桥的输出电压变化与应变成正比，应变的大小与压力 成正比，即传感器的理想输入输出特性曲线为直线，从测量原理上 保证了传感器的线性输出。 三主要技术指标 1 量程：1 0 m p 。 原压力表量程为1 0 m p 。，能保证正常工作。因此，选择压力 传感器量程为i o m p 。 2 输出灵敏度： ( 0 s o 8 ) m v v 输出灵敏度是指传感器在额定载荷作用下，测量电桥供电电压 v 。为1v 时的输出电压。考虑和后级a d 转换电路的接口适配， 选择供桥电源电压为v = 1 2 v d c ，即a k l 一1 压力传感器在正常工 第1 i 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 作条件下，输出电压在l m v 一1 0 m v 之间。 3 零点漂移：0 5 f s 4 h热零点偏移：0 3 f s 1 0 传感器在零输入时，输出的变化称为零漂，它有温度和时间两 种漂移。温度漂移是指传感器在外界温度变化时，零点输出或灵敏 度的变化值；时间漂移是指在一定时间内，标准电源条件下零输出 的变化情况。a k l 一1 型压力传感器的零漂很小，工作稳定，能够 满足较高精度的测量要求。 4 精度等级：千分之五 第二节l w g y 型涡轮漉量传薯矗 结构 l w g y 型传感器结构见图3 3 。 图3 一一3l w g y 型涡轮流量传感器结构 l w g y 型传感器主要由壳体1 、前导向架2 、叶轮转子3 、后 第1 2 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 77 导向架4 、压紧圈5 和带放大器的磁电感应转换器6 组成，转子 转轴平行于液体流动的方向。当液体流经传感器时，推动叶轮转动， 当流量一定时，动力矩和阻力矩平衡，叶轮转速保持一定。由铁磁 材料制成的叶轮上均匀分布的叶片随叶轮转动，每个叶片同安装在 流量计中的永久磁铁及感应线圈组成一磁路，从而周期性地改变磁 路的磁阻，使通过线圈的磁通量发生变化，在感应线圈内产生近似 正弦波的电脉冲信号，经放大器放大后输出。输出的电脉冲频率与 叶轮转速成正比，叶轮转速与流量成正比，所以输出电脉冲频率在 被测流体一定的流量和粘度范围内与被测流体的体积流量成正比。 二工作原理 由动量矩定理可知涡轮的旋转运动方程为： ，旦竺：t y t i 出一 式中， 涡轮的转动惯量 u 一涡轮旋转角速度 t 流体推动涡轮旋转的驱动力矩 t i 阻力矩 涡轮起动后，管内液体作定常流动，涡轮以稳定的角速度旋转， 此时，掣：0 ，故有： r = 丁 ( 3 一一7 ) 假定液体经过导流，以流速v ，沿管道轴线方向流动并进入转 予通路，转子以圆周速度u ，旋转。 在叶片出口处，流体对叶片的相对速度v ：与垂直管道轴线截 面方向的夹角应等于叶片出口处的结构角0 ：。由于管道的流通截 面积不变，则由不可压缩液体的连续性方程可知，流体的绝对速度 v 2 在轴向的分量应等于绝对速度v 1 ，并且叶片入口处相应点的圆 周速度应相等，即u l = u 2 ，由此，可作出入口处和出口处的速度三 角形，见图3 一一4 。 第1 3 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 t 、 、 ? n 图3 4 涡轮转子进出口处的速度图 据流体在涡轮圆周方向的动量定理有： f = ( 一优。0 8 口2 一c 0 5 口1 ) p q = ( 弘c o s ：一“：) p q 式中， f 一一流体在圆周方向所受涡轮的作用力，与液体驱动涡 轮旋转的圆周力大小相等，方向相反，是一对作用力与反作用力。 p 一一流体密度 q 流量 则由流体在涡轮叶片的平均半径r 处产生的驱动力矩为： r = f r = c 0 s 屈- u ：) r p q = 慨c o s ：一口) 硼( 3 8 ) 由出口速度三角形有： 劬c o s ：= u c f g ：2 辔口 式中， o 一一叶片与轴线之间的夹角 故式( 3 一一7 ) 可写为： t = ( 培目一，c o ) r p q( 3 一一9 ) 第1 4 页共6 5 页 f q 西南交通大学研究生学位论文 7 设管道流通面积为a ，则有= q a ，代入式( 3 8 ) ，有 ，= ( 号t 9 0 - r c o ) 棚= 警巾q 2 一r 2 嘲 ( 3 1 0 ) 设由于轴承和粘性磨擦造成的阻力矩可以忽略 理想情况下，式( 3 7 ) 简化为： t = 0 ( 3 1 1 ) 代入( 3 1 0 ) ，整理后有： 珊：罂q ；硷 m 可见，叶轮转速与流量成正比。 在无阻力矩的 ( 3 一一1 1 ) ( 3 1 2 ) 根据法拉第电磁感应定律，导体内的感应电动势与磁通的变化 率大小相等，即： e ：一生 西 流量计内液体流动时感应电动势的大小可以由永久磁铁、空气 隙和转子组成的磁路来求得。见图3 5 。 图3 一一s涡轮流量传感器磁路分析 由磁路定理可知： 磁动势f = 磁通m + 磁阻r 由于磁动势仅取决于永久磁铁的磁场强度，故其大小不随时间 变化，而磁路的磁阻却随转予叶片与磁铁之间空气隙的大小变化而 变化，( 当转予叶片接近磁铁时，磁阻最小，当叶片离开磁铁时磁 第1 5 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 a 9 阻增加，当“间隙”处于两叶片中间位置时，磁阻最大，当下一叶 片转过来时磁阻又减小) 所以磁通中* 1 r ，相应的磁通变化规律 可近似表示为： 庐( 口) = + b c o s m 8 式中， a 一一平均磁通 b 一一磁通随叶片转角变化的幅值 m 叶片数 o 叶片转角 故e d ( b d 一舅警 = 一6 埘s i n 聊0 = 一b r o w s i n m 耐 = - b m k q s i n m k q t 可见，得到的感应电动势的幅值和频率都与流量成正比。理论 上，流量q 可通过感应电动势幅值或频率得到；实际上，由于远 距离记录或指示仪表测出的感应电动势幅值会受到负载的影响和电 场干扰，故实际使用频率作为输出信号。有： f = ( m k 2 x ) q = 辔q ：k q ( 3 1 3 ) z 刃以 式中， k 线性灵敏度或仪表常数 三仪表常数的修正 考虑到涡轮叶片数目是有限的，而且叶片有一定厚度，所以液 体的出口相对速度仃：与垂直管道轴线截面方向的夹角小于叶片出 口处的结构角b2 ，因此要对( 3 一一9 ) 、( 3 1 0 ) 、( 3 一一1 2 ) 、 ( 3 一一1 3 ) 进行修正。设修正系数c 1 1 ，则( 3 一一9 ) 变为： t - ( c l v lt g o r c o ) r 厦2 相应地，仪表常数k = c l m t g o 2 z r a 四主要技术指标及其分析 1 量程：流量范围下限为2 7 8 1 0 。m 3 h ，上限为1 6 7 3 0 5n 1 3 h 。 第1 6 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 1 涡轮实际运动时，还受到粘性磨擦阻力矩t 。、由轴承引起的 机械磨擦阻力矩t 2 、由于叶片切割磁力线而引起的电磁阻力矩t ， 的作用。 当液体以较低速度流经流量计时，流量计内的流动呈层流状 态。此时，粘性磨擦力矩可认为与流体的粘度n 及流量q 近似成 正比关系，即： t x = c 2n q 式中， c ，比例系数 如果单独考虑粘性磨擦阻力矩，而暂不计t ：、t ，时，根据式 ( 3 一7 ) ，有： t = c zn q 代入式( 3 1 0 ) ，可推导出层流状态下的仪表常数k 。： 足。= c 。m 培0 2 万叫c ：删，2 x ，2 q = k c ：小，2 = r 2 q 式中， y 流体的运动粘度 可见，在流量过小时，仪表常数k ( k ，并随流量q 的变化而 变化，影响了测量数据的精度。此外，流量计由静止起动时，驱动 力矩主要用来克服机械磨擦阻力矩，使涡轮起动的最小流量计算公 式为：q 。= f 豆c , ge 悟故对流量范围有下限要求。 当流体以较高速度流经流量计时，流体内的流动呈湍流状态， 此时，粘性磨擦力矩可认为与流体的密度p 及流量q 的二次方成 正比，即： t 1 。c 3 pq 2 式中， c 。一一比例系数 单独考虑粘性磨擦阻力矩时，t - c ；pq 2 ，同理可推导出湍流状 态时的仪表常数： k ，= c m t g 口2 z 州一c ，m 2 , rr2 = k c ，m 2 = r 2 可见，在湍流时，仪表常数只与仪表本身的结构参数有关，而 第1 7 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 曲 与流量无关。但流量过大时，轴承磨损和压力损失也较大，故对流 量范围有上限要求。 液压实验台系统最大流量9 l m i n ( 1 5 1 0 qm 3 s ) ，为了保证 测量的精度和线性范围及流量计的使用寿命，综合考虑上述因素 后，选择流量计的量程为( 2 7 8 1 6 7 ) 1 0 m 3 s 。 2 公称通径：6 m m 3 公称压力：6 4 m p a 4 基本误差限：1 5 最大压力损失：0 1 2 m p a 6 平均仪表常数：9 7 9 8 次升 第三节差动变压位移传惑器 差动变压器具有结构简单，测量精度高，灵敏度高及测量范围 宽等优点，它可以测量一至上百毫米的机械位移，故应用较广。 一结构原理 传感器由同心分布在线圈骨架上的一个初级线圈和两个次级线 圈1 、可自由移动铁芯2 、集成电路模块3 、外壳4 、下端盖5 、 上端盖6 及电缆7 等部分组成。如图3 一6 。 噬壁童篓童茎雾斋百 一ji i 卜f r 丁。 气正三至三兰至量e 一 图3 - - - - 6 差动变压器位移传感器结构原理 第1 8 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 0 5 当初级线圈供给一定频率的交流电时，两个次级线圈由于互感 作用分别感应电势e ：1 、e ：。为了提高传感器的灵敏度、改善线性 度，实际工作时将两个次级线圈反向串接。于是，传感器的输出是 两个次级线圈感应电势之差。当铁芯在线圈内移动时，改变了空间 的磁场分布，从而改变了初次级线圈之间的互感量，随着铁芯的位 置不同，次级感应的电势也不同，这样就将铁芯的位移量( 也就是 被测物体的位移量) 变成电压信号输出，其值与位移量成线性关系。 二差动变压器等效电路分析 在忽略线圈寄生电容和衔铁损耗的理想情况下，差动变压器的 等效电路如图3 7 所示。 为 图3 7 差动变压器等效电路图 根据变压器原理，当次级开路时，初级线圈的交流电流复数值 j l ：西1 ，+ ，。厶) ( 3 1 4 ) l i ，n 初级线圈的电感和电阻 激励龟压的角频率。 次级线圈感应电势分别为： e2 12 一j m 。h e2 2 。一y o j 肘：，l 式中， ( 3 一一1 5 ) m i 、m 2 一一两次级线圈分别对初级线圈的互感系数 第1 9 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 0 皿 由于次级线圈接成差动形式，两个感应电势反向串联，故空载 输出电压e 2 为： 三2 ：e 。2 1 一e 。2 2 = 一( m 。一m ：) ，1 ( 3 - - h 1 6 ) 由上式可知，当衔铁在中间位置时，即x = x o = 0 ，若两个 次级线圈参数及磁路尺寸相同，则m 1 = m 2 = m o ，故e 2 = 0 。 当衔铁向上移动x 时( 在一定范围内) ，上边的次级线圈互 感增大，m l = m o + m ，下边的次级线圈互感减小，m 2 = m o a m ， 输出电压为： e2 = 。j ( m 。+ 厶 一m 。+ a m ) 1 1 = 一2 a m i ( 3 1 7 ) 同理，当衔铁向下移动一x 时，由m l = m o a m m 2 = m o + m ，相应的输出电压为： e 2 2 一j t mq 一m mo 一m 、1 1 = ，2 a m i ( 3 1 8 ) m 是一个随铁芯位置而线性变化的量，故输出电压e ，的相 位反映了衔铁移动的方向：输出电压的幅值反映了衔铁移动距离的 大小，并与铁芯位置成正比。输出电压幅值与衔铁之间的关系如图 3 一一8 中虚线所示。由于制作上不可能完全对称，以及铁芯位置 等因素，实际输出电压如图中实线所示。u z 为零点残余电压，一 般为零点几毫伏至几十毫伏。 第2 0 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 a 箩 e 2 、 ，i 、 i 、 、 v o 7，7 b ， 一a 习 一i 图3 8 差动变压器输出电压的幅值特性 由图可知，在传感器中点处有一零点，v 。= o ( 理想情况下) 。 在零点两边对称的a 点和b 点上，v 。幅值相同，为v o ，但a 点 输出电压的相位比初级绕组落后1 8 0 ，而b 点输出电压与初级绕 组电压同相位。要把交流输出信号变成直流输出，在放大电路前需 要增加相敏检波和差动整流电路，使输出特性如图3 一一9 所示。 鲁2， ， 7 0 位移 ，。 3 9 能反映位移方向的输出特性 这不仅使输出电压能反映铁芯移动的方向，而且可以有效地使 由于两个次级线圈结构上的不对称等原因造成的零点残余电压小到 忽略不计的程度。 常用差动接流电路的电路原理和输出波形如图3 一一1 0 所示。 第2 1 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 。- - - _ 一 h 2 ；! 。竺k i| “ 11 气，【 二= 仉f j ! 二i 乏! ，1 0 1砖， ( a ) 衔铁在 零位以 上 衔铁在 霉位 衔铁在 零位以 下 ( b ) 图3 一1 0 全渡差动整流电路 ( a ) 电路原理图( b ) 输出波形图 上图中的差动整流电路是把差动变压器的两个次级线圈的感应 电势分别整流，然后再把经整流后的两个电压合成后输出。传感器 两个次级线圈的同极性端如图3 1 0 ( a ) 所示，由图可见，无 论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流过两个电阻r 的电 流总是从a 到b 、从d 到c ，故楚流电路的输出电压为： u 0 2 u a b + u c d 其波形见图3 一一1 0 ( b ) 。当铁芯在零位时，u 。= o ，铁芯在 零位以上或以下时，输出电压的极性相反。 随着电子技术的发展，各种性能的集成电路相继出现，实验台 改进时选用的n s w d c 位移传感器采用了一种全集成化的全波相敏 整流放大器，它是以晶体管作为开关元件的全波相敏解调器，能完 成把输入交流信号以全波攘流后变为直流信号，以及鉴别输入信号 相位等功能。 经过相敏检波电路或差动整流电路后的输出信号u 。与位移的 关系如图3 一一9 所示，是一条通过零点的直线，+ x ( 位移) 输出 正电压，一x 输出负电压。电压的正负极性表明位移的方向。 第2 2 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文小7 三主要技术指标 1 量程：3 0 0 毫米 液压实验台c a t 系统实现时，考虑到待测活塞杆的行程为25 0 毫米左右，故选择位移传感器的量程为3 0 0 毫米。 2 输入：1 2 v 直流电 输出：0 5 v 直流电 3 精度等级：千分之五 第2 3 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 第四章数据采集接口卡的结构分析 液压实验台c a t 系统实现时，需要选择一块合适的数据采集 接口卡，用以完成五个模拟输入信号( 三个点的压力，一个点的流 量，一个点的位移) 的采集测试；由于实验台各检测点所采用的传 感器类型不同，输出信号电平也有较大的差异，因此要求数据采集 卡能够识别不同电压范围的输入模拟信号，同时达到较高的转换精 度和转换速度。考虑以后调节、控制液压系统压力、流量等参数的 需要，要求数据采集卡能预留至少两个输出控制信号( 分别控制比 例溢流阀和节流阀) ：同时为方便实验台的操作控制，要求数据采 集卡能够为液压实验台五个电磁换向阀和两台电机预留至少七个开 关信号。结合性能价格比等因素，综合考虑后选用了研祥工控 ( e v o c ) 的p c l 一8 1 8h g 增强型多功能数据采集接口卡。 p c l 一8 1 8 数据采集卡采用a t 总线标准设计，包含一片a d 转换器( 内含采样保持电路) 、两片d a 转换器、1 6 路多路转换 开关、程控放大器、8 2 s 4 定时计数芯片、1 6 路数字量并行i o 接口、d c d c 电源隔离模块，此外还配有总线接口控制逻辑。多 路转换开关可提供1 6 个单端或8 个双端单、双极性模拟信号输入 通道，完全可满足液压实验台c a t 系统五个输入模拟信号的采集 测试要求；程控放大器通过编程可方便地选择o 5 、1 、5 、1 0 、 5 0 、1 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 倍的增益，可直接配接液压c a t 系统中各 类传感器；a d 转换采用a d s 7 7 4 单片集成逐次逼近式1 2 位分 辨率a d 转换器，一次a d 转换时间为8 微秒，数据吞吐量即采 样频率最高可达1 0 0 k h ，内含采样保持电路可为液压c a t 系统 高速动态数据采集的转换精度提供保证；d a 转换采用单片集成 d a c 7 5 4 11 2 位分辨率d a 转换器，两片d a c 7 5 4 1 可提供两个 模拟信号输出通道，分别可控制两个比例阀；数字量接口的输出通 过后级继电器放大后，可驱动液压实验台的电磁阀或电机；8 2 5 4 定 时计数芯片内部有三个分立可编程1 6 位定时计数器，其中一个 1 6 位定时计数器由晶振产生2 m h ：脉冲信号作为定时计数时钟 第2 4 页共6 5 页 堕堕奎望奎竺堑壅竺堂垡笙壅 皇； 脉冲源，与另一个1 6 位定时计数器串联后组成3 2 位定时计数 器，其输出信号作为a d 转换的定时启动信号，可为液压c a t 系 统数据采集提供最大为2 m h ：4 = 5 0 0 k h ：( 已超出a d s 7 7 4 最高数 据采集频率) 以及最小为2 m h ：23 2 = 0 0 0 0 4 6 h ：的采样频率，第 三个1 6 位定时计数器可用予对外部事件计数，涡轮流量计的输 出为频率信号，稍配一些电平转换和整形电路后，可通过此定时 计数器来采集传感器的输出脉冲，还可利用此定时计数器实现外 触发a d 转换，使a d 转换器进行非周期采样；自带d c - d c 隔 离电源模块，无需用户外接电源；接口控制逻辑电路用来产生与各 种操作有关的控制信号。p c l 一8 1 8 板卡结构如图4 1 所示。 图4 1p c l 8 1 8 板卡结构框图 液压实验台改进时，利用p c l 一8 1 8 数据采集接口卡提供的多 路转换开关m p c 5 0 8 a u 、程控放大器p g a 2 0 4 、a o 转换器 a d s 7 7 4 、定时计数器8 2 5 4 、微机接口控制逻辑电路与传感器、 计算机起构成液压c a t 数据采集系统硬件部分。以下分别介绍 数据采集卡关键部分的结构、原理、作用。 第2 5 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 第一节单片集成逐次逼近a i d 转换矗a d s 7 7 4 原理与结构 a d 转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件，是模 拟系统与数字系统或计算机的接c i 。实现a d 转换的方法有：积 分式、逐次比较式、并行比较式等。逐次逼近式a d 转换器是一 种转换速度较快、转换精度较高的转换器。集成逐次逼近式a d 转换器是目前使用最广泛的器件。在液压实验台c a t 系统实现时， 利用p c l 一8 1 8 数据采集卡提供的逐次逼近1 2 位c m o s 模数转换 a d s 7 7 4 集成芯片，将从传感器、多路转换开关、程控放大器输出 的模拟信号转换成数字信号，其转换精度、转换速度能够完全满足 液压实验台动态测试系统的要求。 一 逐次逼近式a d 转换器工作原理 逐次逼近式a d 转换器的结构如图4 2 所示。它主要由逐 次逼近逻辑寄存器s a r ( 移位寄存器和输出锁存器) 、d a 转换器、 电压比较器a 、参考电源、控制逻辑电路等部分组成。 图4 一一2 逐次逼近式a d 转换器结构图 设定在s a r 中的数字量经d a 转换器转换成跃增反馈电压 e 。，s a r 顺次逐位加码控制e 。的变化，e 。与等待转换的模拟量v 进行比较，大则弃，小则留，逐渐累积，逐次逼近，最终留在s a r 第2 6 页共6 5 页 珏南交通大学研究生学位论文嘲 的数据寄存器中的数码作为数字量输出。 以8 位逐次逼近a d 转换器为例，其工作过程为：当出现启 动脉冲时，移位寄存器和锁存器全清为零，故d a 输出也为零： 当第一个时钟脉冲到达时，移位寄存器的最高位被置为1 此时d a 转换器输入为1 0 0 0 0 0 0 0 ，转换输出电压e 。为其满刻度的的一半， 它与输入电压v 1 进行比较，若v 1 ) e 。，则输出锁存器在最高位将 1 锁存( 否则不锁存) ；第二个时钟脉冲到达时，移位寄存器右移 一位，此时d a 转换器输入为1 1 0 0 0 0 0 0 ，它转换的电压e 。再与 输入电压v 比较，若v ，( e 。，该位的1 被置为o ，故锁存器输出 仍为1 0 0 0 0 0 0 0 ：第三个移位脉冲到达时，移位寄存器又右移一 位，此时d a 转换器输入为i 0 1 0 0 0 0 0 ，上述过程重复进行， 直至移位寄存器右移溢出为止。这时右移脉冲就作为a d 转换结 束信号e o c ，锁存器锁存结果就是a d 转换的结果。如果a d 转 换位数为n ，则转换时间为n + 1 个时钟脉冲。 二 单片集成a d s 7 7 4 转换器 1 内部结构与转换原理 a d s 7 7 4 是一种具有采样保持功能的1 2 位a d 转换器。采 用电荷重新分配技术进行逐次逼近a d 转换，是a d c 5 7 4 、a d c 6 7 4 和a d c 7 7 4 的换代产品并可互换使用。它主要由内部控制逻辑、 微处理器接口、电容阵列、2 s 伏基准电源、内部时钟、d a 转 换器、逐次逼近寄存器( s a r ) 、比较器、三态输出缓冲器以及内 部量程电阻组成；采用+ 5 伏单电源工作：能够高速捕捉和转换， 其结构如图4 一一3 所示。 第2 7 页共6 5 页 要壹銮望盔堂婴壅生堂垡堕塞 翌 图4 - - 3a d s 7 7 4 内部电路结构及引脚排列示意图 2 引脚说明 a d s 7 7 4 采用2 8 脚封装，引脚排列如图4 3 。其意义如下： 1 脚：+ 5 v 逻辑电源输入端。 2 脚：1 2 8 ，数据输出格式选择端。1 2 8 = 1 对应1 2 位并行输 出：1 2 8 = 0 对应8 位双字节输出。 3 脚：西，芯片选择端，低电平有效。 4 脚：a 。，数据输出方式控制。当a 。为低电平时，如果启动 a d 转换，为1 2 位转换；当a 。为高电平时，启动8 位短周期转 换。在1 2 8 为o ，读数( r 石= i ) 期间，当a 。为低电平时，允许 高8 位( d b 一d b l l ) 输出，当a 为高电平时，允许低4 位( d b o d b 3 ) 输出，并用o 补足尾随的4 位。 5 脚：凡石，读数转换端。r 石= 0 为启动转换命令，r 百= 1 为数据读出命令。 6 脚：c e ，芯片选择端，高电平有效。在正常使用时，只有c e = i 和西：0 时，芯片才能工作。 7 脚：空脚。 8 脚：2 s 伏参考电压输出。 9 脚：a g n d ，模拟地。 第2 8 页共6 5 页 m嘟吲啪嗽嘟|璺|刍嗽嗽嗽肼唧嘲 西南交通大学研究生学位论文 1 0 脚：r e f 工，参考电压输入端；该电压可以外接，也可以直 接使用8 脚提供的基准。 1 1 脚：对于a d c 7 7 4 仿效方式，可接地或负电源，对于采样 保持( s h ) 控制方式，可接+ 5 伏。 s h 控制方式和a d c 7 7 4 仿效方式的基本区别是在转换以前 和转换期间关于输入信号状态的设定。在控制方式中，设定在1 4 hs 的捕捉时间内，输入信号的摆动不能快于a d s 7 7 4 的压摆率。 转换命令到达以后，对输入信号电平没有要求，因为转换命令到达 后，输入信号已被采样：，转换已立刻开始。这意味着转换命令也可 以用来接通输入多路转换器或改变可编程增益放大器的增益，允许 在转换结束下次捕捉之前建立输入信号。由于内部采保电路的孔 径时间仅o 0 2ps ，使孔不稳定性减到最小，因此，可以对频率 高的输入信号进行转换，而不需要外部采样保持电路。在仿效方 式中，对输入信号状态不要设定。在转换命令和转换开始之间引入 一个延迟时间，允许a d s 7 7 4 有足够的时间在转换开始之前去捕 捉输入信号。这个延迟增加孔径时间至1 6 us ，但允许在任何电 路中以a d s 7 7 4 替代a d c 7 7 4 ，在现有系统中转换命令之前的模拟 输入信号的任何摆动( 由于转换器前多路转换器、采样保持等) 不会影响a d s 7 7 4 的转换精度。在这两种方式中，一旦转换完成， 内部采样保持电路立即开始工作以跟踪输入信号。 p c l 8 1 8 数据采集卡上的a d s 7 7 4 的1 1 脚接+ 5 伏，采用s h 控制方式。控制方式可以充分利用内部采样保持功能，免除了外 部采样保持电路。与采用单独采样保持电路和a d 转换器的系 统相比，在控制方式中a d s 7 7 4 少用了一个控制信号，使内部采 样保持处于保持状态的命令还启动了转换，这减少了系统在时序 上的约束。 采样保持器的捕捉时间是指当采样保持器从保持状态转至 跟踪状态时，采样保持器的输出从保持状态的值变到当前的输入 值所需的时间。它包括逻辑输入开关的动作时间、保持电容的充电 时间等。孔径时间是指保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经 历的时间。在采样保持器中，由于模拟开关从闭合到完全断开需 第2 9 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 要一定时间，当接到保挣指令时，采样保持器的输出并不保持在 指令发出瞬时的输入值上，而会跟随输入变化一段时间。由于孔径 时间的存在，采样保持器实际保持的输出值与希望的输出值之间 存在一定误差。因此，对于变化很快的输入信号，应缩短孔径时间 以保证转换精度。 1 2 脚：b t p o ，双极性偏置端。 1 3 脚：1 0 v + ，0 一王0 v 模拟电压输入端。 1 4 脚：2 0 v 。，0 2 0 v 模拟电压输入端。 1 5 脚：d g n d ，数字地。 1 6 - 2 7 脚：d b o d b l 2 ，1 2 位数据输出端。 2 8 脚：s t s ，工作状态输出端。s t s = i 表示a d 转换正在进 行，s t s = 0 表示a d 转换完成，可以读出数据。它可以作为微机 的中断请求信号或a d 转换状态查询信号。 3 主要技术指标 ( 1 ) 分辩率 分辩率是a d 转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。 设a d 转换器的位数为n ，满量程电压为f s r ，则a d 转换器的 分辩率定义为：分辩率= f s r 2 “，目前一般都简单地用a d 转换 器的位数n 间接代表分辩率。a d s 7 7 4 的分辩率为1 2 位。 ( 2 ) 量程 a d s 7 7 4 的量程有：0 1 0 v ，一5 一+ 5 v ，0 - 2 0 v ，一1 0 一+ 1 0 v 四种。p c l 一8 1 8 采集卡上集成了高性能、高增益程控放大器，选 择不同的增益，同时在a d s 7 7 4 芯片内部量程电阻的配合下，可 使板卡的输入量程扩充为双极性时的1 0 v ，5 v ，1 v ， 0 5 v ，0 0 s v ，0 0 l v ，0 0 0 s v 及单极性时的0 1 0 v ， 0 一l v ，0 0 1 v ，0 0 0 1 v ，完全可满足液压实验台c a t 系统各 类传感器不同电压范围输出信号a d 转换的需要。 输入信号为单极性时，a d s 7 7 4 的输出代码为标准二进制( u s b ) 代码，输入信号为双极性时，a d s 7 7 4 的输出代码为双极性偏移二 进制( b o b ) 码。 ( 3 ) 转换精度 第3 0 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 3 5 a d 转换精度定义为对应于输出数码的实际模拟输入电压与 理想模拟输入电压之差，它反映了一个实际a d 转换器在量化值 上与理想a d 转换器进行模数转换的差值。可用绝对精度( 误差) 或相对精度( 误差) 表示。绝对误差包括增益误差、偏移误差、非 线性误差，也包括量化误差。配合程控放大器，a d s 7 7 4 的转换精 度见下表： 增益精度 o 5 ，l o 0 1 s ，1 0 0 o z 5 0 ，1 0 0 0 0 4 5 0 0 ，1 0 0 0 0 0 4 液压实验台c a t 系统中的各类传感器精度等级为千分之五， 考虑与传感器的精度匹配，a d s 7 7 4 的精度已足够。 ( 4 ) 转换时间( 包括捕捉时间) 转换时间为a o 转换器完成一次完整的测量所需要的时间， a d s 7 7 4 的转换时间为8 微秒，最高采样频率可达1 0 0 k h ：。液压 c a t 系统一般使用1 0 0 5 0 0 8 ：的采样频率，a d s 7 7 4 的转换速度 也可完全满足液压实验台c a t 系统动态测试的需要。 4 a d s 7 7 4 的控制 a d s 7 7 4 可以容易地和大多数微处理器系统或其它数字系统接 口，微处理器可以对每次转换实施完全控制，也可采用独立控制方 式控制a d s 7 7 4 进行工作。五个控制输入( 西、1 2 8 、a o 、r ，石、 c e ) 全与t t l c m o s 电平兼容。 p c l s l 8 数据采集板卡上的a d s 7 7 4 采用独立控制方式工作。 其西和a 0 连接到数字地，c e 和1 2 8 连接到+ 5 伏，转换器的控制 只由一个连接到r ，石的控制信号完成。这种工作方式应用于含有不 要求全部总线接口能力的专用输入口的系统中。 a d 转换由j r ，石信号的下降沿来启动，转换过程中，s t s 信号 为高电平。转换完成以后r c = i ，s t s 信号下降到低电平，使能 三态数据输出缓冲。这样，就可以用r 石引脚上的正脉冲或s t s 引脚上的负脉冲来读取转换后的数据。但在任何一种方式下，r 石 第3 i 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 引脚上的脉冲必须保持低电平至少2 5 n s 。 图4 一一4 ( a ) 说明了月石信号下降沿启动转换后直至转换完 成，数据读出的时序；4 4 ( b ) 表示了利用r - 高电平选通前 一次转换后的数据，月石的下降沿开始新的转换的时序。 皇匾己 ! p 堕一一 ”e 毛且寸“气i 七利! ! 卜 d b i ，d b 0 量翼一点呲：龃萄习= r蠡据有娥斗七教据有效、是曼! ! 璺一 ( a )( b ) 图4 一一4a d s 7 7 4 独立工作方式时序图 独立工作的定时参数列于下表。 符号参数最小最大单位 t h n r 石低电平时间 z 5 i ：d s s t s 相对r ，石的延迟 z 0 0 n s t h o _ 月，苞变低后数据有效时间 z 5 t h t h r 石高电平时间 1 0 0 t o o t数据读取时间 1 5 0 第3 2 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 第二节程控测量放大景 在构成液压实验台c a t 系统时，由于各检测点所采用的传感 器类型不同，输出的信号电平也有较大的差异。如压力传感器输出 的信号为毫伏级，位移传感器输出的信号为伏级，电压变化范围很 宽。由于a d 转换器的输入电压规定为0 1 0 v ，若上述传感器的 输出电压直接作为a d 转换器的输入电压，就不能充分利用a d 转换器的有效位数，影响测量精度。因此，必需根据输入信号电平 的大小，改变测量放大器的增益，使各输入通道均用最佳增益进行 放大。考虑采用可编程增益放大器，其特点是硬件设备投入少，放 大倍数可根据需要通过编程进行控制，使a d 转换器的分辩率得 到充分利用。p c l 一8 1 8 数据采集接口卡上的高增益程控放大器 p g a 2 0 4 是一种低成本、通用型可控仪用放大器，它可直接配接各 种传感器，以完成压力传感器、流量传感器、位移传感器不同电压 范围的输入信号的放大处理。 p g a 2 0 4 的内部电路结构如图4 5 所示。 c b ) 图4 一一5p g a 2 0 4 内部结构与基本接法 ( a ) 内部电路结构( b ) 基本接法 由图可见，测量放大器主要由三个运放构成。并分为两级：第 第3 3 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 j 黾 一级是两个同相放大器n 。n ：，因此输入阻抗高；第二级是普通 的差动放大器，把双端输入变为对地的单端输出，另外含数字选择、 反馈网络及输入保护电路。其逻辑电平与增益的关系见下