嵌入式杯突试验机测控系统设计与实现

摘要：针对目前国内杯突试验机测控系统成本高、功耗大的缺点，提出了一种基于嵌入式的杯突试验机测控系统的设计方案。该方案以S3C2440微处理器为核心并增加了相关外围电路，设计了相关驱动程序并且移植和裁剪了Linux操作系统，使用多线程技术开发应用程序并与SQLite数据库相结合实现了对杯突试验机的控制及试验数据的自动采集、存储与管理。该系统充分发挥了嵌入式系统体积小、功耗低和专用性强的特点，具有较高的应用价值。
关键词：杯突试验机；嵌入式；光栅尺；LS7266R1；ADS7842

0 引言
杯突试验机是对金属薄板和带材进行延展性试验的专用设备，也是目前国内评定金属材料塑性变形性能的惟一设备，主要用于检验各种金属薄板在试验过程中的塑性变形性能及有色金属薄板的各项异性。近年来，随着我国科技力量的不断提升，金属材料的生产加工工艺也取得了长足的进步，为了获得新工艺下材料的各项性能，杯突试验机得到了更加广泛的应用。
目前国内的杯突试验机测控系统大多是以PLC、人机界面和计算机相结合的方式。这种方式主要存在以下缺点：生产成本高、功耗大、试验操作台与计算机终端的分离给操作人员带来了很大的不便。
针对以上缺点，本文将目前日益成熟的嵌入式技术应用到杯突试验机测控系统的改造中，设计了一种基于嵌入式的杯突试验机测控系统。该系统能够在确保试验数据精度的同时，充分发挥嵌入式系统体积小、功耗低、专用性强以及可靠性高等特点，具有较高的应用价值。

1 杯突试验机组成及工作原理
杯突试验机主机组成：杯突试验机主要由油泵、溢流阀、电磁换向阀、节流阀、冲力阀、单向阀、工作缸、活塞、冲压力传感器、压边力传感器、光栅位移传感器以及电气控制装置等组成。其中，电气装置主要由控制电路、继电器、直流电源、电流信号转换器等构成。
杯突试验机工作原理：当启动夹紧油泵时，油经换向阀、调速阀流向夹紧油缸，推动大活塞上升，使夹模将试样夹紧；然后启动冲压油泵，油经换向阀、调速阀流向冲压油缸，推动小活塞上升，使球形冲头压入试样；当试样在全厚度上出现穿透裂缝时，冲压负荷下降，此时冲头压入试样的深度即为试样的杯突值，然后两换向阀同时换向，油泵的油流回油池，使冲头、垫模下降，当活塞落底时结束所有操作动作，完成试样杯突值的一次检测。

2 系统分析
测控系统需要完成如下两大功能：一是控制试验机完成相关的试验操作并能实时采集试验数据；二是试验数据的保存、查询、编辑及打印等。现将整个测控系统划分为以下四个部分：主控制器单元、数据测量单元、电气控制单元以及杯突试验机主机。系统的整体结构如图1所示。

主控制器单元是整个测控系统的核心，其核心电路是ARM9核心板，使用了三星公司的S3C2440芯片，主频可达400MHz，其内部集成了A／D、LCD触摸屏、GPIO、USB以及网络等接口。该单元通过系统总线和GPIO接口实现数据的采集并完成对试验机的控制。用户通过触摸屏与测控系统的应用程序进行交互，控制试验机的整个工作过程、完成数据的采集以及试验数据的存储和管理等操作；通过网络接口实现与上位机或服务器之间数据的上传与下载；通过USB接口完成试验数据的打印。
电气控制单元主要包括继电器和相应的驱动电路，其主要任务是根据微处理器发出的命令控制试验机的机械装置，完成整个试验过程。根据试验机的工作原理，一次完整的试验需要发出以下六个操作指令：夹紧油泵工作、夹紧电机工作、冲压电机工作、冲压油泵工作、夹紧换向阀换向、冲压换向阀换向，这些操作指令分别对应6个开关量信号。微处理器发出的这些开关量信号通过GPIO口驱动继电器从而控制试验机内部各机械装置来完成整个试验过程。
数据测量单元包括两种传感器和对应的测量电路。这两种传感器分别是光栅尺和压力变送器。前者用来测量试样的杯突值，后者用来测量夹紧力值和冲压力值。
试验机主机主要包括油泵、溢流阀、电磁换向阀、节流阀、冲力阀、单向阀、工作缸、活塞等机械装置。

3 系统硬件设计
3．1 杯突值测量电路
冲头压入试样的深度即试样的杯突值是通过固定在冲头上的光栅位移传感器(以下简称光栅尺)来测量的。光栅尺是一种利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，其输出的信号为数字脉冲，具有测量范围大、精度高、响应速度快等特点。
光栅尺信号的采集一般分为滤波整形、鉴相、倍频、计数等几个步骤。本系统将光栅尺输出的相位相差90°的A，B正交编码脉冲信号经过光电耦合器隔离、电平转换及滤波整形后送入LS7266R1芯片，LS7266R1通过8位数据总线将计数结果送给嵌入式微处理器进行处理。
LS7266R1是美国LSI公司开发的24位双轴正交信号鉴相芯片，该芯片将倍频、细分、鉴相、计数集成到一起，不仅具有良好的抗干扰能力和较高的测量精度，而且也大大简化了光栅尺传感器接口电路的设计。芯片内部含有2个正交信号鉴相模块(X和Y)，每个正交信号鉴相模块内都包含了各自的寄存器，可以同时对两组正交信号进行处理，本系统中只需对一组正交信号进行处理。另外，通过对LS7266R1的计数模式寄存器(CMR)的设置将计数模式设置为四倍频正交模式以提高计数精度。
3．2 压力测量电路
本系统采用中航第十一研究所的DaCY420压力变送器来测量被测试样的夹紧力和冲压力值，两个变送器的量程分别为0～2．5 MPa和0～10 MPa，输出标准的4～20 mA电流信号。S3C2440内部集成的ADC只有10位的分辨率，转换精度不足，为此本系统使用了TI(德州仪器)公司的4通道12位的ADS7842作为A／D转换器。该转换器能在2 mW的功耗下以200kHz的采样率同时进行4通道信号采样，本系统使用其中的两个通道。由于压力变送器输出的是电流信号，需要转换为电压信号才能被ADS7842测量，此处使用电流转电压芯片RCV420将4～20 mA电流转换为0～5 V电压后接入ADS7842。ADS7842接口电路如图2所示，GPG13用于通道选择，低电平时选择AIN0，高电平时选择AIN1。BUSY作为转换完成的标志位，输出高电平表示A／D转换完成。