（工程力学专业论文）电子拉力试验机计算机测控系统的研制与开发.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 y 3 2 1 8 9 9 摘要 本文详细地论述t n 用现代微机、电子、传感器技术对旧式拉力试验机的改造方 法和过程，包括所选用的传感器的工作原理、使用范围，以及m c s - - 5 i 单片机的键盘、 显示及串行通信接口，着重讨论了信号调理和a d 转换，介绍了用可编程逻辑器件 旦也实现数字位移传感器的方法，并使用变频调速的方法控制交流电机转速。通过 研制开发，使改造后的拉力试验机成为一台智能仪器。 关键字：试验机传感器单片机* f i n n信号调理 a d 转换p l y ( 变频调速智能仪器 a b s t i 认c t i nt h i st h e s i s ，am e t h o db a s e do nm o d e r nt e c h n o l o g yo fm i e r o c o m p u t e r ， e l e c t r o n ic sa n dt r a n s d u c e r ，w h i c hisu s e df o rt h ei m p r o v e m e n to fo ldt y p eo f t e s tm a c h i n e ，i sd i s c u s s e di nd e t a i l s i ti n c l u d e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n d t h e u s i n gr a n g eo ft h et r a n s d u c e r u s e da n dt h ei n t e r f a c eo ft h em c s 一5 i s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e ro fk e y b o a r d ，d i s p l a ya n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h e t h e s i sf o c u s e st h ed i s c u s s i o no ns i g n a lp r o c e s sa n da dc o n v e r s i o n m o r eo v e r i ti n t r o d u c et h em e t h o dt or e a l i z e d i g i t a ld i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e rw i t h p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，a n dc o n t r o l 1i n ga cm o t o rs p e e dw i t hv a r i a b l e f r e q u e n c y t h r o u g hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，w ef i n a ll yt u r nt h ee l e c t r i c t e n s i o nt e s tm a c h i n ei n t oas m a r ti n s t r u m e n t k e y w o r d ：t e s tm a c h i n et r a n s d u c e r s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r s e r i a lc o m m u n i c a t i o n s i g n a lp r o c e s sa dc o n v e r s i o n p l dv a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e dc o n t r o l s m a r ti n s t r u m e n t 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 材料试验机从最简单的砝码加荷到以数字化技术为特征的各种材料试验机，在国 外已有二百多年历史。试验机制造业已成为一个独立的行业，试验机技术也成为一 个国家工业发展水平的标志。 我国在短短四十多年里，从无到有建立了完备的试验机制造工业。正在努力接近 世界先进水平。但受到工业发展水平的限制，仍有许多产品停留在杠杆摆锤测力系 统的水平，占绝大多数的是低档试验机。他们担负着中小型企业的质量管理工作和 学校的教学工作，是我国工业产品质量保证的基础。但与国际试验技术和试验机水 平相比，具有显著的差距。 现在，计算机已广泛地应用于各种行业。1 9 8 7 年国家颁布了g b 2 2 8 8 7 金属拉 伸试验方法新标准。 日试验机的测量系统不能满足新标准的要求。我国数万台低 档试验机在新国标的促进下，必须改造。利用电子和计算机技术改造试验机非常适 合我国国情，有很广阔的市场前景。 我校测试工程系材料力学教研室有多台拉伸试验机。有的仅存机械结构和调速电 机，有的不能调整拉伸速率，因此需要全面改造。一般来说，进口的同类产品需4 0 5 0 万人民币每台，国内的产品也要1 6 万人民币左右。而自行改造一台试验机需要2 3 万元人民币，可以为学校节省一笔经费。 1 2 国内外试验机发展状况 材料试验机的核心是测量技术，它经历了：简单测力；测力和位移：力和变形的 数字化测量：加载速率的受控测量几个阶段。在计算机应用与测量智能方面，测量 装置经历了：单板机为主体；单片机为主体；p c 机为主体等几个阶段。国际上最具 有代表性的试验机除采用了数字化测量技术外，并可附加计算机进行数据监控和数 据管理，反映了试验机测量技术的最新动态。 电子拉力试验机作为一种精密测试仪器，要测量控制力、变形、试验速度、应力 应变速率等多种参量，试验前要对各测控单元进行适当的设置和调节，试验时能在 标准规定的范围内灵活调整速率，并具有显示和记录装置，满足标准要求的各种力 学性能测量。这些功能本身决定了其操作和数据处理是比较复杂的。电子拉力试验 电子拉力试验机计算机测控系统的研制与开发 机对于材料科学的发展、工业产品、工程结构设计、改进工艺、有效地使用材料、 减低产品重量和缩小体积、提高产品质量、降低成本以及保证产品安全可靠、提高 使用寿命等都具有极其重要的作用。而计算机技术在电子拉力试验机上的应用，加 速了它的发展。 1 2 1 国外电子拉力试验机发展情况 国外电子拉力试验机经过四十年的发展，先后推出四代产品，即：第一代为电子 管与晶体管模拟时代；第二代为集成电路模拟时代；第三代为数字时代；第四代为 计算机时代。比较有代表性的厂家有英国的i n s t r o n 公司和日本岛津制作所。 七十年代末，计算机技术在电予拉力试验机中的商品化应用以i n s t r o n 公司的 l1 0 0 系列、岛津制作所的d c s 系列产品为代表。其结构是试验机通过a d 、z o 等 式外接微机系统、利用微机的软硬件环境，开发试验程序，这种结构具有比较全 面的计算功能和简单的控制功能，有的产品提供了专门的试验语言，使产品功能具有 一定的可扩展性。但控制参量的设置、测量单元的初始调节还是要通过控制柜手动 进行，操作比较复杂。 八十年代初，岛津制作所推出了a g a 系列电子万能试验机。该产品采用控制单 元内装微处理器的形式。各单元由主从c p u 分别管理，控制操作由原来的控制柜按 钮、旋钮方式改为台面键盘方式，测量单元的满程零点标定由c p u 控制自动完成， 各种参量可以数字方式输入，并有人机对话功能，使操作更加简单、直观。由于采 用单片机技术，a g a 实现了测控单元的数字化和简单的硬件结构，从而提高了产 品的可靠性，但由于只装有1 2 6 k 内存，其数据处理能力比较简单，且不易扩展。 八十年代中后期推出的i n s t r o n 4 3 0 0 和岛津a g e 以及九十年代推出的 i n s t r o n 8 5 0 0 等产品，综合了以上两类产品的优点，一方面测控单元采用单片机技 术，另一方面利用g p l 8 总线通讯方式连接微机系统使产品既有方便的测控调节功 能，又有丰富的数据处理功能。充分发挥了微处理器的小型性和灵活性以及计算机 的数据处理和管理特征。 l 。2 2 国内电子拉力试验机发展情况 国外电子拉力试验机的发展也推动着我国电子拉力试验机的发展。无论是技术开 发，还是产品性能指标，我国研制开发的电子拉力试验机的历程基本遵循前述几个 发展阶段，只是时间上有迟后。 我国六十年代研制开发电子拉力试验机，最初是由长春试验机研究所研制的定型 产品w d 系列，先后移植给宁夏青山试验机厂，广州试验仪器厂。目前，国内市场生 产电子拉力试验机的厂家比较多，有长春试验机研究所生产的c s s i l o o c 、c s s - - 2 2 0 0 c 系列、宁夏青山试验机厂、广州试验仪器厂w d 系列、长春市第二试验杌厂三 南京航空航天大学硕士学位论文 思公司c m t 5 0 0 0 系列等许多厂。这些厂生产的产品技术水平相差较大，在国内较有 代表性的产品是c c s - - 2 2 0 0 系列。 1 3 电子拉力试验机计算机测控系统简介 1 3 1 系统的工作过程 传感器输入信号先在过程输入通道的预处理电路中进行变换、放大、整形、补偿 等处理。对于模拟信号，需经模拟量通道的a d 转换器转换成数字信号，再通过接 口送入主机。由c p u 对输入数据进行加工处理、计算分析等一系列工作，并将运算 结果存储在r a m 中。同时可通过接口送至显示器或打印机，也可输出开关信号量和 经模拟量通道d a 转换器转换成模拟量的信号。还可通过串行标准接口实现数据通 信，完成更复杂的测量、控制任务。系统的工作是在软件控制之下进行的，工作程 序应预先编制好，写入e p r o m 中。必要的参数、命令可由键盘输入。工作过程中的 数据能够显示、绘制曲线和存盘。 图1 1 系统基本组成框图 1 3 2 系统的基本组成 电子拉力试验机计算机测控系统的基本组成如图卜1 所示。 在硬件方面，为了减少p c 机内部电源对测量电路的干扰，我们采取了以单片机 为主的方案，整个系统中既可由单片机独立完成试验，又可以单片机与p c 机通信实 电子拉力试验机计算机测控系统的研制与开发 现全部功能。为此，我们选用m c s 一5 l 单片机作为系统的核心部件。它硬件结构简 单、运算速度高、控制功能强、可靠性高。系统扩展方便、容易。系统中包括a d 接口( a d 5 7 4 a ) 、串行通信接口、键盘显示器驱动接口( 8 2 c 7 9 ) 和变频调速器等。 在软件方面，包括监控程序、中断处理( 服务) 程序以及实现各种算法的功能模 块。监控程序是系统软件的中心环节，它接受和分析各种命令，并管理和协调整个 程序的执行：中断处理程序是在人机联系部件或其它外围设备提出中断申请，并为 主机响应后直接转去执行，以及时完成实时处理任务；功能模块用来实现系统的数 据处理和控制功能，包括各种测量算法( 例如数字滤波、标度变换、非线性校正等) 和控制算法( 例如p i d 控制、模糊控制等) 。 1 4 发展趋势 电子拉力试验机微机技术的应用，是以计算机软硬件技术的发展为基础的。今 天计算机技术的最新成果和研究热点，明天将结合材料试验的具体条件，在试验机 领域得到应用。从目前计算机技术的发展情况来看，已为试验机计算机应用技术的 进一步发展提供了一定的空间。 1 4 1 组合软件技术 目前，软件规模愈来愈大，使人力难以胜任而造成危机。人们一直试图解决这一 问题，即像设计机器一样，用现成的零部件组成不同用途的应用程序。电子万能试 验机试验种类繁多，而每个试验程序都具有相似的框架结构，组合软件在这方面将 充分发挥其优越性。 1 4 2 笔输入和语言输入技术 即用手写体或口述对微机进行输入并控制其运行。在某些通用领域已有产品问 世，但其输入条件和识别率还受到一定限制，这些技术还处在发展和完善之中。 1 4 3 触摸屏技术 触摸屏是一种定位设备，它通过一定的物理机制，可使用户直接在带有触摸屏的 显示器上向计算机输入信息。用户用手直接对屏幕进行操作，提高了人机对话效率， 降低了对使用者的要求。 总之，电子万能试验机和许多其它微机控制仪器样，在硬件方面，将向数字化、 高集成度方向发展；在软件开发方面，将向工程化、自动化方向发展；在操作方面， 不只要求操作简单，更要求接近人的自然方式，使机器更具人性化和亲和性，缩短 人和机器之间的距离。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章信号检测技术与电路 2 1 概述 电子拉力试验机需要将载荷传感器、应变传感器和位移传感器输出的信号进行处 理。传感器输出的电信号需要进一步放大、调理，将某些误差补偿掉，将干扰抑制 掉。滤波器将信号中不希望的频率分量滤除。采样电路对输入信号进行采样，并由 保持电路把采样电平保持下来，再由a d 转换器将模拟信号转换成数字信号，由c p u 进行运算处理。 2 2 传感器的选择及工作原理 2 2 1 载荷传感器 由于电子拉力试验机具有较大的加载范围，所以就必须在很大的量程范围内保证 传感器的精度。系统采用的载荷传感器的量程应同试验机的量程。为了提高小量程 测量的精度，可另配小量程传感器，但需注意对传感器的保护。就目前传感器的使 用情况来看，采用应变式传感器较为理想，其中载荷传感器采用的是梁式剪切传感 器，利用4 0 c ，n ，m 。材料来制做弹性元件。应变片粘贴在工字型截面梁上。工字型 截面梁的特点是抗弯能力强，中性层处的剪应力大，可以保证中性层处的相当应力 和应变是弹性元件上的最大处。这种传感器是目前采用的较多的一种传感器。 一般地，在弹性元件上对称地粘贴四枚相同的应变片，则把这四个应变片按输出 最大原则组成全桥时，读数应变为：占= 4 占( 式2 1 ) 2 2 2 双向引伸仪 双向引伸仪是一种可以在同一区域内同时测量试件的纵向应变和横向应变的位移 传感器，和载荷传感器配套使用就可以精确地获得材料的弹性模量e 、泊桑1 1 ：r t 及 o - o ：、1 7 ，等重要的机械性能参数。这种引伸仪具有精度高、体积小的优点。它的主 体是采用重量轻、强度高及弹性模量e 小的钛合金材料，并用线切割方法加工而成。 当试件承受轴向力而伸长或压缩时，装夹在试件上引伸仪的两个悬臂间距离随之 变化。将四个应变片对称地粘贴于弯曲变形处，组成电桥线路。电桥输出电压的大 小与试件的纵向变形有关。 5 电子拉力试验机计算机测控系统的研制与开发 2 2 3 位移传感器 在本系统中采用的位移传感嚣是自行研制开发的数字式位移传感器。它主要包括 读数码盘、光电耦合器、p l d 判向电路等部分。它的基本工作原理是：将读数码盘固 定在试验机丝杠的基座上，码盘旋转一周对应于夹头上升或下降一个螺距。两个光 电耦合器按相位差9 0 。装夹在码盘边缘的齿上方，当码盘旋转时，边缘的齿以切割方 向经过光电耦合器中心，使光电耦合器产生计数脉冲，再由旌密特触发器整形后输 入p l d 判向电路，最后由c p u 对计数脉冲进行处理。 v 0 1 v o ： 厂 厂 厂 广 厂 氐睑氐- 么么么- x ：移动方向 图2 一i 判向逻辑原理 为了辨别码盘转动的方向，需要有两个相差9 0 。的方波信号，其判向原理和逻辑电 路如图2 一l 所示。图中屹、分别为两个相差9 0 的方波信号。当码盘顺时针旋转 时，圪。经微分电路后产生的脉冲和圪：的高电平相与，使与门盯。产生计数脉冲。而 吒，经反相后封锁与门圯，无脉冲输出。同理，当码盘逆时针转动时，只有形：有 脉冲输出而蜗无输出。可见，用圪：信号作为门控信号。控制圪根据转动方向正确 给出加计数脉冲或减计数脉冲。这种方法对振动干扰脉冲也能有效地抑制。 为了提高测量精度，需要在方波信号变化的一个周期内输出若干个脉冲，以减小脉 冲当量( 个脉冲代表的位移数) 。若一周期内发出n 个脉冲，则测量精度可提高1 1 倍。码盘上有1 8 0 个齿，码盘旋转一周上升一个螺距，m m ，将码盘脉冲四倍频后， 个脉冲当量等于t ( 1 8 0 4 ) m ，l 。由于计数脉冲可由软件计数，所以计数的位数不受 限制。本系统的位移量程可以达到试验机机械结构所允许的最大量程。图2 - 2 是四 倍频及判向电路，其中s 、c 是相差9 0 6 的方波信号，它们分别是由两个光电耦合器 产生的信号经施密特触发器整形得到的。u p 和d o w n 是经四倍频及判向电路后产生 南京航空航天大学硕士学位论文 的正向和反向计数脉冲。 p p l8 0 = lp o u p = p 9 0 * 如+ p o * s 2 7 0 + p 2 7 0 $ 1 8 0 + p 1 8 0 $ 9 0 p p 2 7 0 = ! p g od o w n = p * $ 1 8 0 + p o * s g o + p 2 7 0 * s o + p 1 8 0 * s 2 7 0 图2 - 2 四倍频及判向电路 。o - c 。_ f 乇f 1 耐七f 芒f 2 订d j 于 堪兰苎三 功、t 4b l 穗至兰至 动wd 为了简化外围逻辑电路和实现位移传感器硬件加密，在本系统中采用了a t t a e l 公 司生产的p l d 器件a t f l 6 v s b ，应用a b e l 语言把相应的逻辑功能写入片内。图2 2 中 的逻辑表达式即为各引脚的逻辑关系。在系统中实际的硬件接线如图2 - 3 所示。 吨挈一吨一。 图2 - 3 判向p l d 电路图 电子拉力试验机计算机测控系统的研制与开发 2 3 信号放大及调理电路 一般电阻应变片式传感器的满量程电压输出大小为2 0 3 0 m v ，这样需要分辨的 信号大小是十几到几十微伏，要放大这么小的信号，就需要用具有很好的抗干扰能 力、高共模抑制比及漂移和失调极为微小的高精度放大器进行放大。因此，一般通 用型运算放大器( 失调电压的温度系数较大) 显然无法胜任。 a d 6 2 4 是高精度低噪声仪用放大器，它可以用在传感器输出信号小的放大系统 中。由于它具有低噪声、增益精度高、增益温度系数小和高线性度等优良性能，在 高分辨率的数据采集系统中使用a d 6 2 4 放大器是非常理想的。该器件不需任何外接 元件就能实现1 、l o 、i 0 0 和i 0 0 0 倍的信号增益，而对于1 i 0 0 0 范围内的其它增 益值，只需组合连接不同的引脚，即可得到所需要的增益值。若外接一只增益电阻， 可得到1 1 0 0 0 0 之间的任意增益值，其误差小于1 。由于a d 6 2 4 的建立时间只有 1 5 ，所以它也非常适宜在高速数据采集系统中使用。 2 。3 。1a d 6 2 4 的主要性能特点 i 噪声低：峰峰值不大于0 3 p v ( o 1 l o h z ) 2 温度系数小：最大为5 x l o 一6 。c ( g ；1 ) ： 3 非线性小：最大为0 0 0 1 ( g = i 2 0 0 ) ： 4 共模抑制比高：不小于1 3 0 d b ( g = 5 0 0 1 0 0 0 ) ： 5 输入失调电压低：不大于2 5 1 a v ： 6 输入失调电压漂移小：最大为0 2 5 a v 。c ： 7 增益带宽：2 5 m h z ； 8 具有固定的五档增益编程引脚：1 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 。 2 3 2 信号放大电路 图2 4 是本系统中四通道精密供桥放大板信号放大部分的原理图。输入信号是 典型的桥式传感器信号。放大器的输入线采用屏蔽线，屏蔽线与模拟地相连。放大 倍数可由跳线器调整为i 0 0 、2 0 0 和5 0 0 。传感器的供桥电压可由放大板自身提供， 也可由系统主板上a d 5 7 4 输出的+ i o v 高精度基准电压提供。由后者提供的供桥电压 可以消除电源电压漂移带来的误差。 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 - 4 信号放大电路 2 4 低通滤波电路 对于传感器微弱信号的检测，不能单纯依靠高增益的放大器放大，因为普通的宽带 放大器在放大有用信号的同时也放大了干扰信号和噪声。图2 - 5 中压控电压源型滤 波器可有效的滤除包括工频干扰在内的高频噪声。 1 2 v 图2 _ 5l p f 低通滤被电路 2 5 数据采集与转换 a d 转换接口是数据采集系统前向通道中的一个环节。数据采集和转换系统从一 个或几个信号源中采集模拟信号，并将这些信号转换为数字形式，以便输入计算机。 因此，对于一个模拟信号转换为数字信号所要求的基本部件有： ( 1 ) 模拟多路转换器与信号调节； ( 2 ) 采样保持放大器： 电子拉力试验机计算机测控系统的研制与开发 ( 3 ) 模拟数字( a d ) 转换器； ( 4 ) 通道控制电路。 前向通道中与传感器相连接的是信号调节器，它完成传感器初次输出模拟信号的 调节任务。而模数转换中的多路转换及信号调节则要将模拟信号变换成能直接满足 模数变换需要的信号电平及输入方式。为了减少动态数据测量的孔径误差，对于快 速动态信号应设置采样保持电路以防止采样过程中信号发生变化。因此，模拟数据 的采集及模数变换通道设计时不仅仅是单纯选择a d 转换芯片及设计a 9 转换接 口，要综合考虑从传感器到计算机数据输入的全过程。 2 5 1 数据的采集与转换的应用问题 1 系统的采样速度 在一个数据采集系统中，采样速度表示了采集系统的实时性能。采样速度由模拟 信号带宽、数据通道数和每个周期的采样数决定。 由奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样定理，在理想的数据采集系统中，为了使采样输出 信号能无失真地复现原输入信号，必须使采样频率至少为输入信号最高有效频率的 两倍，否则会出现频率混迭误差。因此，信息无损失地重现采样数据，要求在数据 带宽的每个周期内至少采样两次。奈奎斯特采样定理是实现无信息损失重现采样数 据的必要条件，要求原始数据的采样以及数据重构都是理想状态。但在实际使用上， 不可能具有这样的理想情况，为了保证数据采集精度，在前向通道中采取： ( 1 ) 增加每个周期的采样数，通常数据带宽，在最高频率，：i i 。端每周期采样7 1 0 次。即五= ( 7 1 0 ) 厶。正：采样频率 ( 式2 - 2 ) ( 2 ) 在a i ) 转换前设置低通滤波，消除信号中无用的高频分量。 对于通道数据采集系统，由于是分时控制采样，考虑到通道的分时、 带宽等因素，多通道数据采集系统的最小采样频率工应为 工= ( 7 1 0 ) 丘n n ：通道数 模拟信号的 ( 式2 - 3 ) 最大采样周期= z 1 。 ( 式2 4 ) 由于电子拉力试验机中各个传感器输出的模拟信号频率都不是很高，基本上可以 认为是静态信号，所以采样频率3 0 5 0 h z 就足够了。但为了提高系统的精度，减小 各种干扰带来的误差，采样频率设置为1 2 8 k h z 。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 孔径误差 由于模拟量转换成数字量有一过程，对于一个动态模拟信号，在模数转换器接 通的孔径时间里，输入的模拟信号值是不确定的，从而引起输出的不确定误差。假 设输入信号为一频率为f 的正弦波v = s i n 2 z t f i ，孔径误差一定出现在信号斜率最 大处，设模数转换的孔径时间为，则 i d v ：2 矿c o s 2 矽 ( 式2 - 5 ) 警l 邓矿 c 趣e ， 故最大i l 径误差= 2 # f t _ ， ( 式2 - 7 ) 最大孔径相对误差昴= 2 矽。1 0 0 。 ( 式2 - 8 ) 可以看出对于某个动态信号，其孔径误差昴与信号的最高频率f 和系统的孔径 时间有关，因此，采用1 2 位a d 转换器对1 0 h z 或更高频率动态信号采样时，必须 使用采样保持电路，以减小孔径时间。 在模数转换器之前如果加一采样保持电路，使得在模数转换区间将变化的信 号“冻结”起来，保持不变。采样就是跟踪输入信号，一旦发生“保持”控制，立 即将采得信号值保持到下次为止。显然，采样的孔径时间大大减少。 3 系统通过率 系统的通过率由模拟多路选择器、输入放大器的稳定时间、采样保持电路的采 集时间及a o 转换器的稳定和转换时间确定。它决定了系统的动态特性。在数据采 集系统中，有正常顺序和重叠两种方式。采用低分辨率a d 、减少模数转换环节以 及采用重叠方式采集时，可获得较大带宽的通过速度。 4 模数转换精度 用来描述前向通道数据采集和转换系统精度的最常用方法是计算系统中各环节的 方和根( r s s ) 误差。由下式表示： r s s = 氏m + s 2 m p + 6 2 s h + 2 a ( 式2 - 9 ) 式中 f * m u x ：模拟多路选择器误差； 。p ：输入放大器误差 电子拉力试验机计算机测控系统的研制与开发 s 。：采样保持电路误差； s 。：a d 转换器误差。 前向通道中信号源阻抗、信号带宽、a d 转换器分辨率和系统的通过率都会影响 这些误差的计算，为简化起见，在下述假定下进行计算： ( 1 ) 忽略孔径误差，即认为孔径误差小于i i o l s b ； ( 2 ) 信号源阻抗小于1 0 0 q ： ( 3 ) 信号幅值为土l o v ： ( 4 ) 系统通过率小于系统的最大通过率。 在正常情况下，前向通道的总误差应该小于或等于a d 转换器的量化误差，否则 选取高分辨率a d 转换器失去意义。 2 5 2 a d 转换器的选择及其应用 a d 转换芯片繁多，但大量投放市场的单片集成或模块a d 按其变换原理分类， 主要有逐次逼近式、双积分式、量化反馈式和并行式a d 转换器。与a d 转换相关 的器件有采样保持器及模拟开关。在系统中，我们采用的是通用型采样保持器 l f 3 9 8 和8 路模拟开关a d 7 5 0 1 。 我们选择的a d 转换器是美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e si n c ) 生产的快 速1 2 位逐次逼近式a d 转换器a d 5 7 4 a 。该芯片的内部由双片双极型电路组成，外 部是2 8 脚双列直插式标准封装。它无需外接元器件就可独立完成a d 转换功能。内 部设有三态数据输出锁存器。非线性误差小于i 2 l b s 或i l b s ，一次转换时间为 2 5 脚，电源供给为1 5 v 和+ 5 v 。 图2 6 数据的采样保持及a d 转挽 南京航空航天大学硕士学位论文 a d 5 7 4 a 的内部由模拟芯片和数字芯片二片混合集成，其中模拟芯片就是该公司 生产的a d 5 6 5 a 型快速1 2 位单片集成d a 转换器芯片。数字芯片则包括高性能比较 器、逐次比较逻辑寄存器、时钟电路、逻辑控制电路以及三态输出数据锁存器等。 由于芯片内部比较器的输入回路接有可改变量程的电阻( 5 k q 或者5 k q + 5 k q ) 和双极性输入偏置电阻( 1 0 k q ) ，因此，a d 5 7 4 a 之输入模拟量量程范围有o + i o v ， o + 2 0 v ，一5 v + 5 v 以及一i o v + i o v 四种。输入回路对应有单极性输入和双极性输 入两种情况。在系统的实际应用中是双极性接法，如图2 6 所示。 a d 5 7 4 a 的逻辑控制输入信号有c e 、己j 、r 石、1 2 西、a 。用以对a d 5 7 4 a 控 制启动、输出。当c e = i ，云i = o 同时满足时，a d 5 7 4 a 才能处于工作状态。当a d 5 7 4 a 处于工作状态时，影石= o 时启动a d 转换，r 于= l 时进行数据读出。1 2 百和a 。 端用来转换字长和数据格式。a 。= o 时启动转换，则按完整的1 2 位a d 转换方式工 作，如果按a 。= l 启动转换，则按8 位a d 转换方式工作。当a d 5 7 4 a 处于数据读出 工作状态( r 虿= 1 ) 时，4 和1 2 i 成为输出数据格式控制端。1 2 面= l 时，对应 1 2 位并行输出；1 2 8 = o 时则对应8 位双字节输出。其中a 。= o 时输出高8 位，以 = l 时输出低4 位，并以4 个0 补足尾随的4 位。必须指出, 2 i 端与t t l 电平不兼 容，故只能用硬布线接至+ 5 v 或o v 上。另外，a 在数据输出期间不能变化。 s t s 是a d 5 7 4 a 的工作状态指示端。s t s = i 时表示转换器正处于转换状态，s t s 返回到低电平时，表示a d 转换完毕，因此该信号可供处理器作为中断或查询信号 使用。由于a d 5 7 4 a 是混合集成的a d 转换器，并与微处理器兼容，使用方式十分灵 活方便。 本系统中有三路模拟信号输入，分别是载荷、纵向应变和横向应变。单片机的 p i ，0 和p 1 1 的状态决定多路模拟开关a d 7 5 0 1 的选通信道，l f 3 9 8 为采样保持器，它 受a d 5 7 4 a 的状态信号s t s ( 2 8 脚) 反相后控制。a d 5 7 4 a 的端口基地址为3 0 0 0 h 。 a d 转换的过程采用查询方式，程序放在定时中断服务程序里，程序流程如图2 - 7 所 示。 电子拉力试验机计算机测控系统的研制与开发 医 【启动“，。转换i 豸 击 鬯j i 读a d 转换i j后高8 位j 己 | 将a d 值存入 l缓冲区l 图2 7a i d 转换流程图 l4 南京航空航天人学硕士学位论文 第三章键盘、显示及通讯接口 电子拉力试验机通过输入设备接受各种命令和数据，测量结果通过各种输出设备 进行显示、打印或记录。本系统的输入设备是薄膜开关键盘，输出设备是七段l e d 显示器。通过r s 2 3 2 c 串行接口，可将数据传送到p c 机上运算、显示及打印、存盘。 也可通过p c 机键盘发送命令和数据。 3 1 键盘及显示接口 i n t e l 8 2 c 7 9 芯片是种通用的可编程序的键盘、显示器接口器件。利用8 2 c 7 9 ， 可实现对键盘显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合键的键号，不仅可以大大节省 c p u 对键盘显示器的操作时间，从而减轻c p u 的负担，而且显示稳定，程序简单， 不会出现误动作，由于这些优点，8 2 c 7 9 芯片日益被设计者所采用。 3 。l 。18 2 c 7 9 电路工作原理 8 2 c 7 9 包括键盘输入和显示输出两个部分。键盘部分提供的扫描方式，可以和具 有6 4 个按键或传感器的阵列相连。能自动消除开关抖动以及n 键同时按下的保护。 显示部分按扫描方式工作，可以显示8 或1 6 位l e d 显示块。 1 t o 控制和数据缓冲器 双向的三态数据缓冲器将内部总线和外部总线d b 。连接，用于传送c p u 和8 2 c 7 9 之间的命令、数据和状态。 c s 为片选信号，当c s 为低电平时，c p u 才选中8 2 c 7 9 读写。 a 用以区分信息的特征。当a 为l 时，c p u 写入8 2 c 7 9 的信息为命令，c p u 从8 2 c 7 9 读出的信息为8 2 c 7 9 的状态。当以为0 时，i o 信息都为数据。 2 控制逻辑 控制与定时寄存器用以寄存键盘及显示器的工作方式，锁存操作命令，通过译码 产生相应的控制信号，使8 2 c 7 9 的各个部件完成一定的控制功能。 定时控制含有一些计数器，其中有一个可编程的5 位计数器，对外部输入时钟信 号进行分频，产生l o o k h z 的内部定时信号。外部时钟输入信号的周期不小于5 0 0 n s 。 3 扫描计数器 电子拉力试验机计算机测控系统的研制与开发 扫描计数器有两种输出方式。一种为外部译码方式( 也称编码方式) ，计数器以 二进制方式计数，4 位计数状态从扫描线乩。乩，输出。经外部译码器译码出1 6 位 扫描线；另一种为内部译码方式( 也称译码方式) ，即扫描计数器的低二位经片内译 码器译码后从乩。输出。 4 键输入控制 这个部件完成对键盘的自动扫描，锁存月厶只，的键输入信息，搜索闭合键， 去除键的抖动，并将键输入数据写入内部先进先出( f i f o ) 的r a m 。 5 f i f or a m 和显示缓冲器r a m 8 2 c 7 9 具有8 个先进先出( f i f o ) 的键输入缓冲器，并提供1 6 个字节的显示缓 冲器r a m 。8 2 c 7 9 将段码写入显示缓冲器r a m ，8 2 c 7 9 自动对显示器扫描，将其内部 显示缓冲器r a 黼中的数据在显示器上显示出来。 i r q 为中断请求输出线，高电平有效。当f i f or a m 缓冲器中存有键盘上闭合键 的编码时，i r q 线升高，向c p u 请求中断，当c p u 将缓冲器中的输入键值的数据全 部读取时，中断请求线下降为低电平。 s h i f t 、c n t l s t b 为控制键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平，也可由键盘上 按键拉成低电平。 舭。皿，为反馈输入线，作为键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平，也可由 键盘上按键拉成低电平。 乩。乩，为扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。 o u t b o 3 、o u t & ，为显示段数据输出线，可分别作为两个半字节输出，也可作 为8 位段数据输出，此时o u t a 。为最低位，o u t b 3 为最高位。 b d 为消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时或使用显示消隐命令时，将显 示消隐。 r e s e t 为复位输入线，高电平有效，当r e s e t 输入端出现高电平时，8 2 c 7 9 被初 始复位。 3 1 2 8 2 c 7 9 与键盘、显示器接口 在系统的面板上有2 2 个按键，8 2 c 7 9 以外部译码方式扫描3 x 8 阵列的键盘。咒、 南京航空航天大学硕士学位论文 乩3 经两片l s l 3 8 译码达到4 1 6 译码器的功能。8 2 c 7 9 的基地址为2 0 0 0 b ，键盘采 用查询方式读出，以下的程序中包含了延时去抖动功能。 r e a d k e y ：m o v d p t r # 2 0 0l h r e a d k l r e a d k 2 r e a d k 3 m o v x a ， d p t r a n la # 0 f h j - n zr e a d k i r e t m o vr 2 # o m o va # o n o p n o p d j n za c c ，r e a d k 2 d j n zr 2 ，r e a d k 2 m o v d p t r ，# 2 0 0 0 h m o v x a ， d p t r m o v r 2 ，a i n cd p t r m o v xa d p t r a n l_ d l # 0 f h j n z r e a d k 3 d e l a y5 0m s r e a dt h ek e y u n t i lb u f f e ri se m p t y m o v a ，r 2：k e yi si na c c 面板上有2 0 个七段l e d 显示器，每5 个显示一个数值，由于8 2 c 7 9 最多外接1 6 个l e d 显示器，所以我们将后l o 个显示器以b c d 码译码输出。以第n 和第1 6 显示 器为例，它们公用一个显存单元，分别占用高、低四个位，然后分别经b c d 译码器 输出，经驱动后输入七段l e d 显示器。8 2 c 7 9 显示程序如下： d i s p l a y ：c l re a：d i s a b l ei n t e r u p tw h i l ed i s p l a y i n g m o v m o v m o v x m o v m o v d d o ： m o v l c a l l d p t r ，# 2 0 0 i b a ，9 9 0 h d p t r ，a r o ，# d i s p b u f d p t r ，# 2 0 0 0 h a ， r o g e t s e g c o m n n db y t e g e ta s c i ic o d e ( d i s p b u f o 一d i s p b u f 9 ) l7 电子拉力试验机计算机测控系统的研制与开发 d d l l o v x i n c c j n e m o v m o v x i n c c j n e s e t b r e t d p t r 。a r o r o 。# d i s p b u f + i o ，d d o a ， r o d p t r ，a：o u t p u tb c dc o d e ( d i s p b u f i o d i s p b u f l 4 ) r o 3 2 通讯接口 通讯接口是智能测控仪表的重要组成部分。在自动化测量和控制系统中，单片机 与p c 机之间不断地进行各种信息的交换和传输( 即数据通信) ，而这种信息的交换 和传输都必须通过通讯接口和数据总线进行。所以通讯接口、总线是p c 机同各测量 控制仪器之间进行信息交换和传输而设立的联络装置。 3 2 1 串行接口的构成与电路 电子工业协会( e i a ) 公布的r s 2 3 2 c 是用得最多的一种串行通讯标准，它是从 c c i t t 远程通讯标准中导出的，用于数据终端设备( d t e ) 和数据通讯设备( d e c ) 之间的接口。该标准除包括物理指标外，还包括表明按位传送的电气指标。 p c 机内装有异步通讯适配器板，其主要器件为可编程的1 6 4 5 0 1 6 5 5 0 芯片，它 使该机有能力与其它具有标准r s 2 3 2 c 串行通讯接口的计算机或设备进行通讯。而单 片机本身具有一个全双工的串行口，因此只要配以一些驱动、隔离电路就可组成一 个简单可行的通讯接口。 m s c 一5 1 的串行口主要由二个物理上独立的串行数据缓冲器s b u f 、发送控制器、 接收控制器、输入移位寄存器和输出控制门组成。发送数据缓冲器s b u f 只能写入， 不能读出，接收数据缓冲器只能读出，不能写入，二个缓冲器共用一个地址9 9 h 。 有二个特殊功能寄存器s c o n 和p c o n 可用来控制串行口的工作方式计波特率。波特 率发生器可用定时器z 或正构成。 在单片机系统中选用的r s 2 3 2 c 串行通讯驱动芯片是i 雌x 2 3 2 ，它的电路实现如图 3 - i 所示。 3 2 2 串行通讯的方法 南京航空航天大学硕士学位论文 实现串行通讯要解决若干技术问题。首先在发送时，需要把并行数据转换成串行 数据，而在接收时，又需要把并行数据转换成串行数据。根据时钟控制数据发送和 接收的方式，串行通讯分成两种：同步通信和异步通信。 图3 - 1i 】【2 3 2 串行遁讯芯片典型电瞎 1 同步通信 在同步通信中，串行数据传输前，发送和接收移位寄存器必须进行同步初始化， 即在传输二进制数据串的过程中，发送与接收应保持一致。因此，往往使用同一个 时钟控制串行数据的发送与接收。 通常，发送和接收移位寄存器的初始同步是使用一个同步字符来完成的，即由发 送和接收双方约定一个特定字符。当一次串行数据的同步传输开始时，接收器进入 接收位串的等待方式，发送寄存器送出的第一个字符应该是一个双方约定的同步字 符( 字节) ，接收器在时钟周期内识别该同步字符( 字节) ，然后发送器同步，开始 接收后续的有效信息。如果由于某种原因，发送器送出的第一个字节是非同步字节， 则一次同步传输过程失效或要求发送器重新发送同步字节。由此可见，在一次同步 的串行数据传输过程中，同步字节用来初始同步发送和接收移位寄存器，且指出传 输数据的开始。 同步通信的实用性完全取决于发送器和接收器保持同步的能力。如果接收器由于 某种原因，例如噪音，在接收的过程中，漏掉一位，则所有下面接收的字节数据都 是不正确的。因此，在同步通信方式中，发送和接收移位寄存器必须使用一个时钟。 很明显，同步串行数据传输，除了需要输入和输出两根数据传输线外，还需要一根 时钟信号线，由其信号的上升沿指示单个二进制数据的传输，并决定传输字节的位。 2 异步通信 在数据传输过程中，取消同步通信中的同步时钟，就变成异步通信。对于异步通 信，发送器和接收器两端分别使用自己的时钟，不再共用同一个时钟。要求两个时 钟的频率大致相同，能在短时间内保持同步。 异步数据发送器先送出一个初始定时位( 称为起始位) ，后面跟着具有一定格式 电子拉力试验机计算机测控系统的研制与开发 的串行数据位和停止位。异步数据接收器首先接收起始位，同步它的时钟，使之接 近于发送器的频率，然后使用同步时钟接收位数据串。在接收过程中，接收时钟与 发送时钟的匹配会有偏差，但这种偏差不会影响短时间内的位数据串接收的正确性。 停止位表示数据串的结束，它通常被接收器用来判别接收过程中的某些错误，例如 串行数据的字节边界错等。 相对于并行通信接口，串行通信需设置更多的控制电路。例如它需要使用串一并 转换电路，时钟同步电路和位计数电路等。现在大多使用单片串行通信大规模集成 电路芯片来处理复杂的接口和转换任务，弥补了串行通信电路复杂的缺点，方便了 使用。目前，在微机系统中使用的串行接口芯片有这样几种类型：u a r t ( 通用的异步 接收发送器) ，u s a r t ( 通用的同步、异步接收发送器) 和a c i a ( 异步的通信接口 适配器) 等。 同步通信与异步通信相比较，同步通信具有传输数据速度快的优点，但使用较多 的连接线：若在一次串行数据的传输过程中出现错误，则成批的数据将报废。而异 步通信传输数据速度慢，但使用较少的连接线：若在一次串行数据的传输过程中出 现错误，仅影响一个字节数据。在本系统中，我们采用的是异步通信方式。 3 工作方式 m c s 一5 1 串行口有四种工作方式( o 、l 、2 、3 ) ，根据需要，我们选用方式1