液压试验机载荷数据采集系统

目录 摘要 . Abstract . 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.1.1 材料试验机的用途与作用 . 1 1.1.2 中国材料试验机的现状 . 1 1.2 材料试验机的种类 . 2 1.3 机械智能化研究的必要性 . 3 1.4 数据采集意义和任务 . 4 1.5 数据采集系统的基本功能 . 4 1.5.1 数据采集 . 4 1.5.2 模拟信号处理 . 4 1.5.3 数字信号处理 . 4 1.5.4 开关信号处理 . 5 1.5.5 二次数据计算 . 5 1.5.6 屏幕显示 . 5 1.5.7 数据存储 . 5 1.5.8 打印输出 . 5 1.5.9 人及联系 . 5 第 二 章 智能载荷采集系统的特点与要求 . 6 2.1 智能载荷采集系统的特 点 . 6 2.2 智能载荷采集系统的性能与要求 . 6 第 三 章 系统总体方案的确定 . 7 3.1 总体设计 . 7 3.1.1 系统方案确定的原则 . 7 3.1.2 系统方案的框图及说明 . 11 3.2 系统主电路设计与说明 . 11 3.2.1 系统主电路硬件设计 . 11 3.2.2 系统主电路的分析与说明 . 13 第 四 章 载荷信号调理与数字化 . 26 4.1 弱信号调理与放大 . 26 4.2 信号传输 . 31 4.3 信号的 A/D 转换处理 . 31 第 五 章 抗拉强度的检测原理与实现 . 35 5.1 抗拉强度的概念 . 35 5.2 抗拉强度智能检测的原理 . 35 5.3 抗拉强度检测程序 . 35 第 六 章 可靠性设计 . 46 6.1 可靠性问题 . 46 6.2 数字电路与模拟电路的供电 . 47 参考文献 . 49 致 谢 附录： 英文技术资料及中文翻译 - II - 摘要 在 各类材料的产品质量检测、生产过程质量控制、材料科学研究及教学试验机中，都必须应用试验机进行力学性能测试。力学性能可以划分为静态性能和动态性能，试验机也可以相应划分为静态试验机和动态试验机。依据测试、应用领域及试验机工作原理的不同，又常常将试验机细分为多种类型，如静态机中有液压专用试验机、液压万能试验机、电子液压万能试验机、电机械试验机、电子拉力试验机及电子万能试验机等；动态机中有电液伺服疲劳试验机、电液伺服拉扭疲劳试验机及电机械蠕变疲劳试验机等。以标准或非标准试样作为被测件的 试验机通常称为材料试验机。本文只讨论液压万能材料试验机。液压万能材料试验机的种类及型号较多，但在机械及建筑业比较常用的规格为： 100KN， 200KN， 500KN 及 2000KN 等。因此，本文讨论的智能载荷采集系统主要用于上述规格机型的改造，但也基本适用于其他规格。 本文讨论的智能载荷采集系统主要完成压力数据的采集，系统的构架采用居于单片机的形式，主要优点是成本低、体积小，便于实现嵌入系统，系统的功能主要包含 3 方面： 1、压力的采集，压力传感器信号经过放大调理后，必须进行 A/D 或 V/F 转换。此系统采用模 /数转换模 块的核心是双积分 A/D 转换电路 ICL7135。 2、数据的传送通信，根据系统的拓扑需要，可以采用 RS-232 串行通信方式。 3、人机交互，通过此系统改造后的试验机，测量精度明显提高，并能自动记录被测试材料的最大压力（最大拉力）、钢材的屈服点参数等。由压力换算出极限强度，将测试结果以及实验组号、试件号、实验时间等通过串行接口发送到上位机，由上位机再做进一步处理。 关键词 单片机；智能载荷；采集系统；试验机 - III - Abstract In all kinds of materials product quality inspection, production process quality control, materials science research and teaching test enginery, must be applied mechanics performance test enginery. Mechanical properties can be divided into static performance and dynamic performance, tester can also be divided into static tester and corresponding dynamic test enginery. Based on testing, application field and test enginery principle is different, and often will test for a variety of types, such as subdivide static machine have hydraulic special test enginery, hydraulic pressureniversal testing machine, electric hydraulic pressureniversal testing machine, electric machinery test enginery, electronic tensile tester and electronic pressureniversal testing machine, etc.; Dynamic machine have electro-hydraulic servo fatigue test enginery, electro-hydraulic servo pull twist fatigue test machine and electric machinery creep fatigue test enginery and so on. Standard or non standard sample as measured by pieces of test enginery often called material testing machine. This paper only discuss the hydraulic universal material testing machine. Hydraulic universal material testing machine type and model of more, but are frequently used in machinery and construction specifications of 100KN, 200KN ， 500KN and 2000KN, etc. Therefore, the paper discusses intelligent load acquisition system which is mainly used in the above specification model transformation, but also basic applicable to other specifications. This article discusses the intelligent load gathering system mainly completes the pressure data gathering, the system skeleton uses based on the monolithic integrated circuit form ,the main merit is the cost low ,the volume is small ,is advantageous for the realization to insert the system ,the system function mainly contains 3 aspect:1、 pressure gathering ,the pressure transmitter signal recuperates after the enlargement ,must carry on A/D or V/F transforms this system to use the mold/number transformation module the core is double integral A/D switching circuit ICL7135 .2、 the data transmission correspondence ,according to the system analysis situs need ,may select the RS-232 serial communication method .3、 man-machine interactive ,after this system transformation testing aircraft ,the measuring accuracy distinct enhancement ,and can the automatic recording test the material the most tremendous pressure ,the steel products the parameter and so on .Converts the ultimate strength by the pressure ,will test the result as well as the experimental group number ,the trial parts number ,the run time and soon transmits through the serial interface to on position machine ,will do again by on position machine further processes . KEYWORDS Single chip micro-computer, Intelligent load, Gathering system, Testing aircraft 第 1 页 共 60 页 第一章 绪论 我们通常所见的试验机实际应叫做材料试验机，它是一种用来验测各种材料式部件的机械物理性能的仪器。 1.1 引言 1.1.1 材料试验机的用途与作用 材料试验机是对材料、零件和构件进行机械性能和工艺性试验的设备。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；在研究新材料、新工艺，也需测定材料的机械性能；对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）有时还需要进行整体试验，以考虑所用材料及工艺设计是否合理等，都需要各种专门的材料试验机来测量相关参数。 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。材料试验机不仅是研究材料机械性能理论的基本手段和依据，也是企业、事业单位目前生产检验的基本手段之一。 总之，材料试验机为合理利用原材料、降低消耗、节约资金、保障安全生产起到 保障作用，同国家经济建设、国防建设、科学研究及人民生活都有密切关系，并随着他们的发展，试验机也必将得到发展。 1.1.2 中国材料试验机的现状 我国计量检测事业的历史悠久，但试验机制造行业在旧中国是空白，中华人民共和国成立后，党和政府十分重视计量检测技术的发展，采用了许多重要措施来发展仪器仪表工业。经过五十多年的努力，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、持久强渡试验机、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。 中国材料试验机的发展阶段是：五十年代使用的材料试验机主要从苏联和民主德国引进，六十年代以仿制为主，七十年代定型大批生产，八十年代开发新产品，九十年代 第 2 页 共 60 页 改革开放吸收国外一些先进技术进行开放。六十年代开始，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，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，基本上满足了国民经济和国防建设的需要。 在九十年代以前，计划经济时代，国内的 试验机企业以国营体制为主。如长春材料试验机、天水红山试验机厂、吴忠材料试验机厂、青山试验机厂、吴忠微型试验机厂、上海试验机厂、济南试验机厂、承德试验机厂、广州测试仪器厂等十多个单位生产不同型号或规格的材料试验机。在计划经济时代，国家按企业分工进行计划生产、计划销售试验机，各企业间也不存在什么竞争，所以国内试验机企业的进步是比较缓慢的，同国外试验机行业相比差距较大。 二十世纪九十年代初，我国实行了市场经济，众多民营企业应运而生。试验机制造行业也和其他行业一样，民营企业登上了试验机行业的舞台。近几年，随着国内试 验机民营企业的不断做强做大，国有企业的改制，中国的试验机行业由原来的国有企业为主逐步演变为以民营企业唱主角的时代。 1.2 材料试验机的种类 万能材料试验是现代电子技术与机械传动技术相结合的产物，是充分发挥了机电各自特长而构成的大型精密测试仪器，可对各种材料进行拉伸、压缩、弯曲、剥离、剪切等多项性能试验，且有测量范围宽、精度高、响应快等特点。工作可靠，效率高，可对试验数据进行实时显示记录、打印。 材料试验机的分类： 材料试验机的分类方法很多，常见的有： a) 按照出力源的类型分主要有电机、液压、气动、电磁等几种； b) 按测量结束的指示类型分主要有数显、指针； c) 按试样所受有载与时间的关系主要有：静态机和疲劳机； d) 按控制方式分主要有开环控制（手动控制）和闭环控制（自动控制），对于闭环控制的控制类型有：速度控制、载荷控制、变形控制、位置控制； e) 按用途分主要有通用机（万能机）、专用机。专用机的种类很多，如：水泥压力机、红砖压力机、线弯曲疲劳机、软忧机、电瓷弯扭机、卧拉等等； f) 按试验方法与试验机一般来说，试验机只有两种：运动方向（或受力方向），一种是拉，一种是压，我们通常所见的拉、压、弯、剪、剥、撕、穿、磨损等等。 液压万能材料 试验机在我国的钢铁、建材、冶金、化工等行业被广泛应用。目前，估计国内已拥有数万台国产及进口的各类试验机，大多为手工控制、操作，主要用于原材料检验、质量监督检验、质量控制及教学，担负着材料或产品的常规力学性能测试， 第 3 页 共 60 页 无法定量地满足 GB22887 标准要求；所以，研制一种适用于液压万能材料试验机的智能载荷采集系统，为材料检测的准确、客观及公正提供技术包张，同时也为质量监督部门和材料用户的数据共享提供一种经济、快捷的途径和手段，显得很有必要，具有良好的经济效益和社会效益。 1.3 机械智能化研究的必要性 21 世纪的世 界经济正面临着重大而深刻的变革，但是制造业作为一个国家技术水平的重要体现，依然是世界各发达国家与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。随着经济全球化以及我国加入 WTO，市场竞争变得越来越激烈，中国制造业面临与国际接轨、参与国际竞争的紧迫形势。国外经验表明，工业化到一定程度以后，工业经济的增长在很大程度上将取决于工业装备水平的提高。在工业装备中，方兴未艾的工程机械又占有极其重要的地位，机群的智能化、系统化是未来机械发展的重要趋势。在未来十年中，我国基础设施将处于前所未有的高速发展阶段：将新建铁 路 1 万余公里；投资 1 万亿元修建公路；在水利建设方面，除小浪底工程外，还有 130 多个水电工程需要建设；此外尚有“西气东输”、“西电东输”、“南水北调”、“青藏铁路”等大型工程。这些均将形成对智能化机械的巨大市场需要。据初步测算，未来五年，国内机械的需求量可达 760 亿元左右。 因此，用信息技术对传统机械产业进行改造提升，发展智能机械与系统，是一个具有行业带动性的，在国家经济建设中具有全局性的重大与迫切问题。为此，在国家“ 863计划”的“先进制造与自动化技术”领域中就设立了“智能机器与系统”专题，并将“智能化机械 ”列为其中的重点项目。 1.4 数据采集意义和任务 回顾 20 世纪科学技术的发展，对人类的经济建设和生活最具影响力的莫过于计算机的发明。特别是自 70 年代初以来，微处理器的问世促使微型计算机技术迅速发展和应用，在世界范围内引起了一场新的技术革命，并推动人类社会进入了信息时代。作为微型计算机应用技术的一个重要分支 数据采集与处理技术，集传感器、信号采集与转换、计算机等技术于一体，是获取信息的重要工具和手段。随着微型计算机的应用与普及，它在科学研究、生产过程等领域中发挥着越来越重的作用。在科学研究中应用数据采集与 处理技术，将提高人们对各种瞬态现象进行研究的能力；在生产过程中应用数据采集与处理技术，将能迅速地对各种工艺参数进行采集，为计算机控制提供必需的信息，从而实现生产过程的自动控制。因此，数据采集与处理技术是机电一体化、智能化仪器仪表、自动控制、计算机应用、设备管理等专业的学生和相关专业的工程技术人员 第 4 页 共 60 页 必备的专业知识。 “数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 计算机技术的发展和普及提升了数据采集系统的技术水平。在生 产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率越高，取得的经济效益就越大。 数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得到所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生 产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。 1.5 数据采集系统的基本功能 由数据采集系统的任务可以知道，数据采集系统具有以下几方面的功能。 1.5.1. 数据采集 计算机按照预先选定的采样周期，对输入到系统的模拟信号进行采样，有时还要对数字信号、开关信号进行采样。数字信号和开关信号不受采样周期的限制，当这类信号到来时，由相应的程序负责处理。 1.5.2. 模拟信 号处理 模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值，即从一个量变到另一个量时中间没有间断，如正弦信号 (t)=Asin(wt+ )。 模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得低电平信号，另一种是由仪器、变送器输出的 010mA 或 420mA 的电流信号。这些模拟信号经过采样和 A/D（模 /数）转换输入计算机后，常常要进行数据的正确性判断、标度变换、线性化等处理。 模拟信号非常便于传送，但它对干扰信号很敏感，容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变。因此，有时还要对模拟信号 做零漂修正、数字滤波等处理。 1.5.3. 数字信号处理 第 5 页 共 60 页 数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是 0 就是 1，这可由脉冲的有无来体现。数字信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。 数字信号是有某些了性的传感器或仪器输出，它在线路上的传送形式有两种：一种是并行方式传送，另一种是串行方式传送。数字信号对传送线路上的不完善性（畸变、噪声）不敏感，这是因为只需检测有无脉冲信号，至于信号的精确性（幅值、持续时间）是无关紧要的。 数字信号 输入计算机后，常常需要进行码制的转换处理，如 BCD 码转换成 ASC码，以便显示数字信号。 1.5.4. 开关信号处理 开关信号主要来自各种开关器件，如按钮开关、行程开关和继电器触点等。开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。 1.5.5. 二次数据计算 通常把直接由传感器采集到的数据称为一次数据，把通过对一次数据进行某种数学运算而获得的数据称为二次数据。二次数据计算主要有：平均值、累计值、变化率、差值、最大值和最小值等。 1.5.6. 屏幕显示 CRT 显示装置可把各种数据以方便于操作者观察的方式显示出来 ，屏幕上显示的内容一般称为画面。常见的画面有：相关画面、趋势图、模拟图、一览表等。 1.5.7. 数据存储 数据存储就是按照一定的时间间隔，定期将某些重要数据存储在外部存储器上。 1.5.8. 打印输出 打印输出就是按照一定的时间间隔或人为控制，定期将各种数据以表格或图形的形式打印出来。 1.5.9. 人机联系 人机联系是指操作人员通过键盘或鼠标与数据采集系统对话，完成对系统的运行方式、采样周期等参数的设置。此外，还可以通过它选择系统功能、选择输出需要的画面等。 第 6 页 共 60 页 第 二 章 智能载荷采集系统的特点与要求 2.1 智能载荷采集系统的特点 对指针示盘式的液压瓦能试验机，必须配置电测传感器，通常有 3 种： 1、用于测定力值的压力传感器或测力传感器； 2、用于测定试样变形的变形传感器（又称引伸计）；3、用于测定及其横梁移动量的唯一传感器。本文讨论的智能载荷采集系统主要完成压力数据的采集；因此，只使用了压力传感器。压力传感器用于改造液压式试验机及某些电子液压式试验机，通过 3 通接头直接加装在及其的油缸、油路系统中，通过压力传感器测量油缸内油的压强，乘上一定的系数（面积），就可以换算出试验机加在试件上的压力。通过油压的变化反映试 样上的力值变化，与原机的测力度盘无关。测试过程中，操作人员可以一边观察力度盘而开、闭油阀，一边用压力传感器反映的力值进行数据采集和处理测试结果。通过此系统改造后的试验机，测量精度明显提高，并能自动记录被测试材料的最大压力（最大拉力）、钢材的屈服点参数等。由压力换算出极限强度，将测试结果以及实验组号、试件号、实验时间等通过串行接口发送到上位机，由上位机再做进一步处理。本仪表记录力值时以千牛（ KN）为单位，极限强度单位为兆帕（ Mpa），两者通过物理量进行换算。 2.2 智能载荷采集系统的性能与要求 按照质量监督 部门及 GB22887 标准的要求，本系统的设计性能如下： 数字显示实验力及峰值等，示值精度为 1%，并能方便检定； 实时记录曲线，采样速率通常为 3 次 /秒，屈服段为 6 次 /秒； 具有抗拉（压）强度（峰值）自动保存功能； 具有实验委托号、组号（组数）及组内试件号等按标准自动生成功能； 具有试件的非标准检测功能（自定义组数、每组试件数等）； 能将实验数据串行传送到上位机，以便上位机处理、上网发布及打印测试报告等； 系统适合长期连续运行； 测试数据及相关数据机内掉电保存，以备查； 可单独使用，也可与上位机联机使用。 第 7 页 共 60 页 第 三 章 系统总体方案 3.1 系统总体方案的确定 3.1.1 系统方案确定的原则 1. 系统构架 系统的构架可以采用基于单片机的形式，也可采用基于 PC 或 IPC 的形式。两种形式各有特点。前者的主要优点是成本低、体积小，便于实现嵌入系统；后者的主要优点是，可利用 PC 系统的各种软件资源实现系统的图形化操作界面等。本系统选用基于单片机的构架方案。 2. 功能实现 系统的功能主要包含三方面： （ 1）压力的采集 压力传感器信号经过放大调理后，必须进行 A/D 或 V/F 转换，才能为系统所接受；因此，必须考虑模拟量到数字量 的实现形式。现将上述两种转换方式加以具体说明。 A/D 方式 A/D 转换器的作用就是将输入的模拟量转换成与其成比例的数字量，实质上， A/D转换器是模拟系统到数字系统的接口电路。一个完整的模数转换过程必须包括采样 保持 量化 编码等四个部分。 采样定理 图 4.1是某一输入模拟信号经采样后得出的波形。为了保证能从采样信号中将原信号恢复，必须满足条件 fs 2fi(max) （ 3.1） 式中： fs为采样频率， fi(max)为输入信号 ui中最高次谐波分量的频率。这一关系称为采样定理。 A/D转换器工作时的采样频率 只有 满足式（ 3.1）所规定的频率要求，才能做到不失真地恢复出原模拟信号。这就像用照相机拍摄世界级运动员跨栏瞬间的镜头一样，如果相机的速度太慢，是无法留住那精彩瞬间的。采样频率越高，进行转换的时间就越短，对 A/D的工作速度要求就越高。一般取 fs=(3 5)fi(max) 第 8 页 共 60 页 采样保持电路 A/D转换器在进行模数转换期间，要求输入的模拟信号有一段稳定的保持时间，以便对模拟信号进行离散处理，即对输入的模拟信号进行采样。 一个实际的采样保持电路 如图 3.2所示。图中 A1、 A2是两个集成运算放大器， S是电子模拟开关， L是控制 S工作状态的逻辑单元电路。 二极管 D1、 D2组成保护电路。保护电路的工作原理是：当Ou比Ou所保持的电压高出一个二极管的正向压降时， D1管导通，Ou被钳位于1Di Uu （ 1DU 为 D1的正向导通压降）。同理，当Ou比Ou低一个二极管的压降时， D2管导通，Ou被钳位于2Di Uu 。保护电路的作用就是防止在 S再次接通以前，iu发生 变化而引起Ou的更大变化，导致Ou与iu不再保持线性关系，并使开关电路有可能因承受过高的Ou电压而损坏。该电路的整个 采样保持过程如下： 当 1Lu 时，电子模拟开关 S闭合。 A1、 A2接成电压跟随器，故输出 iOO uuu 。与此同时，Ou通过电阻 R2对外接电容 Ch充电，使ich uu 。因电压跟随器的输出电阻非常小，故对外接电容 Ch的充电时间很短。 当 0Lu 时，电子模拟开关 S 断开，采样过程结束。由于chu无放电通路，所以chu上的电压值能保持一段时间不变，使采样结果Ou保持下来。 图 3.1 采样波形图 保持 采样 点 t uS O 300 A1 A2 ui 30k L uL uo S D1 D2 R1 图 3.2 采样保持电路 R2 Ch ou 第 9 页 共 60 页 量化与编码 用数字量表示输入模拟电压 Iu 的大小时，首先要确定一个单位电压值，然后用 Iu 与事先确定的单位电压值进行比较，并取比较结果的整数倍值来表示输入模拟电压 Iu 的大小，这样的一个过程称为 量化 。 如果把比较结果的整数倍值用二进制数表示，就称为二进制编码，它就是 A/D转换输出的数字信号。这里用作比较的单位电压值叫做量化单位，用 表示。 由于采样得到的样值脉冲的幅度是模拟信号在某些时刻的瞬时值，它们不可能都正好是量化单位 的整数倍，在量化时，由于舍去了小数部分，因此会产生一定的误差，这个误差称为量化误差。 将模拟电压信号划分为不同的量化等级时，通常有如图 3.3所示的两种方法。 在图 3.3(a)中，假设取基准电压 VREF=1V，并把基准电压 VREF平均分为 8个等份，把0 1V的模拟电压转换成 3 位二进制代码，取最小量化单位 =1/8V，并规定：当模拟量的数值在 0 1/8V之间时，都视为 0 ，用二进制数 000来表示；当模拟量的数值在 1/82/8V之间时，都用 1 代替，用二进制数 001 表示， 等等 。这种量化方法带来的最大量化误差为 V8/1 。若用 n 位二进制数编码，则最大量化误差为 1/2nV。 为了减小量化误差，通常采用图 3.3(b)所示的改进方法来划分量化电平，这种方法是将输出代码 000 所对应的模拟电压范围定为 0 1/15V，对应模拟电压中心值为 0=0V；将输出代码 001 所对应的模拟电压范围定为 1/15 3/15V，对应模拟电压中心值为1 =2/15V；依此类推。 图 3.3 划分量化电平的两种方法 第 10 页 共 60 页 A/D转换器的分类 A/D转换器的种类很多，按其转换过程，大致可以分为直接型 A/D 转换器和间接型A/D转换器两种，如图 3.4所示。 直接型 A/D转换器能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，不需要通过中间 变量 。常用的电路有反馈比较型和并行比较 型两种。 间接 型 A/D转换器是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，然后再对中间变量进行量化编码得出转换结果。 A/D转换方式又有多种方式：并行 A/D转换和双积分 A/D转换等，前者又有并行输出和串行输出之分。并行转换一般适用于变化较快的动态信号，双积分转换一般只适用于变化比较缓慢的信号。在此方式下，必须考虑转换的精度、速度要求，以决定 A/D芯片的位数、转换速率等主要特性。 V/F方式 这种方式的特点是，将模拟信号转换为与之相对应的频带信号。系统通过计数器实现模拟到数字的转换。该方式的最大好处是，便 于实现模拟电路与数字电路之间的光电隔离；缺点是，容易出现漏失而引起转换精度问题。 （ 2）数据的传送通信 在计算机网络的通信中有两种 通信方式，即串行通信和并行通信。串行通信常用于计算机之间的通信 ； 并行通信则一般用于计算机内部之间或近距离设备的传输通信。在串行通信中，还要考虑到通信的方向以及通信过程中的同步和异步传输问题。 根据系统的拓扑需要，可以采用 RS-232 串行通信方式，也可采用 RS-485 或 CAN等现场总线方式。由于本系统是用来改造传统液压万能试验机的，从系统到上位机有一定距离，因此不宜采用并行通信方式 。 （ 3）人机交互 人机交互主要涉及显示和按键电路。对于显示界面，可以采用数码管、液晶模块及其他显示形式。从目前发展趋势看，类似的智能系统采用字符型或图形液晶显示模块比较常见。键盘可采用专用键盘，也可采用 PC 键盘等通用键盘。采用通用的好处是整体图 3.4 A/D转换器分类图 ）频率型（电压双积分型）时间型（电压间接型并行比较型逐次逼近型计数型反馈比较型直接型转换器VFVTDA/ 第 11 页 共 60 页 性价比高，而且便于操作，维护也方便。 3.1.2 系统方案的框图及说明 按照上述思路设计的系统可用图所示的框图形式加以说明。 图 3.5 系统组成框图 试验机回油路上串接的压力传感器输出的 V 级小信号通过屏蔽电缆送入信号放大调理模块，完成信号的放大、滤波及极性转换 等。放大后的模拟信号经数字化模块转化为数字量，传送给单片机。考虑到油压的变化比较缓慢，模 /数转换采用 4 位半积分转换芯片 ICL7135，具有 14 位分辨率。键盘提供人机交互的手段，在软、硬件上采用 PS/2标准，以与 PS/2 键盘接口。图中的数据保存模块具有掉电保护功能，主要是保存当前委托号、采集数据等信息不因断电而丢失。 3.2 系统主电路设计与说明 3.2.1 系统主电路硬件设计 1.微处理器控制模块电路原理图 试验机油路压力传感器放大调理数据保存模拟 /数字转换单片机液晶显示模块键盘接口串行通信接口 上位机 第 12 页 共 60 页 图 3.6 微处理器模块电路原理图 2.双积分模 /数转换接口电路原理图 P101P112P123P134P145P156P167P178RXD10TXD11IN012IN113T115EA/VP31X119X218PSEN29RESET9T014WR16RD17P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728ALE/P30P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P003997C52P1.5P1.6P1.7P1.3C/H1230pFC130pFC2S2+5VMR1VCC2GND3PFI4PFO5WDI6RST7WDO8U2MAX813LRESETS1D14184+5VOE1LE11D13Q12D24Q25D37Q36D48Q49D513Q512D614Q615D717Q716D818Q819VCC20GND10SN74HC373NPPVCCD011D112D213D314D415D516D617D718VCC28CS226A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122OE22WE27CS1206264A8A9A10A11A12A8A9A10A11A12A13A14A15RDRAMT0D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7RTINT1INT0+5V 第 13 页 共 60 页 图 3.7 模 /数转换接口电路原理图 3.PS/2 键盘接口及部件人机界面电路原理图 图 3.8 PS/2键盘接口电路原理图 3.2.2 系统主电路的分析与说明 PA021PA122PA223PA324PA425PA526PA627PA728PC138PC55PC42PC31PB029PB130PB231PB332PB433PB534PB635PB736TMROUT6AD012AD113AD214AD315AD416AD517AD618AD719CE8RD9WR10IO/M7LE11RESET4PC037PC239TMRIN38155D0D1D2D3D4D5D6D7A8ALERESETPC0PC2TINA/B11A21B31Y42A52B62Y7GND83Y93B103A114Y124B134A14OE15VCC16U1574HC157DVCC-1REF2ANLG COM3INT OUT4AUTO ZERO5BUFF OUT6CREF+8CREF-7IN-9IN+10VCC+11D512B113B214B415B816D417D318D219D120BUSY21CLK22POL23DGND24RUN/HOLD25STB26OVR27UNR28U8ICL7135CNVCCB1PC2B3G1G2G3G4G1G2G3G4-5V+5VCLCL123U16MC14030.1uFC461uFC4710KR18+5VAGNDC/H100KIN1uFC390.47uFC8100KR16100KR3100KR1D24148GAND1uFC401uFC42AGNDAGNDB3B2B4B1B2B4G1G7G6G5 G7G6G5OE11A12A24A36A48Y412Y314Y216Y118Y83Y75Y67Y59GND10A511A613A715A817OE219VCC20U1274HC244CLR9CLK8A1B2QA3QB4QC5QD6QE10QF11QG12QH13VCC14GND7U114HC164D0D1D2D3D4D5D6D7Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8 Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8VCC654U9B74HC32KEYRD51234CZ6KEY2.2KR4Res22.2KR9Res22KR11Res220pFC9Cap20pFC10Cap0.2uFC24Cap21U10A4010643U10B40106