嵌入式杯突試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)目前國內(nèi)杯突試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)成本高、功耗大的缺點(diǎn)，提出了一種基于嵌入式的杯突試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案以S3C2440微處理器為核心并增加了相關(guān)外圍電路，設(shè)計(jì)了相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序并且移植和裁剪了Linux操作系統(tǒng)，使用多線程技術(shù)開發(fā)應(yīng)用程序并與SQLite數(shù)據(jù)庫相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)杯突試驗(yàn)機(jī)的控制及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)與管理。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低和專用性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：杯突試驗(yàn)機(jī)；嵌入式；光柵尺；LS7266R1；ADS7842

0 引言
杯突試驗(yàn)機(jī)是對(duì)金屬薄板和帶材進(jìn)行延展性試驗(yàn)的專用設(shè)備，也是目前國內(nèi)評(píng)定金屬材料塑性變形性能的惟一設(shè)備，主要用于檢驗(yàn)各種金屬薄板在試驗(yàn)過程中的塑性變形性能及有色金屬薄板的各項(xiàng)異性。近年來，隨著我國科技力量的不斷提升，金屬材料的生產(chǎn)加工工藝也取得了長足的進(jìn)步，為了獲得新工藝下材料的各項(xiàng)性能，杯突試驗(yàn)機(jī)得到了更加廣泛的應(yīng)用。
目前國內(nèi)的杯突試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)大多是以PLC、人機(jī)界面和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方式。這種方式主要存在以下缺點(diǎn)：生產(chǎn)成本高、功耗大、試驗(yàn)操作臺(tái)與計(jì)算機(jī)終端的分離給操作人員帶來了很大的不便。
針對(duì)以上缺點(diǎn)，本文將目前日益成熟的嵌入式技術(shù)應(yīng)用到杯突試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)的改造中，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式的杯突試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度的同時(shí)，充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低、專用性強(qiáng)以及可靠性高等特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 杯突試驗(yàn)機(jī)組成及工作原理
杯突試驗(yàn)機(jī)主機(jī)組成：杯突試驗(yàn)機(jī)主要由油泵、溢流閥、電磁換向閥、節(jié)流閥、沖力閥、單向閥、工作缸、活塞、沖壓力傳感器、壓邊力傳感器、光柵位移傳感器以及電氣控制裝置等組成。其中，電氣裝置主要由控制電路、繼電器、直流電源、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。
杯突試驗(yàn)機(jī)工作原理：當(dāng)啟動(dòng)夾緊油泵時(shí)，油經(jīng)換向閥、調(diào)速閥流向夾緊油缸，推動(dòng)大活塞上升，使夾模將試樣夾緊；然后啟動(dòng)沖壓油泵，油經(jīng)換向閥、調(diào)速閥流向沖壓油缸，推動(dòng)小活塞上升，使球形沖頭壓入試樣；當(dāng)試樣在全厚度上出現(xiàn)穿透裂縫時(shí)，沖壓負(fù)荷下降，此時(shí)沖頭壓入試樣的深度即為試樣的杯突值，然后兩換向閥同時(shí)換向，油泵的油流回油池，使沖頭、墊模下降，當(dāng)活塞落底時(shí)結(jié)束所有操作動(dòng)作，完成試樣杯突值的一次檢測。

2 系統(tǒng)分析
測控系統(tǒng)需要完成如下兩大功能：一是控制試驗(yàn)機(jī)完成相關(guān)的試驗(yàn)操作并能實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)；二是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存、查詢、編輯及打印等?，F(xiàn)將整個(gè)測控系統(tǒng)劃分為以下四個(gè)部分：主控制器單元、數(shù)據(jù)測量單元、電氣控制單元以及杯突試驗(yàn)機(jī)主機(jī)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主控制器單元是整個(gè)測控系統(tǒng)的核心，其核心電路是ARM9核心板，使用了三星公司的S3C2440芯片，主頻可達(dá)400MHz，其內(nèi)部集成了A／D、LCD觸摸屏、GPIO、USB以及網(wǎng)絡(luò)等接口。該單元通過系統(tǒng)總線和GPIO接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并完成對(duì)試驗(yàn)機(jī)的控制。用戶通過觸摸屏與測控系統(tǒng)的應(yīng)用程序進(jìn)行交互，控制試驗(yàn)機(jī)的整個(gè)工作過程、完成數(shù)據(jù)的采集以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理等操作；通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)或服務(wù)器之間數(shù)據(jù)的上傳與下載；通過USB接口完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的打印。
電氣控制單元主要包括繼電器和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，其主要任務(wù)是根據(jù)微處理器發(fā)出的命令控制試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械裝置，完成整個(gè)試驗(yàn)過程。根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的工作原理，一次完整的試驗(yàn)需要發(fā)出以下六個(gè)操作指令：夾緊油泵工作、夾緊電機(jī)工作、沖壓電機(jī)工作、沖壓油泵工作、夾緊換向閥換向、沖壓換向閥換向，這些操作指令分別對(duì)應(yīng)6個(gè)開關(guān)量信號(hào)。微處理器發(fā)出的這些開關(guān)量信號(hào)通過GPIO口驅(qū)動(dòng)繼電器從而控制試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部各機(jī)械裝置來完成整個(gè)試驗(yàn)過程。
數(shù)據(jù)測量單元包括兩種傳感器和對(duì)應(yīng)的測量電路。這兩種傳感器分別是光柵尺和壓力變送器。前者用來測量試樣的杯突值，后者用來測量夾緊力值和沖壓力值。
試驗(yàn)機(jī)主機(jī)主要包括油泵、溢流閥、電磁換向閥、節(jié)流閥、沖力閥、單向閥、工作缸、活塞等機(jī)械裝置。