嵌入式杯突試驗機測控系統設計與實(shí)現

摘要：針對目前國內杯突試驗機測控系統成本高、功耗大的缺點(diǎn)，提出了一種基于嵌入式的杯突試驗機測控系統的設計方案。該方案以S3C2440微處理器為核心并增加了相關(guān)外圍電路，設計了相關(guān)驅動(dòng)程序并且移植和裁剪了Linux操作系統，使用多線(xiàn)程技術(shù)開(kāi)發(fā)應用程序并與SQLite數據庫相結合實(shí)現了對杯突試驗機的控制及試驗數據的自動(dòng)采集、存儲與管理。該系統充分發(fā)揮了嵌入式系統體積小、功耗低和專(zhuān)用性強的特點(diǎn)，具有較高的應用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：杯突試驗機；嵌入式；光柵尺；LS7266R1；ADS7842

0 引言
杯突試驗機是對金屬薄板和帶材進(jìn)行延展性試驗的專(zhuān)用設備，也是目前國內評定金屬材料塑性變形性能的惟一設備，主要用于檢驗各種金屬薄板在試驗過(guò)程中的塑性變形性能及有色金屬薄板的各項異性。近年來(lái)，隨著(zhù)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(cháng)足的進(jìn)步，為了獲得新工藝下材料的各項性能，杯突試驗機得到了更加廣泛的應用。
目前國內的杯突試驗機測控系統大多是以PLC、人機界面和計算機相結合的方式。這種方式主要存在以下缺點(diǎn)：生產(chǎn)成本高、功耗大、試驗操作臺與計算機終端的分離給操作人員帶來(lái)了很大的不便。
針對以上缺點(diǎn)，本文將目前日益成熟的嵌入式技術(shù)應用到杯突試驗機測控系統的改造中，設計了一種基于嵌入式的杯突試驗機測控系統。該系統能夠在確保試驗數據精度的同時(shí)，充分發(fā)揮嵌入式系統體積小、功耗低、專(zhuān)用性強以及可靠性高等特點(diǎn)，具有較高的應用價(jià)值。

1 杯突試驗機組成及工作原理
杯突試驗機主機組成：杯突試驗機主要由油泵、溢流閥、電磁換向閥、節流閥、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、電流信號轉換器等構成。
杯突試驗機工作原理：當啟動(dòng)夾緊油泵時(shí)，油經(jīng)換向閥、調速閥流向夾緊油缸，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；當試樣在全厚度上出現穿透裂縫時(shí)，沖壓負荷下降，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，當活塞落底時(shí)結束所有操作動(dòng)作，完成試樣杯突值的一次檢測。

2 系統分析
測控系統需要完成如下兩大功能：一是控制試驗機完成相關(guān)的試驗操作并能實(shí)時(shí)采集試驗數據；二是試驗數據的保存、查詢(xún)、編輯及打印等?，F將整個(gè)測控系統劃分為以下四個(gè)部分：主控制器單元、數據測量單元、電氣控制單元以及杯突試驗機主機。系統的整體結構如圖1所示。

主控制器單元是整個(gè)測控系統的核心，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400MHz，其內部集成了A／D、LCD觸摸屏、GPIO、USB以及網(wǎng)絡(luò )等接口。該單元通過(guò)系統總線(xiàn)和GPIO接口實(shí)現數據的采集并完成對試驗機的控制。用戶(hù)通過(guò)觸摸屏與測控系統的應用程序進(jìn)行交互，控制試驗機的整個(gè)工作過(guò)程、完成數據的采集以及試驗數據的存儲和管理等操作；通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口實(shí)現與上位機或服務(wù)器之間數據的上傳與下載；通過(guò)USB接口完成試驗數據的打印。
電氣控制單元主要包括繼電器和相應的驅動(dòng)電路，其主要任務(wù)是根據微處理器發(fā)出的命令控制試驗機的機械裝置，完成整個(gè)試驗過(guò)程。根據試驗機的工作原理，一次完整的試驗需要發(fā)出以下六個(gè)操作指令：夾緊油泵工作、夾緊電機工作、沖壓電機工作、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應6個(gè)開(kāi)關(guān)量信號。微處理器發(fā)出的這些開(kāi)關(guān)量信號通過(guò)GPIO口驅動(dòng)繼電器從而控制試驗機內部各機械裝置來(lái)完成整個(gè)試驗過(guò)程。
數據測量單元包括兩種傳感器和對應的測量電路。這兩種傳感器分別是光柵尺和壓力變送器。前者用來(lái)測量試樣的杯突值，后者用來(lái)測量夾緊力值和沖壓力值。
試驗機主機主要包括油泵、溢流閥、電磁換向閥、節流閥、沖力閥、單向閥、工作缸、活塞等機械裝置。