（机械设计及理论专业论文）面向手柄的曲面压力分布测试系统的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 面向手柄的曲面压力分布测试系统的研究 摘要 人们在工作 生活中使用的工具 除了其本身具备的特定功能外 其外观形 状也是决定其是否被广大用户接受的一个重要因素 气动 电动工具中的手柄外 形既要符合人们视觉审美需求 更是要满足操作者生理特征的要求 提高使用舒 适性 从而使工具发挥出更大的效能 当前对于工具手柄外形与其使用舒适性的研究只限于定性的分析 因此 开 展定量的分析研究 对于手柄外形的设计及评定都具有较高的理论价值和工程应 用价值 工具手柄外形是否合理的一个评定指标是手柄作用在操作者手掌上的压力 分布是否符合人手的生理特征 本文以省重大科技攻关项目 面向产品创新的数 字化工业设计平台及其在气动 电动工具产品开发中的应用 2 0 0 5 c 1 1 0 3 8 为支 撑 研究 开发气动 电动工具手柄压力分布测试系统 本文从硬件设计 软件开发和测试实验三个方面 详细分析了测试系统的原 理 结构和评测试验 论文研究的主要内容包括 1 在分析气动 电动工具产品开发过程中 手柄外形设计所面临的现实需求 的基础上 提出了研究 开发气动 电动工具手柄压力分布测试系统的必要性 2 测试系统总体方案设计 3 测试系统硬件设计 固件驱动程序设计 以及d l l 动态数据库的设计 4 测试系统软件设计 包括数据采集模块 分析模块 数据存储和回放模 块 5 使用测试系统对不同形状和大小的手柄进行测试 从而验证了该测试系 统软硬件系统的正确性 进而验证了本文采用的曲面压力分布测试方法的可行 性 浙江工业大学硕士学位论文 6 对本文的主要研究内容进行了总结 并提出对今后研究的期望 视频叠 加 无线采集和便携测量 关键词 测试系统 数据采集 工具手柄 曲面压力分布 虚拟仪器 i l 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ep r e s s u r ed i s t i u b u t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e ma p p l y t ot h es u r f a c eo ft o o l sh a n d l e a b s t r a c t p e o p l eu s et o o l si nt h ejo ba n dl i f e i t sa p p e a r a n c ef o r mi sa l s oak e y f a c t o rt h a tw h e t h e rp e o p l ea c c e p t e do rn o t e x c e p ti t s s p e c i f i cf u n c t i o n s t h es h a p eo ft h ep n e u m a t i c e l e c t r i ct o o l sn e e dt os a t i s f yp e o p l e sv i s u a l a e s t h e t i cn e e d s a l s ot om e e tt h eo p e r a t o rp h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h er e q u i r e m e n t sa n di n c r e a s et h eu s eo f c o m f o r t s ot h a tt o o l sc o u l dp l a y ag r e a t e rp e r f o r m a n c e t h ee x t e r n a lf o r mo fi m p l e m e n th a n d l ea n dt h ec o m f o r t a b l e n e s s r e s e a r c hi sl i m i t e dt oq u a l i t a t i v ea n a l y s i sc u r r e n t l y t h e r e f o r e c a r r yo u t q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h es h a p eo ft h eh a n d l ed e s i g na n de v a l u a t i o nh a s ah i g hl e v e lo ft h e o r e t i c a lv a l u ea n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s o n er e a s o n a b l ea s s e s s m e n tt oi m p l e m e n th a n d l e s a p p e a r a n c ei s w h e t h e rt h ep r e s s u r eo nt h ed i s t r i b u t i o no ft h ep a l mo fy o u rh a n di s a c c o r d i n gw i t hh a n d sp h y s i o l o g yc h a r a c t e r i s t i c b a s e do n m a j o r s c i e n t i f i ca n d t e c h n o l o g i c a lp r o j e c t s i nt h e p r o d u c t o r i e n t e di n n o v a t i v ed i g i t a ld e s i g np l a t f o r ma n dt h ec h e m i c a l i n d u s t r yi nt h ep n e u m a t i c e l e c t r i ct o o l si nt h ea p p l i c a t i o no fp r o d u c t d e v e l o p m e n t 2 0 0 5c 110 38 r e s e a r c h d e v e l o p m e n t p n e u m a t i c e l e c t r i ct o o l sh a n d l ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m i nt h i sp a p e r h a r d w a r ed e s i g n s o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dt e s to ft h e i i i 浙江工业大学硕士学位论文 t h r e e a n a l y s e st h ep r i n c i p l eo ft h et e s ts y s t e m s t r u c t u r ea n de v a l u a t i o n t e s t s p a r t i c u l a r l y t h er e s e a r c hi n c l u d i n gt h e f o l l o w i n g s 1 i nt h ep r o c e s so fa n a l y z i n ga e r o d y n a m i c e l e c t r i ct o o l s h a n d l e c o n t o u rd e s i g nn e e d st om e e td e m a n d b r i n go u tt h en e c e s s i t yo f d e v e l o p m e n ti nt h ep n e u m a t i c e l e c t r i ct o o l sh a n d l ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m 2 o v e r a l ld e s i g no ft e s ts y s t e m 3 t e s ts y s t e mh a r d w a r ed e s i g n f i r m w a r ed e s i g n d l ld y n a m i c d a t a b a s ed e s i g n 4 t e s ts y s t e ms o f t w a r ed e s i g n i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e a n a l y s i sm o d u l e d a t as t o r a g ea n dp l a y b a c km o d u l e 5 u s em e a s u r e m e n ts y s t e mf o rd i f f e r e n ts h a p ea n ds i z eo ft h e h a n d l eo f t e s t i n g a n dv e r i f i e dt h ea c c u r a c yo ft h et e s ts y s t e m 6 s u m m a t i o no ft h em a i nr e s e a r c h r a i s e de x p e c t a t i o n sf o rf u t u r e r e s e a r c h s u p e r i m p o s e dv i d e o w i r e l e s sa n dp o r t a b l em e a s u r e m e n t a c q u i s i t i o n k e yw o r d s t e s ts y s t e m d a t aa c q u i s i t i o n t o o lh a n d l e s s u r f a c e p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n v i r t u a li n s t r u m e n t i v 浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的研究成果 除文中已经加以标注引用的内容外 本论文不包含其它个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均 已在文中以明确方式标明 本人承担本声明的法律责任 作者签名 句动9日期 以年6 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借 阅 本人授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密跏 请在以上相应方框内打 寸 作者签名 孑哟日期 诱年g 月弓日 导师签名 钮幽期 口矿年 月 日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 研究的背景 第一章绪论 本课题研究的手柄曲面压力分布测试系统 属于浙江省制造业信息化工程重 大科技攻关项目 面向产品创新的数字化工业设计平台及其在气动 电动工具产 品开发中的应用 2 0 0 5 c 1 1 0 3 8 的一部分 从现有国内气动 电动工具行业出口情况分析 除了要求产品使用功能方面 的设计要求以外 强调工业设计的分量 从视觉 触觉和宜人性等方面考虑用户 的感受 从材料 色彩 形态等方面的设计来构成最终为用户所接受和喜爱的具 有高附加值的工具产品 将是未来行业发展的重要方向 目前在气动 电动工具 产品设计中 由于缺乏必要的工业设计支持手段和平台 制约了产品的开发和市 场的开拓 所以建立一个面向产品创新的数字化工业设计平台能够彻底改善目前 被动的产品设计研发 基于气动 电动工具行业的共性特点 对该数字化设计平台的总体结构进行 设计 该总体设计结构可适用于大部分工具产品制造业进行推广 其流程如图 1 1 所示 本课题研究的手柄曲面压力分布测试系统属于整个数字化设计平台的一个 评测部分 用于工具手柄的人机工程分析 测量通过快速原型制造的手柄模型的 操作舒适度 如果客户对测量的结果满意 那么在进行其他环节的评测 否则需 要重新对产品的形态进行设计 以满意客户的要求 因此对于手持操作的电动工具来说 最重要的一个设计环节就是电动工具的 手柄外型设计 因为电动工具大都手持操作 它的电气安全 振动 噪声 电磁 干扰对人体有一定影响 如何将人机工程应用到设计电动工具手柄当中去 使电 动工具在手持操作时 减小工具的振动 不平衡性 冲击力等 减轻长期重复使 用工具操作带来的危害 已经成为电动工具不断发展的方向 人机工程是用科学技术解决人与机器之间的相关问题 包括人的动作特点 人的感觉和人体工程 重点是噪音 振动 重量 平衡性和操作舒适性 它估量 浙江工业大学硕士学位论文 人的能力 适应工作环境 使人们能够在这些条件下正常工作 合理设计手持式 电动工具的手柄 不仅要完成特定的功能 而且要适应各种人体体质限制条件 l 巨亟亟困 型是 快速原型制作工具手柄 人机工程分析 手柄操作舒 适度等分析需求 p 任务l皂 y 设计 修改 任务 墨王 设计文档发布 制造 装配 图1 1 数字化设计平台的总体结构 在操作机器时直接由人操作或使用的部件 主要有手 手柄 操纵杆 开关 按钮及各种工具等 正确的设计与选择 可以提高工具的整体质量和技术水平 从而提高劳动生产率 减少人员伤残及损失 人与工具是通过手柄接触的 因此 手柄的大小 结构 形状直接影响着操作者的握持力 握持强度及操作舒适性 人机工程的广泛应用给社会带来了许多巨大的变化 比如在汽车工业中 已 经有学者根据坐姿的生理形态 开发了类似的压力分布测试系统来测量身体的压 2 浙江工业大学硕士学位论文 力分布 从而指导汽车座椅的设计 2 优化后得出更符合人体生态曲线的座椅靠 背曲线 以提高乘坐的舒适性 并适应人体的健康需要 又如在医学业中 使用 类似原理开发的压力测试系统 可以测量人在行走时脚底的压力分布情况 不仅 可以了解病人足部的愈合状况 根据采集的数据 还能制定出更有效更有针对性 的医治方案 缩短病人的康复周期 而在当今的电动工具行业中 关于工具手柄操作舒适性的研究还处于初步阶 段 对手柄的曲面外型舒适度的研究只限于定性的分析 只能通过传统的经验进 行分析 而缺乏定量化的描述 不够有效 可靠 因此如何建立一套可以测量手 柄曲面压力分布的系统 评测工具手柄的舒适度 已经逐渐成为手动工具开发中 的重要问题之一 1 2 国内9 1 压力分布测量系统的研究现状 压力分布测量系统在医疗 康复 体育 汽车等相关行业发挥越来越大的作 用 比如在医学界 糖尿病患者由于末梢血管内的血液循环不良 容易形成糖尿 病足 因此只要详细分析足底动态压力分布图及其规律就可以很容易地识别神经 病变性糖尿病足 牙科医生要诊断病人的牙齿咬合状况时 需要测量病人卜下牙 齿间咬合力的大小和分布特性 汽车行业中研究座椅的舒适性 需要测量人体对 座椅的压力分布规律等等 3 在国外以压力分布测试而闻名的t e k s c a n 公司 它的网格状传感器技术 最 初是应牙医的要求而开发的 1 9 8 8 年t e k s c a n 开始开发t s c a n 咬合分析系统 这一产品满足了牙科市场的所有需求 此后 经过不 断的研究与开发 t e k s c a n 又把系统应用扩展到工业领 域 它可以测量除剪切力之外的所有压力 比如还有座椅设计和舒适度研究 美国一些汽车 制造厂商已经运用这项技术在汽车坐垫的开发上了 得益于t e k s c a n 公司独特的传感器技术 b p m s 成为测 量人体压力分布的最佳工具 3 j 如图1 2 所示 座椅传 感器的空间分辨率为每平方厘米1 个传感点 每片传 感器含2 0 0 0 多个传感点 这是任何其他相关测量系统 图1 2b p m s 坐垫图 浙江工业大学硕士学位论文 无法比拟的 这种密度的空间分辨率使得用户能够确定座椅的接缝 挚予 支撑 物 泡沫硬度和支撑结构对压力分布和乘员舒适度的影响 系统的动态采样率为 1 2 7 h z 随时采集车辆行驶期间乘员对座椅的压力分布的变化 借助于b p m s 系 统 座椅的设计者和制作者能够优化材料的选择 分析身体进出座位时的压力变 化 优化司机的坐姿 记录司机在现场行驶试验过程中姿势的变化 研究高速和 低速行驶时的振动变化 从而确定悬挂减震系统的司机的作用 b p m s 还可测量 人体坐骨等的尺寸信息 压力分布测量系统在其它应用领域也有应 用 比如轮胎与地面的压力分布为设计外形和性 能都优良的轮胎 既要保证它容易行驶 同时也 保证它不伤害地面 而平衡这两个问题将是对工 程师一个严峻的挑战 首先 施加一个力在一个 单独的车轮上 再将相同的力加在一个带有双轮胎 的牟轮上 然后将一片o 1m m 厚 具有20 0 0 个 图1 3 汽车轮胎应力测量图 传感单元的传感器放在地板上 通过计算机控制受力的车轮从地板和传感器上压 过 如图l 一3 所示 这样 在车轮和地板之间的压力将被记录下来 之后用于分 析和比较 除了应用在汽车轮胎的设计 还可以运 用在汽车的刹车片和闸瓦上 减少刹车的噪 音 震动和刺耳的声音 t e k s c a n 系统h z 匕k a 测 量交界面的动态压力分布 并且提供诊断工 具以改进设计 在此 用两片单独的传感器 进行研究 如图1 4 所示 一片放在内侧刹图卜4 刹车片应力分布测量 车片和转轴之间 另一片放在夕b n k l j 车片和转轴之间 用一个非旋转的动态测试 机施d h g i j 车压力 然后用高频率对夹紧力进行数据记录 在施加夹紧力的过程中 峰值压力的分布图能清楚地显示出刹车片在转轴上的压力分布的不均匀性 压力分布测试系统的应用范围相当广泛 还能应用在挡风玻璃雨刷设计 如 图1 5 所示 造纸业 打印机等行业中卷筒位置的调整 电路板印刷压力平衡调 整 紧固件和夹紧装置负荷分析 如图1 6 所示 汽车车门的垫圈和密封装置设 计研究 如图1 7 所示 医疗和商业床垫的设计 如图1 8 所示 人类步态分析 浙江工业大学硕士学位论文 人类关节研究 假肢的设计等等 4 1 图1 5 挡风玻璃雨刷设计图1 6 紧固件和夹紧装置中的应用 图1 7 汽车车j j 的密封性研究图卜8 商业床垫的设计 国内对压力分布系统的研究主要处于研发阶段 据网上的资料显示 国内在 工具手柄操作舒适度上还并未有研究 而足底压力分布研究的比较充分 足底压力分布测试能提供客观 定量地评定人体步行功能 全面反映 康复功能状态及适时地指导治疗的 参考方案 通过分析 足 鞋界面 及 鞋 地界面 的压力分布特征 不 仅可为足疾和假肢患者的 个性化 康复鞋 垫 的设计和制造提供重要参 图1 9 应力分布测试在运动鞋设计中的应用 考 而且可望为不同项目的运动鞋设计和优秀运动员的 个性化 运动鞋设计 提供可靠依据 如图1 9 所示 比如2 0 0 4 年1 1 月2 1 日 比利时r s s c a n 国际公 司旗下 中国 有限公司驻京办事处正式挂牌成立 r s s c a n 成为第一家进入中国 的国际性集鞋的人体力学设计测试与运动医学分析系统于一身的科技研发企业 浙江工业大学硕士学位论文 r s s e a n 将与中国体育科研机构合作 为中国的运动员进行运动分析 个性化运动 鞋垫的设计 选择或设计适合个人运动特点的运动鞋 5 在竞技运动中 足底压力分布测试将对支撑动作 起跳和落地等动作的运动 学 动力学特征进行测量与评价 从而创造新的动作方法和技术 足底压力测量 技术可以弥补目测法所得结果准确性 可靠性差的缺点 随着各类特殊人群步态 评定指标进一步量化与完善 足底压力测量可望对帕金森综合征 糖尿病 脑瘫 偏瘫 截瘫 足疾患者等的功能康复 疗效评定和手术鉴定提供了客观评价标准 目前国内压力分布测试系统的研究正处在发展阶段 应用的范围还不够广 泛 尤其在电动工具行业中 电动工具的外形设计并未使用压力分布测试系统作 为评测的标准 而我国电动工具行业在产品开发上 与国外的工业设计要求还有较大差距 企业自主开发设计一些新型的电动工具 所注重的只是电动工具的整体外形 大 部分都忽略了研究电动工具在使用的时候 手柄是否最大限度地满足人们的舒适 度以及使用习惯方面的要求 电工工具的外观设计固然重要 但是如果不能减轻 长时间使用时身心的疲劳强度 避免肌肉劳损的症状 那么这样的电动工具是没 有生命力的 迟早会被市场所淘汰 6 而那些少数的企业 虽然意识到人机工程 在手柄外形设计上的应用 但是许多的开发还是基于经验设计 没有实际的理论 数据作为设计的基础 很难有突破性的设计 因此 在电动工具设计开发过程中 需要有一套成熟的手柄曲面压力分布测试系统 来测量手柄曲面的压力分布 从 而评测手柄外形的舒适度 进而指导手柄的外形设计 但是目前国内外压力分布测试系统的价格不菲 系统中所用的设备 多为各 家公司的专利产品 使得整套系统价格昂贵 本课题拟研制一套运行稳定且价格 低廉的压力分布测试系统 运用到电动工具的开发中去 1 3 研究的内容和意义 1 3 1 研究的内容 本课题研究的曲面压力分布测试系统是建立在u s b 数据采集设备和虚拟仪 器的基础上 根据手持式电动工具手柄的自身特点 进行了系统的研究 主要硬 件平台 软件平台和分析测试三方面进行论述 因此 本论文共分九章 各章内 6 浙江工业大学硕士学位论文 容安排如下 第一章绪论 论述了本课题的研究背景 国内外压力分布测试系统的 研究现状 最后介绍了本论文的研究内容及意义 第二章测试系统的总体方案 首先分析了一般测试系统的功能模块 然后针对手持式电动工具手柄曲面的特征 分析了测试系统各 模块 如传感器 数据接口 a d 芯片和软件平台的选用方案 第三章数据采集系统的硬件设计方案 详细介绍了f l e x i f o r c e 压力传 感器 a d 数模转换器 e z u s b 芯片和c p l d 第四章测试系统的固件和驱动程序设计 包括u s b 固件程学的设计 介绍w d m 驱动程序模型和采集设计的驱动程序设计 第五章在l a b v i e w 中调用动态链接库 介绍了d l l 动态链接库 动 态链接库的编制以及如何调用动态链接库 第六章数据采集软件部分 分三个模块介绍 数据采集模块 数据处 理和分析模块 数据存储和回放模块 第七章测试系统的标定 包括标定的步骤 标定的算法和对测试系统 的评价 第八章试验测试 分两个试验对这套采集系统进行测验 分析操作不 同直径的手柄时 手掌的整体应力变化以及手指的局部应力变 化 第九章总结与展望 对压力分布测试系统的功能扩展进行分析 指出 了该系统在其他领域的应用 1 3 2 研究的意义 理论意义和价值 电动工具的人体工程学与电动工具的产品研究 设计有着 密切的联系 它所要研究解决的并不是电动工具自身的工程设计问题 而是从研 究人的生理和心理两方面着手 探讨适合于人的使用角度 向电动工具设计人员 提供必要的参数和要求 使采用人体工程技术的电动工具不仅要完成特定的功 能 而且要适应各种人体体质的研制条件 提高工作效率 减少人员伤残和经济 损失 因此 在电动工具开发研究中 应用人体工程学原理已成为当今世界电动 7 浙江工业大学硕士学位论文 工具研究的一个热点 应用意义和价值 目前国内关于电动工具手柄的舒适性研究 还局限于依靠 传统经验等定性的分析上 并未建立一套成熟的且针对手持式电动工具手柄的压 力测试系统 本文拟建立一套手柄曲面压力测试系统 该系统结构简单 易于实 现 具有通用性 可用在多种领域进行控制 可以为手持式电动工具的手柄外形 舒适性提供评测 同时也可为手柄的设计提供可靠的依据 8 浙江工业大学硕士学位论文 第二章测试系统的总体设计 手柄曲面压力分布测试系统是测量电动工具操作时 压力舒适性客观评定的 依据和基础 它能够反映出手柄曲面结构以及操作方式等变化时而带来的压力变 化 不同的电动工具 使用的场合不同 对手柄的外形要求也不同 手柄曲面的 形状直接影响操作者的工作效率 只有曲面设计符合操作习惯 工作效率才能大 大提高 工作疲劳度自然也就减少 了 然而在操作电动工具时 人手 表面的复杂性以及人体运动的生 理 物理变化的多样性 给其测量 带来不同程度的困难 随着计算机 技术和传感器技术的发展 逐渐建 立起了一些基于现代测试技术的曲 面压力分布测试系统 为手柄曲面 压力的精确测量提供了依据 通过 对手柄曲面的客观测试 将有助于 深入 系统 数字化地开展手柄操 作舒适性的研究工作 气钉枪电动 工具 如图2 1 所示 2 1 曲面压力分布测试系统的总体方案 图2 1 气钉枪产品图 从信息论的角度来看 不论测试系统的形式怎么变化 基本上都要实现这么 几个基本的信息处理功能 获取 处理 显示表达 存储和传递 7 其功能模块 框图如图2 2 所示 随着技术的进步 现代的测试系统在形式上有很大的改变 传统的测试系统由传感器或仪器获得信号 由专门的测试分析仪进行分析处理 现代测试系统以计算机为中心 用传感器和数据采集器为通道获取信号 由计算 机分析处理信号 用虚拟仪器取代了传统的测量分析仪器 不仅节省了成本 工 作效率得以飞速提高 基本型的现代测试系统包括最基本的模块 模块间通过自 浙江工业大学硕士学位论文 定义的导线相联系 如图2 3 所示嘲 圈吼固 图2 2 一般测试系统的功能模块图 臣丑 匝圃 匝圊 旧 臣丑 匝固咽f 蚓 臣 卜 咂堕 悃 计 虚 算 拟 仪 机 器 图2 3 现代测试系统的流程图 本课题拟开发一套测量手柄的曲面压力分布的系统 利用了虚拟仪器的强大 数据处理功能 实现数据分析和显示 并将计算机与测试系统合为一体 该测试 系统是利用f l e x i f o r e e 压力传感器为工具来测量手柄曲面的指标 经过放大电路 将测量出的物理信号转化成电信号 通过数据采集系统 a d 转换放大后输入到 计算机 由l a b v i e w 对数据进行分析 处理和显示 其系统框架如图2 4 所示 该测试系统由f l e x i f o r c e 压力传感器 放大电路 数据采集卡以及软件系统构成 喇 2 传s 学 匕 p 匕 气 莹 高 o 器 片 r 口 苍 感 啊 器 2 o r 接 r 传 及 感 口 控 器 板 制 器 图2 4 曲面压力分布测试系统总体框架 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 测试系统各模块的选用方案 2 2 1 传感器的选用 由于手柄表面复杂的曲面形状 因此适用于测量手和手柄接触面产生压力的 理想传感器必须有这样的特性 表面柔软 易于弯曲 非常轻薄 易贴于手柄表 面又不会影响操作 有很高的测量精度和线性度 很短的反应时间 适合高频率 的数据采集 方便简捷的连接方式等等 该曲面压力分布测试系统使用t e k s c a n 的f l e x i f o r c e 传感器 它薄如纸张 柔 韧性强 能够测量几乎所有接触面之间的压力 与其他传感器相比 在线性 滞 后 漂移和温度灵敏度方面具有更优良的特性 f l e x i f o r c e 传感器由两层薄膜组 成 每层薄膜上铺设银质导体并涂上一层压敏涂层 两片薄膜压合在一起就形成 了传感器 银质导体从传感点处延伸至传感器的连接端 f l e x i f o r c e 传感器的传 感点在电路中起电阻作用 传感器未受力时 传感点电阻很大 当传感器受力时 传感点的电阻变小 在传感器接头连接电阻表可测量传感点受力时阻值的变化 9 2 2 2 数据接口选用 目前电子白板与电脑连接常见的接口类型有 并口 串口和u s b 接口 1 0 1 并口是并行接口的简称 也称之为i e e e1 2 8 4 目前 并口主要作为打印机 端口 采用的是2 5 针d 形接头 所谓 并行 是指8 位数据同时通过并行线进 行传送 这样数据传送速度大大提高 但并行传送的线路长度受到限制 因为长 度增加 干扰就会增加 数据也就容易出错 串口是串行接口的简称 也有称之为r s 一2 3 2 接口 现在的p c 机一般有两个 串行1 3 c o m l 和c o m 2 串口与并口的不同之处在于它的数据和控制信息是一位 接一位地传送出去的 虽然这样速度会慢一些 但传送距离较并行口更长 因此 若要进行较长距离的通信时 应使用串行口 通常c o m l 使用的是9 针d 形连接器 也称之为r s 2 3 2 接口 而c o m2 有的使用的是老式的d b 2 5 针连接器 也称之为 r s 4 2 2 接口 不过目前已经很少使用 u s b b p u n i v e r s a ls e r i a lb u s 中文名称为通用串行总线 这是近几年逐 浙江工业大学硕士学位论文 步在p c 领域广为应用的新型接口技术 u s b 接口具有传输速度更快 支持热插 拔以及连接多个设备的特点 目前已经在各类外部设备中广泛的被采用 目前 u s b 接口有两种 u s b l i 和u s b 2 0 理论上u s b l 1 的传输速度可以达至r j l 2 m b p s 秒 而u s b 2 o 则可以达到速度4 8 0 m b p s f s k 并且可以向下兼容u s b l 1 科学研究对数据采集的要求日益提高 目前比较通用的是在p c 或工控机内 安装数据采集卡 这些数据采集设备存在以下缺陷 安装麻烦 价格昂贵 受计 算机插槽数量 地址中断资源限制 可扩展性差 在一些电磁干扰性强的测试现 场无法专门对其作电磁屏蔽 导致采集的数据失真 传统的外设与主机的通讯接 口一般是基于p c i 总线 i s a 总线或者是r s 2 3 2 串行总线 p c i 总线虽然具有较高 的传输速度1 3 2 m b p s 不支持即插即用功能 但其缺点是插拔麻烦且扩展槽有限 一般为5 6 个 i s a 总线显然存在同样的问题 r s 2 3 2 串行总线虽然连结简单但其 缺点是传输速度慢且主机的串行数目有限 而u s b 接口具有安装方便 高带宽 易扩展等优点 已经逐渐成为现代数据传输的发展趋势 8 根据压力分布测试系统的测量要求 不仅在速度上达到较高的采样频率 在 测试的过程中 做到即插即用 方便采集 又不易受工作环境的影响 因此 选 用u s b 接口作为整套系统的总线是最合适的 u s b 的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择以满足不同的系 统和部件及相应不同的功能其主要优点可归结为以下几点 l l 1 速度快u s b 有高速和低速两种方式 u s b i 1 主模式为全速模式速率为 1 2 m b p s 另外为了适应一些不需要很大吞吐量和很高实时性的设备如鼠标等 u s b 还提供低速方式速率为1 5 m b s 相比之下串口数据传输率是1 1 5 k b p s 标准 并口的数据传输率为1 m b p s 这些都要低于u s b 的传输速率现在推出的u s b 2 0 协议在理论上其传输率可以达到4 8 0 m b p s 2 设备安装和配置容易 u s b 设备支持即插即用安装u s b 设备不必再打开 机箱加减已安装过的设备 完全不用关闭计算机 所有u s b 设备支持热拔插系统 对其进行自动配置 不再占用中断资源或者d m a 资源 彻底抛弃了过去的跳线 和拨码开关设置 u s b 为连接缆和连接头提供了单一模型解决了外设越来越多造 成的插槽紧张问题 3 易于扩展 用u s b 连接的外围设备数目最多达1 2 7 个 共5 层 所n 5 层是 指从主装置开始 可以经由4 个集线器进行菊花链接 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 4 能够采用总线供电 u s b 总线提供最大达5 v 5 0 0 m a 电流对于功耗较小 的设备来说这是非常有效的 5 使用灵活u s b 共有4 种传输模式 控制传输c o n t r o l 同步传输 s y n c h r o n i z a t i o n 中断传输i n t e r r u p t 批量传输b u l k 以适应不同设备的需要 6 有纠错能力u s b 协议中包含有传输错误管理 错误恢复功能 可根据不 同传输类型来处理错误u s b 即插即用的特点 非常适合自控领域的要求在数据 采集和自动测试中带来很大方便 带u s b 接口的外设既能适用于台式计算机也能 适用于笔记本电脑 给我们带来极大方便 使我们的设备更加具有通用性 2 2 3u s b 接口设计 u s b 接口芯片可以硬件处理u s b l 1 和u s b 2 0 协议 使设计者可专注于其它 功能的设计 从而减少了开发时间 确保了u s b 的兼容性 是实现u s b 总线接 口的一个较好方案 实现u s b 总线接口层设计有三种芯片选择方案 第一种是选用设计成标准 u s b 控制器的低层芯片 例如c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 3 x x x 系列 这类芯片是完全 按照u s b 协议设计的 但由于其结构不同于其它常用控制芯片 开发者需要较长 的学习时间 不利于快速开始一个项目 1 2 第二种是采用具备u s b 通信功能的单片机 例女 i n t e l c y p r e s s 的8 x 9 3 1 c y p r e s s 的e z u s b 这些单片机采用开发者熟悉的结构和指令集 处理能力强 构成系统的电路简单 调试方便 1 3 第三种是采用连接到一般微控制器的接口芯片 例如p h i l i p s 的 p d i u s b d l1 1 2 n a t i o n a l 半导体公司的u s b n 9 6 0 x 等 它可用一般的单片机开发 系统进行开发 不需购买新系统 而且u s b 芯片本身价格较便宜 所以这种接口 方案成本很低 其缺点是需要两个芯片 电路设计和调试比较复杂 接口性能由 于开发者的因素差异较大 由于本系统要兼顾数据采集 处理和通讯等任务 而 且对速度有一定的要求 一般的单片机满足不了要求 本系统选取第二种方案 使用c y p r e s s 的c y 7 c 6 8 0 1 3u s b 接口芯片 其功耗 较低 外围接口功能强 完全可以满足不同要求的采样控制 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 4a d 芯片的选用 在本系统中 若要实现智能控制 需要将被测对象的各种测量数据按要求送 入计算机 由传感器 放大器送出的信号是模拟信号 而送入计算机的应该是数 字信号 因此 在计算机和传感测量电路之间 按要求设置信息传递和转换的装 置 以起到桥梁和纽带的作用 这种装置就是数据采集通道 也就是a d 转换器 本套系统的数据采集设备的核心是模数转换器 它直接影响了整套数据采集设备 的性能指标 所以选择合适的高速模数转换器是至关重要的 它的选择主要看两 个指标 1 4 1 分辨率 分辨率越高 转换时对输入模拟信号变化的反映就越灵敏 分 辨率一般用数字量的位数来表示 如8 位或者1 2 位 2 量程 指所能转换的电压范围 如5 v 1 0 v 等 3 转换时间 完成一次a d 转换所需要的时间 传感器的反应时间 5 微秒 因此单通道的数据采集频率须大于2 0 0 k h z 而 根据测量要求 本系统需配置3 2 通道的数据采集设备 因此该系统选取a d 公司 的a d 7 6 6 3 芯片 它是一款1 6 位 2 5 0 k s p s 低功耗 逐次逼近型模数转换器 a d c 能完全满足测量系统的需求 2 2 5 数据采集系统软件平台的选用 本系统软件设计采用l a b v i e w 平台 l a b v i e w 较其他程序语言的优势在于 数据采集 l a b v i e w 是一个开放式的开发环境 专为简化与各种测量硬件 连接而设计 借助l a b v i e w 中的一些交互式助手 自动代码生成工具及与数千 种仪器轻松连接的驱动程序 数据采集任务要多简单就有多简单 因为l a b v i e w 可提供几乎与所有测量设备的连接 因此可以轻松将新的l a b v i e w 程序应用到 现有的系统中来 而不必损失已有的硬件投资 不论有什么样的硬件需求 l a b v i e w 都可以提供一个接口 轻松连接i o 信号 数据分析 l a b v i e w 软件内置6 0 0 多个分析函数 用于信号生成 频率分析 概率 统计 数学运算 曲线拟合 插值 数字信号处理等等各种数据分析应用 如对灵活性要求较高 还可以方便地把外部软件与l a b v i e w 应用程序结合使用 例如 可以从一个d l l 或第三方软件 如m i c r o s o f te x c e l 或m a t hw o r k s 公司的 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 m a t l a b 软件 环境中调用定制的信号处理或数学函数 数据显示 在对采集到的数据进行分析之后 很可能需要再把数据显示出来 数据显示包括数据的可视化 报告生成 数据存储 网页发布 数据库连接 数 据管理等等 n il a b v i e w 图形化开发环境包括几百种用于数据显示的内建函数 和工具 可以使用各种专用的n il a b v i e w 附加工具增加更多的函数 1 5 1 2 2 6 采集系统软件的方案 曲面压力分布测试系统 是由数据采集 数据分析和处理 数据存储和回放 数据的显示和视频的采集四大模块组成 各个模块结构如图2 5 所示 数据采集模块 a d 参数 采集通道 采样频率和采集方式等设定 数据分析和处理模块 对采集的原始信号进行滤波处理 在时域上进行显示 然后经过傅立叶变换 又在频域上进行显示 数据存储和回放 对采集的信号进行多种格式的输入和输出 电子表格文件 文本文件 数据记录文件 波形文件以及l a b v i e wm e a s u r e m e n t 文件 根据用户 的需要 设定输入和输出的格式 应力云图显示 利用i n t e n s i t yg r a p h 控件 进行二维的应力云图显示 使得 实验结果更直观 图2 5 软件模块结构 浙江工业大学硕士学位论文 第三章数据采集系统的硬件设计 数据采集方案的设计关键是高速a d 的选择和经采样得到的高速数据如何被 送到计算机里进行处理 在本章中将详细介绍关于u s b 数据采集设备硬件部分的 设计 硬件系统以e z u s bf x 2 控制器为核心 系统的框图如图3 1 所示 包括传 感器接口板电路 e z u s bf x 2 接口的硬件电路 数据采集电路等 由e z u s bf x 2 控制器经c p l d 控制电路实现对a d 转换器的控制 模拟信号输入a d 转换器 经 转换后将数据送到e z u s bf x 2 控制器端点缓冲区中 由主机取出数据i l 引 厂 厂 弋 放多电 大路源 电开模 路关块 c 日 n 转 四 勺 换 芯 p o 器 片 图3 1 系统结构框图 3 1f l e x i f o r c e 传感器以及接口电路设计 3 1 1f l e x i f o r c e 传感器属性介绍 本文研究的曲面压力分布测试系统采用的是美国t e k s c a n 公司开发研锖t f l e x i f o r c e 传感器 f l e x if o r c e 传感器的独特之处在于其专利技术 柔性薄膜网格状 触觉压力传感器 这种传感器厚度仅为0 2 0 8m m 且柔性很好 因而为测量各种 接触面之间的压力创造了更好的条 件 与以往传统的测量方法相比 j 鬻爹 7 鼍誊 j冬毒荔 兰三一 茎要曼嫠篓竺竺 i 爹薯 7 睽 魍 直观 方便的压力分布测量工具 爹 一 f l e x i f o r e es e n s o r 外观如图3 2 所图3 2 传感器外观 浙江工业大学硕士学位论文 示 主要感测区域位于前端大小直径为9 5 3n a l l l 的圆形区域 末端输出的三支接 脚则可适用于一般的面包板使用 表3 1 是传感器主要技术指标 表3 1传感器主要技术指标 1 7 1 f l e x if o r c ea 2 01 型压力传感器 厚度 0 2 0 8 m m 长度 2 0 3 m m 主要物理特性 宽度 1 4 m m 有效传感9 5 3 m m 连接器为三个别针 区直径 中间那个无效 线形度 5 可重复性 2 5 反应时间 5 毫秒 典型性能指标 迟滞性 4 5 对数时间 传感器材料 漂移 xc p h 7 0 兄d p i 70 r e s e t c p j 7 0 1 图3 14c p l d 与s l a v e 模式下e z u s b 的引脚连接图 测试系统的硬件实物图 如图3 1 5 所示 图3 1 5 硬件测试平台实物图 浙江工业大学硕士学位论文 第四章测试系统的固件和驱动程序设计 u s b 应用系统软件设计分为三部分 u s b 设备固件 f i r m w a r e 程序 主机 操作系统上的设备驱动程序以及主机应用软件 2 刀 设备固件主要完成对u s b 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a d 转换以及整个电路的初始 化 将采集的数据送入c y 7 c 6 9 0 1 3 的缓冲区发给主机 接收并执行主机指令等 设备驱动程序是用户与底层硬件之间的桥梁 采用w d m w i n d o w sd r i v e r m o d e l 模型 以d d k d e v i c ed r i v e rd e v e l o p e r sk i t 为开发工具 i r p v or e q u e s t p a c k a g e 为消息传递载体 依据用户程序发出的a p i 函数为命令请求 向u s b d 接口发送u r b u s br e q u e s tb l o c k 完成底层采集板与w i n d o w s 系统之间的通 信 4 1u s b 固件程序 设备固件是设备运行的核心 它控制整个硬件系统的运行 并负责处理p c 机发来的各种u s b 请求 以完成它们之间的数据传输 其主要功能包括控制放大 模块 实现通道选择 控制 d 模块的数据采集 通过f x 2 实时上传采集数据给 p c 控制f x 2 芯片接收并处理u s b 设备驱动程序的请求 如设置u s b 接口状态