基于嵌入式的杯突試驗機測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　杯突試驗機是對金屬薄板和帶材進行延展性試驗的專用設(shè)備，也是目前國內(nèi)評定金屬材料塑性變形性能的惟一設(shè)備，主要用于檢驗各種金屬薄板在試驗過程中的塑性 變形性能及有色金屬薄板的各項異性。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(yīng)用。

　　目前國內(nèi)的杯突試驗機測控系統(tǒng)大多是以PLC、人機界面和計算機相結(jié)合的方式。這種方式主要存在以下缺點：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了很大的不便。

　　針對以上缺點，本文將目前日益成熟的嵌入式技術(shù)應(yīng)用到杯突試驗機測控系統(tǒng)的改造中，設(shè)計了一種基于嵌入式的杯突試驗機測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在確保試驗數(shù)據(jù)精度的同時，充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低、專用性強以及可靠性高等特點，具有較高的應(yīng)用價值。

　　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(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、電流信號轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。

　　杯突試驗機工作原理：當啟動夾緊油泵時，油經(jīng)換向閥、調(diào)速閥流向夾緊油缸，推動大活塞上升，使夾模將試樣夾緊；然后啟動沖壓油泵，油經(jīng)換向閥、調(diào)速閥流向 沖壓油缸，推動小活塞上升，使球形沖頭壓入試樣；當試樣在全厚度上出現(xiàn)穿透裂縫時，沖壓負荷下降，此時沖頭壓入試樣的深度即為試樣的杯突值，然后兩換向閥 同時換向，油泵的油流回油池，使沖頭、墊模下降，當活塞落底時結(jié)束所有操作動作，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：一是控制試驗機完成相關(guān)的試驗操作并能實時采集試驗數(shù)據(jù)；二是試驗數(shù)據(jù)的保存、查詢、編輯及打印等。現(xiàn)將整個測控系統(tǒng)劃分為以下四個部分：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機主機。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　主控制器單元是整個測控系統(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接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并完成對試驗機的控制。用戶通過觸摸屏與測控系統(tǒng)的應(yīng)用 程序進行交互，控制試驗機的整個工作過程、完成數(shù)據(jù)的采集以及試驗數(shù)據(jù)的存儲和管理等操作；通過網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)與上位機或服務(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)出的命令控制試驗機的機械裝置，完成整個試驗過程。根據(jù)試驗機的工作原理，一次 完整的試驗需要發(fā)出以下六個操作指令：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(yīng) 6個開關(guān)量信號。微處理器發(fā)出的這些開關(guān)量信號通過GPIO口驅(qū)動繼電器從而控制試驗機內(nèi)部各機械裝置來完成整個試驗過程。

　　數(shù)據(jù)測量單元包括兩種傳感器和對應(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。

　　試驗機主機主要包括油泵、溢流閥、電磁換向閥、節(jié)流閥、沖力閥、單向閥、工作缸、活塞等機械裝置。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3.1 杯突值測量電路

　　沖頭壓入試樣的深度即試樣的杯突值是通過固定在沖頭上的光柵位移傳感器（以下簡稱光柵尺）來測量的。光柵尺是一種利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置，其輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有測量范圍大、精度高、響應(yīng)速度快等特點。