（农业工程专业论文）基于USB总线的万能试验机测控系统研制.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 摘要 论文回顾了国内外试验机发展历史，综合分析了试验机测控系统的的研究现状，介绍了拉伸试验 机实现u s b 总线控制和计算机控制的背景和意义。在此基础上提出了一种性价比较优的设计方案， 即将信号发生、信号采集与处理有机地集成为一体，并通过u s b 总线接口进行通讯的便携式高精度 u s b 计量数据采集系统，和基于计算机平台的试验机屏显控制系统。相比于传统的电子式万能试验机 控制系统，该测控系统具有成本低、便捷易用、大量数据传输速度快、可靠性高、易扩展，并能自动 绘制材料拉伸真实全曲线，自动画出r i o 2 直线，自动并精确求出弹性模量e 、屈服极限r p o 2 等力学 性能参数，给基于通用计算机为平台的测控系统的设计和开发提供一种新的解决方案。 本文对整个测控系统的设计及软、硬件实现等作了详细阐述。并进行了钢绞线拉伸试验，试验结 果表明该测控系统稳定性好，测试精度高，完全满足钢绞线测量的国家标准。 关键词：万能试验机；采集控制器；u s b 接口；屏显控制 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rr e v i e w st h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to ft e s t i n gm a c h i n ea th o m ea n da b r o a d ， c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e st h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h et e s t i n gm a c h i n e st e s ta n d c o n t r o ls y s t e ma n di n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e a l i z a t i o nu s bb u s c o n t r o la n dc o m p u t e rc o n t r o lo fu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e o nt h eb a s i so ft l l i s i tp u tf o r w a r d s ac o s t e f f e e t i v ed e s i g n i n gp l a n ，t h a ti s ，t h ep o r t a b l ea n dh i g l l l ya c c u r a t es y s t e mo fu s bd a t a s a c q u i s i t i o na n do m n i p o t e n ts c r e e nd i s p l a yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec o m p u t e rp l a f f o r m w h i c ho r g a n i c a l l yi n t e g r a t et h eo c c u r r e n c eo ft h es i g n a l ，a c q u i s i t i o na n dt h ep r o c e s sa so n ea n d c o m m u n i c a t et h r o u g ht h eu s bb u s c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a le l e c t r o n i co m n i p o t e n tt e s t i n g m a c h i n ec o n t r o ls y s t e m s ，i ti sc h e a p e r , e a s i e rt ou s e ，h i g h e rt r a n s m i s s i o ns p e e do fl a r g e a m o u n t so fd a t a , h i g h e rr e l i a b i l i t ya n de a s i e re x p a n s i o n a n d ，i tc a na u t o m a t i c a l l yd r a wt h e a c t u a le n t i r ec a r v eo ft h em a t e r i a l s t h eb e e l i n e ，a n df i g u r eo u tt h ee l a s t i cm o d u l u se y i e l d l i m i tr p 0 2 ，a n do t h e rm e c h a n i c a lp r o p e r t yp a r a m e t e r s ，w h i c hc a i lp r o v i d ean e ws o l u t i o nt ot h e d e s i g na n dt h ed e v e l o p m e n to ft h et e s ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h eg e n e r a lc o m p u t e r t h i sp a p e rc o m p l e t e l ye x p o u n d st h ed e s i g no ft h et e s ta n dc o n t r o ls y s t e ma n dt h e i m p l e m e n t a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e b yt h et e s t i n go fs t r a n d e ds t e e lw i r e ss t r e t c h i n g i t s h o w st h a tt h i ss y s t e mh a sg o o ds t a b i l i t y , h i 曲t e s t i n ga c c u r a c ya n di tf u n ym e e t st h en a t i o n a l s t a n d a r d so fs t r a n d e ds t e e lw i r e sm e a s u r e m e n t k e y w o r d s ：u n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e ；a c q u i s i t i o nc o n t r o l l e r ；u s bi n t e r f a c ed e v i c e ；s c r e e n d i s p l a yc o n t r o l i i i 浙江大学硕士论文第一章绪论 1 1 试验机发展概况 第一章绪论 材料试验机是对材料、零件和构件进行机械性能和工艺性能进行试验的设备。产品好坏，除了从 结构设计、加工工艺、处理规范诸方面去考虑以外，合理选择材料也是一个重要方面，例如金属、非 金属、各种新型的高温合金、高分子化合物及复合材料等要达到物尽其用，就必须知道材料的性能； 研究新材料、新工艺，也需测定材料的机械性能；新型机器或设备的受力部件，特别是大型构件( 如 桥梁、船体等) 有时还需进行整机试验，所有这些材料的性能参数，都需要各种专门的材料试验机来 测量。 我国计量检测事业历史悠久，但试验机制造行业在旧中国是空白，直至五十年代中期开始，随着 计量检测技术和仪器仪表工业的发展，我国材料试验机的制造，从无到有、从小到大，从单参数到多 参数，从静态到动态，逐步发展成初具规模，具有能生产静负荷试验机( 如拉、压万能试验机、扭转 试验机、松弛试验机、持久强度试验机、蠕变试验机、复合应力试验机等) 和动负荷试验机( 如冲击 试验机和疲劳试验机等) 的能力，有效地促进了国民经济建设和国防建设的发展。在国外，二百多年 前就出现了砝码加荷试验机，并逐步把液压技术、电子技术、电液伺服技术和计算机技术等应用于试 验机，到现在已发展为以数字化技术为特征的自动控制材料试验机。 国内试验机按照产品发展时期的特点分为三个阶段：引进和仿制阶段、自主发展阶段和与国外合 作发展阶段嵋。 第一阶段，由于国外试验机的应用和研制起步较早，至今已有二百多年的发展历史，在二十世纪 五、六十年代，已开始研制各种使用电液伺服系统的试验机，如美国m t s 、英国i n s t r o n 、瑞士a i l i s l e r 、 德国s e h e n c h 和日本岛津等公司都先后研制成功各种电液伺服试验机。而同期国内生产和使用的仍然 是手动控制、采用测力油缸和杠杆摆锤测力系统的机械式材料试验机口1 。电液伺服系统试验机的研究 还是空白，因此开始从苏联和民主德国引进或仿制。 第二阶段，7 0 年代末期到9 0 年代初期，国内的电液伺服试验机以自主开发为主。如由济南试验 机厂和长春试验机研究所联合研制的w a w - 5 0 0 w 微机控制电液伺服万能试验机。并且以长春材料试验机 研究所为源头，先后制定各种材料试验机的技术标准，自主研发各种类型的试验机和相应的检定( 校 准) 使用的标准仪器设备。这个阶段研制生产的试验机应用了伺服同步技术，实现双缸系统的同步跟 踪和精确定位。在测控系统方面，随着数字电路技术和计算机技术的发展，开始从模拟控制向模数混 合式控制方向发展，并开始将计算机技术应用到控制系统中。 第三阶段，二十世纪9 0 年代以来，随着我国改革开放的步伐加快，国内试验机厂家与国外同行 之间的联系更加密切，双方为了各自的利益开始寻求合作的途径。在这个阶段，试验机全数字化控制 器t e s t s t a r i i 、s e 和多通道g t 逐步取代了模数混合式控制器。国内随着单片机技术和计算机技术的迅 浙江大学硕士论文第一章绪论 速发展，试验机测控系统开始向总线化、集成化方向发展，并逐步提高计算机在系统中的控制比重h 1 ； 在伺服协调控制技术方面有所突破，国内成功开发出了第一台“电液伺服双轴四缸试验机”，其中心 定位精度小于o 0 3 咖。主机伺服油缸在静压支撑的基础上，又开发出动压支撑油缸，极人地提高了试 验机的测试精度。 1 2 国内外试验机控制系统研究现状 试验机在我国经历半个世纪的发展，已从机械式发展成电液伺服式，控制方式也从手动控制发展 成自动控制和智能控制，真正实现了机电一体化，使试验机的功能更强、自动化程度更高、操作更方 便、性能更可靠。电液伺服万能试验机主要包括机械部分、测控系统、软件部分以及试验机配套器件。 其中测控系统是试验机的核心部分，决定了试验机的精度和应用范围哺1 。目前国内试验机测控一体化 系统主要有传感器技术、微机自动控制技术、单片机技术和s t 9 工业控制总线技术，系统在满足有关 试验功能和精度要求的基础上，增加系统集成度，减少传递环节，提高自动化程度。能在w i n d o w s 平 台下实现试验数据和试验曲线的自动采集、屏幕显示，自动处理和磁盘存贮及数据库管理等功能，提 高了系统的实时性。有些系统还具备网络接口，可以实现实验数据共享。 同国外相比，国内试验机的测控技术一直都处于非常落后的状态。目前我国大部分试验机关键技 术和部件都是从国外引进的。如力传感器、应变引伸计、控制器和伺服阀等。尤其是试验机测量控制 系统的核心技术，仍然被发达国家所掌握，制约着我国试验机的制造和发展1 。虽然国内在常规电液 伺服标准材料试验机技术方面，有了一定的发展和研究成果，但在电液伺服高端产品及应用技术方面， 国内与国外试验机同行相比，特别是与美国m t s 公司及英国的i n s t r o n 等这样的大牌公司相比，差距还 是很大的。以m t s 公司产品与国内的长春试验机研究所产品作一个对比【盯，二十世纪9 0 年代中期m t s 公 司就推出了t e s t s t a r l i 全数字控制器，并且陆续将s e 和多通道g t 等数字控制器推向市场。这些控制系 统功能齐全、资源配置灵活、组合方便、适应面广，性能指标都非常高。与国内动态伺服控制器的对 比如表卜1 所示。 表1 - 1国内外试验机控制器性能比较 2 浙江大学硕士论文第一章绪论 显然美国m t s 公司的t e s t s t a r i i 全数字控制器，运算频率可以达至u 5 0 0 0 次秒，控制特性在传统的 p i d 控制基础上，还具有前馈控制、频率反向补偿控制、幅度控制和压差等辅助控制特性。因此数字 控制器由于其丰富的运算功能，其控制非常灵活，是模拟控制系统已经无法比拟的。 除此之外，试验机配套器件也是我国试验机行业技术水平最薄弱的一环。如试样变形测量系统， 国产的引伸计计量技术特性基本满足使用要求，但夹紧方式比较落后，手动夹持操作也十分不便1 。 而国外使用全自动引伸计，减小人为误差，测量结果准确可靠。还有试样夹头、高温炉、环境箱。因 此，提高试验机的使用性能和测试精度，对我国计量行业的发展有十分重要的意义。 1 3 课题研究的背景、内容及意义 材料受载后表现出弹性、塑性、断裂三个变形过程，并且在各个过程已有相关技术标准( 规范) 规定出相关性能的技术指标，这些性能指标的具体测定必须在试验机上来完成。试验机的功能和计量 特性指标是否满足预期使用要求，是材料机械性能试验的关键。因此要求国家基准实验室，各省、市 级计量标准实验室，各类企业的质量控制部门和传感器的生产检测单位等必须配备材料试验机。比如 目前国内高层建筑、桥梁、涵洞、核电站等大型现代化建筑结构中广泛使用的钢绞线，其预应力施工 都是使用生产厂家或检测单位提供的数据来进行理论计算，并以此作为控制张拉的一种手段，因此生 产厂家或检测单位如何准确有效地测定钢绞线的力学性能参数有着重要的实际意义。2 0 0 2 、2 0 0 3 年我 国对金属材料拉伸试验方法、预应力混凝土用纲绞线国家标准进行了重新修订，颁布了金属材料室 温拉伸试验方法g b t 2 2 8 - 2 0 0 2 与预应力混凝土用纲绞线g b t 5 2 2 4 2 0 0 3 等。上述规范标准都规 定钢绞线等材料的力学性能参数应测整根钢绞线的弹性模量、屈服载荷、最大载荷、强度级别和最大 外力下的总伸长率等参数饽1 。 传统的材料力学性能参数采用观察指针法和图解法测屈服载荷，用引伸计、百分表和安装在试验 机上的位移计来测量弹性模量和伸长率，在试样屈服前利用引伸计采样，屈服之后利用位移计记录， 此法不能自动绘制完整的变形曲线，需要人工进行数据处理，因此测量误差大，求解结果不准确，而 且测量不方便n 训。近几年发展电子式试验机，以计算机和单片机为控制核心的控制模式，提高了试验 效率和测量精度，但成本高，通用性差，一整套控制系统只能用于一台试验u 。本文研制一种儿一2 0 0 8 便携式高精度u s b 计量数据采集系统，该系统将信号发生、信号采集与处理有机地集成为一体，并通 过u s b 总线接口进行通讯。相比于传统的数据采集外设与p c 机通信方式，u s b 具有成本低、便捷易用、 大量数据传输速度快、可靠性高、易扩展、支持热插拨等特点u 钉。基于该数据采集器设计的试验测试 系统，能够自动绘制材料试验真实曲线，自动求出材料相关力学性能参数。适合于钢绞线、圆钢以及 其他金属和非金属材料力学参数的精确测量。 3 浙江大学硕士论文 第二章测控系统设计方案和设计 第二章测控系统设计方案和技术 目前试验机测控系统根据基本原理可以分为两大类：一类是基于单片机微控制器的数据采集系统 通过r s 2 3 2 5 行总线与个人微型计算机相联结，如图2 一l 所示，微机上的应用程序和数据采集板共同构 成开环测控系统，数据采集系统不能独立工作，微机作为测控系统的操作平台和数据处理中心( 国内 这种应用形式较多) 1 3 o 国内某些公司也有改进型产品可以脱离微机独立工作，但不具备数据分析、 处理和保存能力。 图2 - i 开环系统 图2 - 2闭环系统 另一类是基于通用c p u 设计的软，硬件平台和输入、输出通道，如图2 2 所示，有自己的实时操作 系统，既能作为一个独立完整的专用闭环测控系统独立工作，又可以通过r s 2 3 2 串口与个人计算机相 联结，使用微机作为用户控制台n 耵( 国外这种应用形式较多，如德国d o l i 、日本岛津等) 。前一种应 用形式成本低，通用微机提供了丰富的软件资源，可以方便地开发出大量的应用软件，但是单片微控 制器实现复杂控制算法较为困难，所以不能实现闭环控制，因此精度较低，适合作为一般普及型低档 试验机。后者由于采用了通用c p u 作为核心控制器，进行浮点运算，实现复杂控制算法，因此大大提 高了测控精度，适合高档试验机。但开发成本高，开发周期长。数据分析的功能处理能力也不如微机 强大1 射。 u s b ( 通用串形总线) 作为近年来出现的一种代表微机接口发展方向的新型总线规范，具有成本 低、便捷易用、大量数据传送速度快、可靠性高等特点，非常适合作为便携式数据采集器的接口方式 1 7 1 i s j 。同时也给基于通用计算机为平台( 虚拟仪器) 的测控系统的设计和开发提供一种新的解决方案。 4 浙江大学硕士论文第二章测控系统设计方案和设计 本系统以a d u c 8 4 5 单片机和计算机技术为核心，采用计算机控制技术、控制器控制技术和串行通信技 术，研究和开发基于u s b 的数据采集控制器和万能试验机屏显系统n 们。整个测控系统的设计方案如图 2 - 3 所示。 图2 _ 3 系统总体结构图 该控制系统由集成了单片机a d u c 8 4 5 、u s b 接口的j l - 2 0 0 8u s b 数据采集器、上位机屏显控制系统、 传感器、伺服阀控制模块以及其他辅助模块组成。拉伸试验机由液压伺服系统驱动，试验机的力、变 形、位移系统f h - - 路传感器实现。上位机通过j l - 2 0 0 8u s b 数据采集器控制拉伸试验机的液压伺服系 统，同时采集力、位移、变形等传感器数据，并将采样数据通过j l - 2 0 0 8u s b 进行数据分析和处理后 发送到上位机。上位机实时显示拉伸过程中的力、位移和变形，自动绘制各种曲线，自动求解力学性 能参数。 开发u s b 采集控制器，采用双c p u 结构，以单片机a d u c 8 4 5 为核心，通过e z u s b 控制器芯片实现u s b 接口的移动数据采集啪1 乜。可以利用计算机的计算能力实现数据图形化处理。 开发基于w i nx p 操作平台的s m a r t t e s t 试验机屏显控制系统。具有以下功能： ( 1 ) 数据库网络功能； ( 2 ) 自动测出试验材料性能参数； ( 3 ) 自动绘制各种试验曲线； ( 4 ) 曲线遍历功能等。 5 浙大学碗* 女镕= 试验机控制幕统硬件设计 第三章试验机控制系统硬件设计 试验机控制系统的主要功能是接收上位机经u s b t 载的配置信息，完成系统的初始化操作1 完成 睬样、井负责a d 缓冲区的数据转移：接收上位机控制命令直接控制d a 输出到液压伺服系统。试 验机控制系统硬件主要包括传感器、电子引伸计、j l - 2 0 0 8 数据采集控制器咀及u s b 接口等。 31 传感器 本系统传感器有位移传感器( 图3 一i ) 、压力传感器( 圈3 2 ) 、电子引伸计( 图33 ) 、负荷传感器 囝譬 酬3 - 2 高精度压力传惑器目3 - 3 电 引仲计 压力传感器采用b t l 0 0 0 系列传感器。该系列传癌器采用先进的硅压阻技术及不锈铜隔离膜片技 术，井融台a s i c 技术精度为02 5 f s ( 级) 它具有全温范围补偿及相麻的线性补偿，确保传墙器的长 期稳定性。另外此压力传感器还配有一个激光刻蚀电阻，通过调节外部放大器的增益来校准传感器 的压力灵敏度变化，从而在高电平输山时具有良好的互换性。考虑到现场干扰及传感器连接线较长的 因素，传感器采用恒流檬供电。 电子引伸计选用电阻应变式的y y j 系列，采用j ! l 【悬臂粱结构，弹性体采用特殊台金材料，并多扶 消除残余应力处理。结构轻巧、性能稳定可靠。 3 2j l 一2 0 0 8 u s b 数据采集控制器 儿一2 0 0 8 u s b 数据采集控制器内部有高稳定性放大系统、d a 转抉和u s b 接口t 其硬件电路如圈3 4 所示。主要包括模拟信号的放大、滤波等预处理电路、信号调理电路、实时时钟电路微控制器a d l l c 8 4 5 以及e z u s b 芯片的接口电路。 目3 - 4件自镕m 成框囤 浙江大学硕十论文第三章试验帆控制系统硬件设计 儿一0 0 0 8 u 0 8 数据采集器采用了职c p u 结构其中之一c p u 专为u s b 数据传送用，实铡数据传送速率为 1 2 m b p s ，是其它标准器用串口的l o 倍。另- - c p u 集成了双路2 4 位a d ，可同时采样两个传感嚣的力值数 据。采样频率可在5 i z 2 0 0 8 z 范围内调节。有效分度高达3 0 万以上。是所有插卡式采集板所无法比拟 的。j l - 2 0 0 s u s b 数据采集处理器可以看作一块数据采集控制模块，它以单片机a d u c 8 4 0 为核心，通过 雎一u s b 控制器芯片实现u s l p 抒t 口的移动数据采集。系统集成度高，可靠性好，开发成本低，采集速率 满足绝大多数丁业控制数据采集控制应用的需求“1 。重量轻( 0 0 9 克) 、体积小( 1 25 x0 25 厘米) ， 如图3 5 ，便于携带，功耗小于i2 w ( 4 节5 号电池可工作4 小时以上) 。能接驳各式台式电脑、笔记本电 脑，可以利用计算机的计算能力实现数据凰形化处理。程序中同时有五十种传感器选择还可根据用 户要求，添加无数种传感器。可广泛应用于各种实验试验机设备，自动力学测试设备等。 一 舭。孟 一1 灼 静( 磊纛控制器 - 矿m m 。” 目3 - 5j l 一2 0 0 8 数据采集控制器 3 2 1 单片机a d u c 8 4 5 a i ) u c 8 4 0 是美国 d 公司新推出的数据采集和处理系统芯片，是高度集成的片上系统，与咀往发布 的微转换器相比，它具有精度高、速度快、存储容量大，功耗低等特点。是目前性价比很好的徽转换 器，如图3 6 所示它嵌入一款与8 0 5 1 兼容的单指令周期8 位锻处理器，片内集成了2 路2 4 位a d 输入， 2 0 1 6 位p w 哪! 路1 2 位d a 输出。 1 一一 丌phii? 浙江大学硕士论文第三章试验机控制系统硬件设计 图3 - 6a d u c 8 4 5 基本结构 a d 输入精度2 4 b i t s ，输入信号量程为2 0 m v 2 5 v ，采样频率可在5 2 0 0 h z 范围内调节，有 效分度高达3 0 万以上。d a 输出分辨率1 2b i t s ，输出最大速率5 0 0 k b p s ，可以满足高精度多通道数据 采集要求，如钢绞线力学性能参数测定，医疗器械中用于心跳测定等。片内还集成有6 2 k b 的程序闪存、 4 k b 的数据闪存，还有看门狗定时器、电源监视器及3 2 个可编程的i o 线、与1 2 c 兼容的串口、s p i 串口 和标准的u a r t 串形接口。可实现在线下载、调试、编程的功能，无需另配编程器和仿真器就可以低成 本、高质量、迅速地开发a d u c 8 4 5 的应用系统，并可随时更改软件进行升级幅引。 3 2 2 信号调理电路 通常传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变 化，因此，在变换为数据之前必须进行调理。信号调理是把传感器的模拟信号变换为用于数据采集、 控制过程、执行计算显示读出的数字信号，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系 统的数据处理乜劓。本系统信号调理电路主要实现模拟信号的放大、滤波等预处理，包括引伸计调理电 路和压力传感器调理电路，均采用a d 8 8 2 1 和o p 0 7 两块集成块，电路结构如图3 7 所示。 8 浙江大学硕士论文第三章试验机控制系统硬件设计 3 2 3u s b 控制器芯片 图3 - 7信号调理电路 u s b 接口的主要实现芯片为c y p r e s s 公司的a n 2 1 3 1 q c ，是一种u s b l 1 集成微控制器，它主要包括 u s b l 1 6 发器、串行接口引擎( s i e ) 、增强型8 0 5 1 微处理器、i 0 口、数据总线、地址总线和通用可 编程接口。能自动完成数据收发控制、位填充、数据编码、c r c 校验、p i d 包解码等u s b 协议处理，完 成硬件系统和上位p c 机之间的数据传输，其实测数据传送速率为1 2 m b p s ，是其它标准器串口的1 0 倍晗。 足以满足大多数高速外设的速率要求。 3 2 4e 厶u s b 芯片 u s b 接口的主要实现芯片为c y p r e s s 公司的a n 2 1 3 1 q c ，是一种u s b l 1 集成微控制器，如图3 8 所示。 它主要包括u s b l 1 收发器、串行接口引擎( s i e ) 、增强型8 0 5 1 微处理器、i o n 、数据总线、地址总 线和通用可编程接口。能自动完成数据收发控制、位填充、数据编码、c r c 校验、p i d 包解码等u s b 协 议处理，完成硬件系统和上位p c 机之间的数据传输，其实测数据传送速率为1 2 m b p s ，是其它标准器串 口的1 0 倍幢引。足以满足大多数高速外设的速率要求。 9 萋翌酯避 浙江大学硕士论文 第三章试验机控制系统硬件设计 + 5v d + 一卜 _ - 一 一tj) d 串行接口 _ l 畅 引擎( s i n ) g n dl 扒l u s b u s b 匡接器 收发器 i i 一一一竺一一j_ _ _ _ - - - 一。_ o - i - - i _ 一一 图3 8 州2 1 3 1 结构框图 3 2 5 e 乙u s b 与a d u c 8 4 5 连接 e z u s b 与a d u c 8 4 5 的连接采用s p i 总线接法，a n 2 1 3 1 q c 本身没有硬件s p i 乜引，本系统用四个i o d 软 件模拟，a n 2 1 3 1 q c 为主s p i 设备，a d u c 8 4 5 为从s p i 设备，连接方式如图3 - 9 所示。s p i 总线接法有效地 解决了硬件兼容性问题，而且可靠性高，传送速度比采用1 2 c 快，系统的实时性进一步增强伫7 1 。 、 a , t l s o i e z u s bm o s i a d u c il f xi s c l o c 刚 8 4 5 s s 图3 曲采集控制器连接示意图 1 0 浙江大学硕士论文 第四章试验机控制系统软件设计 第四章试验机控制系统软件设计 软件设计是试验机测控系统的重点，该系统软件设计包括u s b 控制器软件设计和试验机屏显控制 软件设计。 4 1u s b 控制器软件设计 u s b 控制器软件设计可以分为两个主要部分： ( 1 ) u s b 固件程序和具有u s b 接口的主机端驱动程序。 ( 2 ) 单片机a d u c 8 4 5 数据采集程序。 4 1 1 u s b 固件程序设计 e z u s b 的固件程序是固化在a n 2 1 3 1 q c 中的，主要负责e z u s b 的枚举，完成u s b 芯片( 包括单片机 和所有外围电路) 的初始化，接收并处理u s b 驱动程序的请求( 如请求设备描述符、请求或设置设备 状态及设备接口等u s b i 1 标准请求) ，控$ 0 u s b 芯片接收应用程序的控制指令等。u s b 设备的初始化 过程如下： ( 1 ) u s b 设备接入u s b h ，发出连接u s b 命令； ( 2 ) 主机发出读设备描述符两次： ( 3 ) 主机根据设备描述符p i d v i d d i d ，启动相应的设备驱动程序： ( 4 ) 设备驱动程序初始化u s b 设备：读设备描述符，读配置描述符，选择接口、端点及确定传输 方式。 c y p r e s s 公司为f x 2 芯片提供了用z e i lc 5 1 开发的e z u s b 固件库和固件框架，开发者仅需提供u s b 设备描述符表( d s e r a 5 1 ) 和外设的功能程序代码( p e r i p h c ) 重新编译即可完成整个固件的开发， 其中主要工作是根据自定义设备修改p e r i p h c 1 。 4 1 2 u s b 驱动程序设计 u s b 驱动程序是w d m 型的，包括固件下载设备驱动程序和通用设备驱动程序。固件下载设备驱动程 序完成特定的固件下载及重枚举，以便在接上u s b # f 设时，主机能通过u s b 总线自动将固件程序下载到 外设芯片a n 2 1 3 1 q c 中m 1 。e z - u s b 软件开发包提供一个固件装载设备驱动程序模板e z l o a d e rd r i v e r ， 开发者根据该模板进行改写即可。但在w i n d o w s 环境下，不允许用户在应用程序中直接访问硬件设备， 因此还必须为应用程序提供一个访f , e z u s b # f 设的接口，以完成用户的应用程序与e z u s b ) 设之间的 通信，这一接口即为通用设备驱动程序( g p d ) 。开发用户自己的e z - u s bg p d 要使用m i c r o s o f t w d md d k 和m i c r o s o f tv c + + 6 0 开发工具，工作量大，而且调试复杂。c y p r e s s 公司提供了一个开放的通用驱 动程序e z u s b s y s ，该程序可不加修改，经x pd d k 编译后直接使用。使用时，根据e 2p r o m 提供的p i d v i d 修改相应的i n f 文件2 5 m “捌。 浙江大学硕= l 论文第四章试验机控制系统软件设计 4 1 3 单片机a d u c 8 4 5 数据采集程序 单片机a d u c 8 4 5 作为数据采集系统的核心，整个数据采集系统的软件都以它作为核心来编程m 1 。 a o u c 8 4 5 的数据采集流程图如图4 - 1 所示。 图4 - 1a d u c 8 4 5 的数据采集流程 主程序m a i n ( ) 函数开始初始化各种参数以后，主程序进入不断的循环状态，查询a d u c 8 4 5 的a d 端口，e z - u s bf x 的s p i q b 断，将各路a d u c 8 4 5 采集的数据通过s p i 送入o s b 端口，同时查询是否有新的 数据送入a d u c 8 4 5 。如果有数据进入，就解析数据，产生各种控制命令。如果没有数据进入，返回程 序入口继续循环。 1 2 浙江大学硕士论文 第四章试验机控制系统软件设计 系统的主函数实现如下： v o i dm a i n ( v o i d ) c f g 8 4 5 = o x 01 ：扩展a d u c 8 4 5 的扩展2 kr a m a d c o c o n l = o x 2 7 ：设置2 4 位a d o a d c o c o n 2 = o x 4 a ； a d c i c o n = o x 6 c ：设置2 4 位a d l s p i c o n = 0 x 2 4 ：s p i 从设备有效。 i e i p 2 = o x i i ： e a = i ：等待a d 及s p i 中断 w h i l e ( 1 ) w h il e ( u s b f l a g ) ：等待u s b 命令 i f ( u s brd a t a 0 = 0 x 0 1 ) ：解释命令 w h il e ( a d f l a g ) ：等待a d 采集 u s bsd a t a 0 = a d d a t a ( 0 ) 把a d 值送至t j u s b 4 2 试验机屏显控制软件设计 4 2 1屏显控制软件的u s b 接口应用程序 e z - u s b 的g p d 为应用程序提供了一个访问e z - u s b 外设的接口，通过这个接口，应用程序可以进行 常用的u s b 设备请求与数据传输，即从a d u c 8 4 5 中读取高速数据采集处理后的数据、分析存储和显示处 理结果以及向a d u c 8 4 5 发送控制命令。应用程序是通过w i n d o w sa p i 函数对w i n 3 2 子系统进行w i n 3 2 调用 来实现对e z - u s bg p d 访问，进行i o 操作口5 m 1 。其流程如 4 - 2 所示。 1 3 浙江大学硕士论文第四章试验机控制系统软件设计 图4 - 2u s b 应用程序流程图 首先数据总线查找e z - u s b 设备，当检测到有u s b 设备时接入时，应用程序调用读写例程函数如下： i n tr w _ p r o c 七s s ( h a n d l eh d e v i c e ，c h a r b u f f e 0 b o o lb r e s u l t ； u l o n g n b y t e s ； b u l kt r a n s f e rc o n t r o lb u l k c o n t r o l ； b u l k c o n t r 0 1 p i p e n u m = l ： i n t i = 0 ： f o r ( i = 0 ；i s e n d d a t a i ； b r e s u l t = d e v i c e i o c o n t r o l ( h i ) e v i c e ，发送6 4 个字节 i o c t le z u s bb u l kw r i t e 。 & b u l k c o n t r o l ， 1 4 浙江大学硕士论文第四章试验机控制系统软件设计 s i z e o f ( b u l k _ t r a n s f e r _ c o n t r o l ) ， b u f f e r , 6 4 ， ( u n s i g n e dl o n g ) & n b y t e s ， n u l l ) ； i f ( ! b r e s u l 0 发送出错处理 i f ( m a i n f o r m - u s b t m e 一- - - t r u e ) m a i n f o r m - u s b t r u e - - f a l s e ； m e s s a g e b o x ( n u l l ，”严重错误”，”u s b 发送出现错误”，m b p k i m b _ i c o n s t o p ) ； ) e l s e m e m s e t ( b u f f e r , 0 ，6 4 ) ； b u l k c o n t r 0 1 p i p e n u m = 0 ； b r e s u l t = d e v i e e l o c o n t r o l ( h d e v i c e i o c t l _ e z u s b _ b u l k _ r e a d ， & b u l k c o n t r o l ， s i z e o f ( b u l k _ t r a n s f e rc o n t r o l ) ， b u f f e r , 6 4 * m _ s t r b u f f e r g e t l e n g t h 0 ， ( u n s i g n e dl o n g 木) & n b y t e s ， n u l l ) ； i f ( b r e s u l t = = f a l s e ) m e s s a g e b o x ( n u l l , 严重错误”，”u s b 接收出现错误”，m b p k i m b _ i c o n s t o p ) ； m a i n f o r m - u s b t r u e = f a l s e ； s h o w m e s s a g e ( ”e r r o ro fd e v i e e l o c o n t r o lf u n c t i o nr u n n i n g ! ”) ； u s b t r u e = f a l s e ； r e t u r n0 ： r e t u mn b y t e s ； 应用程序通过定时唤醒线程函数来调用读写例程，线程函数如下： d w o r dw i n a p it h r e a d p m c ( l p v o i dl p p a r a m ) 线程处理 i f ( m a i n f o r m - u s b t r u e 一- - - t r u e ) 1 5 浙江大学硕士论文 笫四章试验机控制系统软件设计 n b y t e s = r w _ p r o c e s s ( h d e v i c e ，b u f f e o ； ) s e t e v e n t ( h r w e v e n t ) ； r e t u m o ； 该读写函数收到数据后，通过协议分析得出位移、载荷和变形数据，并进行数据实时分析和处理， 若连续5 次分析数据有误，系统自动提示后退出。 4 2 2 上位机软件和人机界面设计 根据g b t2 2 8 2 0 0 2 金属材料室温拉伸试验方法，试验材料性能测定项目有、氏、凡、 a t 、a l 。、e 等。对试验机及控制系统都提出了更高的要求。本系统上位p c 机软件采用c + + b u i l d e r i 具 开发，集曲线、图形、数据于一体，主要完成系统参数设置、数据实时处理、被测参数输出、拉伸过 程中实时显示各个参数的变化和绘图钉啪1 等，如图4 3 所示。 图4 - 3上位机软件功能框图 ( 1 ) 参数设定。传感器参数的设定：由于各传感器出厂时设计参数不一，若直接用于测试则采 集的数据无信任度，另外根据国家有关规定，传感器需定期检测标定，因此我们将档位选择、标定值 设定及标定算法集成类c s i g n ，与其他模块相衔接构成相应的标定界面，共同完成标定功能。操作时 只需在标定界面中输入有关数据，点击参数郎可完成。试验类型的设定：万能试验机可实现拉伸、 弯曲、压缩等试验方式，试验前软件会给出对话框提示选择试验类型。试验项目的设定：拉伸试验 机可实现钢材、砼，砂浆等材料的试验，试验前软件会给出对话框提示选择试验项目。试验控制方 式的设定：拉伸试验机可实现手动、自动控制方式，如果自动控制系统时选择“手动采集”，加荷速 度由计算机自动控制，但控制方式需要手动切换；如果选择了“自动采集”，则控制方式和控制速度 1 6 狮 学硬论文第章试验机制 统软件设* 全部由计算机控制。 试验参数的设定：不同的试验有不同的试验参数，如采集速率、应变片灵敏系 数等需在试验前设定。 ( 2 ) 数据处理模块。数据处理主要包括两部分第一，对数据采集的数据实时显示，如力时 间曲线、力位移曲线、力变形曲线等，此外还需对试验结集进行分析，自动计算应力、伸睦 率，确定屈服点等；第= ，试验机具有等速率负荷控制、菩速率变形控制和位移控制三种控制方式。 奉软件可完成在试验过程中控制方式的自动切换，保证试验陆线和数据的完整性，将力控制、位移 控制、变形控制三种方式进行p i d 调节将采集的位移速率( 变形速率、力加载速率) 与设定的相应速 睾进行比较，根据其差量计算出需要控制的d 值，输 j l 一2 0 0 8 控制器，通过转换和放人后，控制 液压比例阀动作从而高精度推动活塞按设定条件t 作。 ( 3 ) 结果输出模块。结果输出模块主要实现打印、数据库存储功能，其中数据库部分除了基本的 查匈，删除、修改等基本操作外，还配置了历史曲线分析功能用户可以过去的试验记录进行重新自 动或手动分析，此外考虑l 屿企业i n t r a m e t 联接，因此j ；e 设置了网络接口，便于企业网的全局管理”。 该系统运行在y i nx p 操作系统上全中文提示操作人机界面友蚶、操作简便、功自强人。具有自 动、手动、瞬时力值显示、加荷曲线跟踪发保存、试验结果查询和打印等功能，可宴现试验机定速度、 定位移、定载荷、定裁荷速率的复杂加载模式控制，多种阶段转换控制菜单还可自由封1 台，循环及嵌 套循环控制等。软件界面设计如图4 4 所示 z m qh - 岛立础西省r 由野o q 。p 尹。 _ ：尸i i _ 界。严器_ l _ 尸。尹。 * 一日目4 lr 一 占嘿剧l 一* r ，1h y * “e d e d 肾自 m b 口d 一n 圄4 = 4s m a r t t e s r 试靖机辟显控制系统界面 浙江大学硕士论文第四章试验机控制系统软件设计 软件具有如下几个功能特点： 1 、具有数据库网络功能，内嵌数据库存储功能，可以直接把结果存到网络数据库上，实现和各 种数据库无缝连接。 2 、界面