建軍

(江漢大學(xué)物理與信息學(xué)院 武漢 430056)

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成,由于系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行速度、靈敏度、穩(wěn)定性及抗干擾等方面的要求,選用一般個(gè)人計(jì)算機(jī)作為上位機(jī),進(jìn)行虛擬儀器labV iew程序的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)、以C8051F020作為下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并通過(guò)USB將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī).

下位機(jī)采用功能強(qiáng)大、自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊和USB通信模塊的C8051F020.實(shí)現(xiàn)扭簧數(shù)據(jù)的采集和控制[1-2].系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2路檢測(cè)信號(hào)為轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)和光電編碼器信號(hào).路角位移傳感器(光電編碼器)將一個(gè)輸出脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)于一個(gè)增量位移,另一路由其加計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),通過(guò)信號(hào)調(diào)理,進(jìn)入C8051F020進(jìn)行處理,換算成扭簧的角度,轉(zhuǎn)矩傳感器將扭簧的扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為與其成線性關(guān)系的電信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量.

1.1 C8051F020單片機(jī)模塊

C8051F020器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片,具有 64個(gè)數(shù)字I/O引腳,高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051兼容的 CIP-51內(nèi)核 ,自帶12位8通道ADC.

本設(shè)計(jì)所采用的主控制器為C8051F020,它與普通51單片機(jī)兼容,不同的是帶有內(nèi)部ADC,十分適合用來(lái)實(shí)現(xiàn)此次設(shè)計(jì)中的相關(guān)功能.采用內(nèi)部集成模塊,不僅大大簡(jiǎn)化了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì),而且增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

與C8051F020連接的是放大芯片AD620,光耦濾波芯片6N138,液晶與鍵盤(pán).由傳感器來(lái)的微弱信號(hào)需要進(jìn)行放大,以提高信號(hào)分辨率.為了達(dá)到最高的測(cè)試精度,應(yīng)該使被測(cè)信號(hào)的電壓變化范圍被放大至ADC的最大量程附近,這樣可以提高測(cè)量精度.在本文的設(shè)計(jì)中,采用了AD620作為放大芯片,AD620是一種低功耗的儀用放大器,特別適合做小信號(hào)的前置放大級(jí),經(jīng)AD620放大后的小信號(hào)失真度很小.圖2所示為信號(hào)濾波與放大電路圖.

圖3所示為AD620儀表放大器的腳位圖.其中1,8引腳要跨接一個(gè)電阻來(lái)調(diào)整放大倍率,4,7引腳需提供正負(fù)相等的工作電壓,由 2,3引腳輸入的放大的電壓即可從引腳6輸出放大后的電壓值.引腳5則是參考基準(zhǔn),如果接則引腳6的輸出即為與地之間的相對(duì)電壓.AD620的放大增益關(guān)系式如式(1)、式(2),借由該等式,可以推算出各種增益所需要電阻的阻值.

放大倍數(shù)

阻值取值

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部連接圖

圖3 管腳圖

AD620的基本特點(diǎn)為精確度高、使用簡(jiǎn)易、低噪聲,應(yīng)用十分廣泛,其增益范圍:1～1 000,電源供應(yīng)范圍:±2.3～ ±18 V,耗電量極低,僅為1.3 mA,在本次設(shè)計(jì)中,轉(zhuǎn)矩傳感器發(fā)出的是mV級(jí)的電壓,C8051F020中,AD的參考電壓為2.5 V,故G取50,RG=1 KΩ.

1.2 隔 離

光電編碼器輸出的是脈沖信號(hào),對(duì)于脈沖信號(hào)采用光電隔離的方法進(jìn)行采集,隔離也是信號(hào)調(diào)理中的一種.由于光耦合器件輸入輸出間采用光傳輸信號(hào),傳數(shù)據(jù)有單向性的特點(diǎn),輸入輸出完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離,從安全的角度把傳感器信號(hào)同計(jì)算機(jī)隔離開(kāi),因?yàn)楸槐O(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬時(shí)高電壓.另一個(gè)原因是隔離可使從數(shù)據(jù)采集板出來(lái)的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響.當(dāng)輸入DAQ板的信號(hào)與原始的信號(hào)不共地時(shí),可能產(chǎn)生較大誤差甚至損壞系統(tǒng),而用隔離辦法就能保證信號(hào)準(zhǔn)確,因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力[3-4].

6N138 作為光耦合器件適合對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行隔離,6N138光耦是由A lGaA s LED和一個(gè)大增益分離達(dá)靈頓光電檢測(cè)器耦合組成的(如圖4,5),分離的達(dá)靈頓檢測(cè)器是由輸入的發(fā)光二極管和來(lái)自輸出晶體的一級(jí)增益構(gòu)成的,輸出晶體允許比傳統(tǒng)的達(dá)靈頓光耦更低的輸出飽和電壓和更高轉(zhuǎn)換速度,當(dāng)輸出需要兼容CMOS和TTL的電平時(shí),0.5 mA的低輸入電流和2 000%的高電流轉(zhuǎn)換率的結(jié)合使該器件對(duì)于MOS,CMOS,LSTTL and EIA RS232C這些電平是很有用的.6N138在系統(tǒng)中的接法如圖6所示.

圖4 6N138引腳圖

圖5 6N138內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖6 6N138在系統(tǒng)中的接法

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.1 下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)要求的功能多,所以軟件設(shè)計(jì)比較復(fù)雜.為使程序清晰、明了、更有于修改和維護(hù),單片機(jī)系統(tǒng)軟件采用模塊式結(jié)構(gòu),選用了C語(yǔ)言進(jìn)行編程.程序的易編性與易讀性好,便于調(diào)試、修改和功能擴(kuò)充.

各個(gè)功能模塊的硬件設(shè)計(jì),構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的物理基礎(chǔ).各功能模塊需要在一定的軟件程序控制之下才能完成自身功能并且協(xié)調(diào)工作.要使各功能模塊協(xié)調(diào)配合,真正地運(yùn)作起來(lái),還必須由軟件將它們連成一個(gè)有機(jī)整休,整個(gè)系統(tǒng)才能協(xié)調(diào)完成指定的功能,并具有“自動(dòng)化”、“智能化”的特點(diǎn).

本系統(tǒng)軟件可分為以下幾個(gè)主要模塊:主程序、系統(tǒng)初始化、鍵盤(pán)掃描、液晶顯示、數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等.程序流程圖如圖7所示.

圖7 程序流程圖

2.2 上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用 LABVIEW軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)扭簧的測(cè)試,該軟件是運(yùn)用圖形化編程語(yǔ)言LabV IEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),在程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程中運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)思想,根據(jù)不同功能的需要,分別組建各種功能模塊,本系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、結(jié)果顯示模塊,其界面設(shè)計(jì)如圖8所示[5-6].

利用LABV IEW軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)扭簧測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)測(cè)控程序.實(shí)現(xiàn)的主要功能有:(1)顯示扭簧角度動(dòng)態(tài)變化過(guò)程以及轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)測(cè)量值;(2)按類(lèi)型和編號(hào)等參數(shù)對(duì)扭簧的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存,生成歷史數(shù)據(jù)庫(kù).取得權(quán)限的操作人員可以對(duì)扭簧的試驗(yàn)理論參數(shù)進(jìn)行處理;(3)根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)生成報(bào)表和扭簧力矩-角位移關(guān)系曲線,并可打印;(4)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作.人機(jī)對(duì)話(huà)界面有參數(shù)設(shè)置界面、扭簧試驗(yàn)數(shù)據(jù)界面、報(bào)表界面等,參數(shù)設(shè)置界面要求用戶(hù)設(shè)置類(lèi)型和編號(hào)等參數(shù).如果參數(shù)設(shè)置不正確,計(jì)算機(jī)將發(fā)出提示信號(hào).同時(shí)操作人員可以對(duì)彈簧的試驗(yàn)理論參數(shù)進(jìn)行修改,修改后的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存.保存數(shù)據(jù)為二進(jìn)制格式,并釋放串口資源.各節(jié)點(diǎn)之間使用事件結(jié)構(gòu)設(shè)置,前面板和框圖同步執(zhí)行,節(jié)省了CPU資源.

圖8 LabV IEW界面設(shè)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及指標(biāo)分析

3.1 扭簧扭角實(shí)測(cè)結(jié)果

表1 扭角實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較

3.2 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

對(duì)扭簧測(cè)試儀器設(shè)計(jì)了共用的測(cè)量電路接口,以先進(jìn)的數(shù)字化采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)代替了原機(jī)械測(cè)量系統(tǒng).從性能指標(biāo)上分析,扭簧測(cè)試儀器達(dá)到了測(cè)量±1%以?xún)?nèi)、扭簧測(cè)試儀器達(dá)到了±1%以?xún)?nèi).并且引入微機(jī)處理系統(tǒng),具有測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理等功能,功能指標(biāo)大大增強(qiáng).因此,扭簧測(cè)試機(jī)系統(tǒng)的研制獲得了滿(mǎn)意的結(jié)果.

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文以測(cè)量扭簧轉(zhuǎn)矩性能測(cè)試裝置的研制項(xiàng)目為背景,圍繞扭簧的扭矩和角度測(cè)試及自動(dòng)篩選問(wèn)題,研究并解決模擬信號(hào)和脈沖信號(hào)處理的技術(shù)難題,設(shè)計(jì)相關(guān)電子電路.在軟件方面,下位機(jī)和LabVIEW的編程使用了C和G(graphic)這2種流行語(yǔ)言.全文從整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)出發(fā),設(shè)計(jì)了系統(tǒng)方案并進(jìn)行了分析.系統(tǒng)從響應(yīng)用戶(hù)輸入,到檢測(cè)扭簧參數(shù),到比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),再到結(jié)果判斷并輸出,實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制.

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