摘 要:介绍了全自动引伸计控制系统的设计方法。控制系统主要包括ARM微处理器、电源模块、串行接口模块、四倍频检测模块、JTAG接口模块、直流电机驱动模块和步进电机驱动模块。采用ARM微处理器作为控制核心,通过串行接口与PC机进行数据交换,采用L298N作为电机的驱动芯片,用光栅尺检测两测臂间的距离,作为反馈,提高了定位精度。与传统的引伸计相比,在整个试验过程中,全自动引伸计无需人工拆装刀口,可以自动夹紧或松开试样。
1 引 言
引伸计是一种精度很高的变形测量仪器,主要用来测量材料在弹性变形阶段、屈服变形阶段和均匀塑性变形阶段的变形量。目前经常配合计算机控制使用的引伸计一般为电阻应变片式引伸计,它虽能保证大多数拉伸试验的精度要求,但其刀口在试件上的固定通常采用橡皮筋套箍的方式或弹簧压紧方式,但不论采用何种方式,在试件断裂之前操作员都要卸下引伸计,以保护其不受损坏[1]。
随着试验机技术的发展,全自动试验机的理念逐步形成,传统引伸计存在的缺陷成为全自动试验机发展的瓶颈,因此全自动引伸计的概念被众多的专家和学者提出并进行研究。目前国内工业控制场合中用的嵌入式工控设备大多采用的是以8位单片机为内核,有价格低廉、设计较容易的优点,但也存在着存储容量小、实时性低、人机交互复杂、操作不方便等问题。ARM微处理器以其高性能、低成本和低功耗的性能等优势,现已广泛应用于工业控制及仪表、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品,尤其是对步进电机控制有较高的实时性和可靠性,可以达到精确定位的要求。本文讨论了基于ARM微处理器的全自动引伸计控制系统。该系统可自动夹紧、松开试样,并且将试样的变形量自动采集并传送到上位机,从而在一定程度上解决了传统引伸计存在的缺陷。
2 系统架构
本系统的控制器选用Philip公司的LPC系列的LPC2114芯片,内部集成6路输出的PWM单元、4路10位的A/D转换器、2个32位定时器、多个串行接口、向量中断控制器等控制模块,并且该芯片有128K片内Flash程序存储器,46个通用I/O口,9个边沿或电平触发的外部中断引脚[2]。该设计采用基于JTAG的调试解决方案,便于程序调试修改。
所设计的全自动引伸计是杠杆式引伸计,由机械传动装置、测臂及光栅尺等组成。引伸计测臂的一端连接刀口,另一端连接光栅尺。以测臂与丝杠的连接点为支点,当试样发生变形时,刀口会随试样移动,则测臂绕支点旋转,光栅尺便有信号输出,由此可得到光栅尺测头移动的距离,根据两个端点分别到支点距离的比例关系,可得到刀口运动的距离,即试样的变形量。另外跟踪单元把引伸计安装到试验机上,并使其跟随动横粱上下移动,引伸计的移动速度与动横梁成一定比例关系。
控制系统可以通过RS-232串行接口实现与上位机的通信,由上位机向控制器发送指令,指令包括试样的标距、测臂的夹紧和松开信号。系统的其他硬件还有电源电路、两个光栅尺、JTAG接口、直流电机和步进电机等。其中一个光栅尺与引伸计测臂的机械结构相连,实时检测两测臂间的距离,该距离作为标距的反馈信号,与所设定的标距相比较,进而调整ARM给步进电机发送的脉冲数,提高了标距调整的精度。另外一个光栅尺用来测量试样的变形量,它的接口连接到试验机控制器的测量通道上,由该控制器向上位机发送试样的变形量。引伸计标距的调整是由步进电机控制丝杠来实现的,直流电机通过相应的机械结构控制测臂的夹紧与松开。系统的架构如图1所示。
3 系统硬件设计
控制系统硬件设计的实现包括以下几部分:电源电路、JTAG接口电路、倍频电路、串口电路、直流电机驱动电路和步进电机驱动电路。
3·1 电源电路
LPC2114是双电源供电,I/O口的供电电源为3.3V,内核及片内外设的供电电源为1.8V,所以设计为3.3V应用系统。本设计使用LM1117MPX-3.3和LM1117MPX1.8芯片稳压输出3.3V和1.8V电压[2],其特点是输出电流大,输出电压精度高,稳定性高。
3·2 JTAG接口电路
采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口,JTAG接口上的信号nRST,nTRST与LPC2114的复位电路连接,达到共同控制系统复位的目的[3],并在RTCK引脚接一个4.7kΩ的下拉电阻,使系统复位后LPC2114内部的JTAG接口使能。
3·3 倍频电路
在试验开始时,需要对引伸计的标距进行精确的测量。为了提高控制精度,本设计采用四倍频检测电路[4],电路图如图2所示。采用74LS221检测出光栅尺A、B相的上升沿和下降沿,进行一系列的数字逻辑运算后,得到正反转的四倍频脉冲输出。该电路输出脉冲的宽度受图中电容和电阻的影响。
3·4 串口电路
LPC2114微控制器包含两个UART接口,该串口只提供TXD和RXD信号引脚,在本系统中只使用了TXD、RXD和GND信号。由于系统是3·3V系统,所以使用了MAX3232进行RS232电平转换,MAX3232是3V工作电源的RS232转换芯片。
3·5 电机驱动电路
为提高系统效率、降低功耗,功放驱动电路采用基于双极型H桥型脉宽调制方式(PWM)的集成电路L298N。L298N可驱动46伏、2安培以下的直流电机和步进电机。在本设计中步进电机和直流电机的控制原理是一样的,驱动电路也类似。图3为步进电机的驱动电路,图中的二极管阵列为快速恢复二极管,用于保护L298N。电机的控制信号由ARM的PWM单元通过编程设定I/O口输出PWM波形。
4 系统工作流程
系统的工作流程如图4所示。图中,BL0为标距调整状态的标志值,初始值为1,标距调整完毕后,复位BL0。L为前次试验设定的标距值,L0为这次试验设定的标距值,L1为两测臂相对运行的距离。
在试验开始前,两测臂间的距离为上次试验的标距值,上电后检查系统是否正常工作,若无法工作,报警显示。然后控制器等待上位机通过串口发送指令,若有指令,接收并分析该指令,如果指令调整标距,判断L0与L是否相等,若相等,则不需要调整标距。若LL0,则控制电机反转,控制过程与正转类似,由此可精确地调整标距。如果指令为夹紧或松开试样,且BL0为1,继续等待标距指令,系统必须调整完标距之后,才可接收夹紧或松开试样的指令;若BL0为0,则表明已调整好标距,此时ARM输出信号,驱动直流电机转动,电机正转可控制测臂夹紧试样,反转测臂松开试样,其中光栅尺的脉冲捕获是用中断实现的。
5 结束语
本文研究了一种基于ARM微处理器的全自动引伸计控制系统,该控制系统可以通过RS-232串行接口接收各种控制信号,在无人操作的情况下,自动夹持试样和调整标距,配合试验机的控制器可以得到力-变形曲线。控制器采用四倍频检测技术,提高了测量精度;采用L298N驱动直流电机和步进电机,提高了系统精度,降低了功耗。
参考文献
[1] 李君实.刀口自动脱卸式引伸计[J].理化检验-物理分册, 2003,39(11):578-580.
[2] 周立功,等.Easy ARM2100开发套件用户指南[Z].2004.
[3] 周立功,张华,等.深入浅出ARM7-LPC213x/214x[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.
[4] 刘飞龙,装海龙.光电脉冲编码器四倍频电路的实现及其应用[J].自动化仪表, 2000,21(9):4-6.
本文作者：王金阳,梁春华
