基于虚拟仪器的扭簧检测系统的设计*

建军

(江汉大学物理与信息学院 武汉 430056)

1 系统硬件结构

控制与数据采集系统由上位机和下位机组成,由于系统对运行速度、灵敏度、稳定性及抗干扰等方面的要求,选用一般个人计算机作为上位机,进行虚拟仪器labV iew程序的设计和开发、以C8051F020作为下位机进行数据采集并通过USB将数据发送到上位机.

下位机采用功能强大、自带A/D转换模块和USB通信模块的C8051F020.实现扭簧数据的采集和控制[1-2].系统硬件结构如图1所示.

图1 系统硬件结构图

2路检测信号为转矩传感器信号和光电编码器信号.路角位移传感器(光电编码器)将一个输出脉冲信号对应于一个增量位移,另一路由其加计数器对脉冲进行计数,通过信号调理,进入C8051F020进行处理,换算成扭簧的角度,转矩传感器将扭簧的扭转力矩产生的应变转换为与其成线性关系的电信号,经A/D转换模块转换为数字量.

1.1 C8051F020单片机模块

C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片,具有 64个数字I/O引脚,高速、流水线结构的 8051兼容的 CIP-51内核 ,自带12位8通道ADC.

本设计所采用的主控制器为C8051F020,它与普通51单片机兼容,不同的是带有内部ADC,十分适合用来实现此次设计中的相关功能.采用内部集成模块,不仅大大简化了硬件系统的设计,而且增加了系统的稳定性和可靠性.

与C8051F020连接的是放大芯片AD620,光耦滤波芯片6N138,液晶与键盘.由传感器来的微弱信号需要进行放大,以提高信号分辨率.为了达到最高的测试精度,应该使被测信号的电压变化范围被放大至ADC的最大量程附近,这样可以提高测量精度.在本文的设计中,采用了AD620作为放大芯片,AD620是一种低功耗的仪用放大器,特别适合做小信号的前置放大级,经AD620放大后的小信号失真度很小.图2所示为信号滤波与放大电路图.

图3所示为AD620仪表放大器的脚位图.其中1,8引脚要跨接一个电阻来调整放大倍率,4,7引脚需提供正负相等的工作电压,由 2,3引脚输入的放大的电压即可从引脚6输出放大后的电压值.引脚5则是参考基准,如果接则引脚6的输出即为与地之间的相对电压.AD620的放大增益关系式如式(1)、式(2),借由该等式,可以推算出各种增益所需要电阻的阻值.

放大倍数

阻值取值

图2 内部结构与外部连接图

图3 管脚图

AD620的基本特点为精确度高、使用简易、低噪声,应用十分广泛,其增益范围:1～1 000,电源供应范围:±2.3～ ±18 V,耗电量极低,仅为1.3 mA,在本次设计中,转矩传感器发出的是mV级的电压,C8051F020中,AD的参考电压为2.5 V,故G取50,RG=1 KΩ.

1.2 隔 离

光电编码器输出的是脉冲信号,对于脉冲信号采用光电隔离的方法进行采集,隔离也是信号调理中的一种.由于光耦合器件输入输出间采用光传输信号,传数据有单向性的特点,输入输出完全实现了电气隔离,从安全的角度把传感器信号同计算机隔离开,因为被监测系统可能产生瞬时高电压.另一个原因是隔离可使从数据采集板出来的数据不受地电位和输入模式的影响.当输入DAQ板的信号与原始的信号不共地时,可能产生较大误差甚至损坏系统,而用隔离办法就能保证信号准确,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力[3-4].

6N138 作为光耦合器件适合对开关量进行隔离,6N138光耦是由A lGaA s LED和一个大增益分离达灵顿光电检测器耦合组成的(如图4,5),分离的达灵顿检测器是由输入的发光二极管和来自输出晶体的一级增益构成的,输出晶体允许比传统的达灵顿光耦更低的输出饱和电压和更高转换速度,当输出需要兼容CMOS和TTL的电平时,0.5 mA的低输入电流和2 000%的高电流转换率的结合使该器件对于MOS,CMOS,LSTTL and EIA RS232C这些电平是很有用的.6N138在系统中的接法如图6所示.

图4 6N138引脚图

图5 6N138内部结构图

图6 6N138在系统中的接法

2 系统软件结构

2.1 下位机的软件设计

由于本系统要求的功能多,所以软件设计比较复杂.为使程序清晰、明了、更有于修改和维护,单片机系统软件采用模块式结构,选用了C语言进行编程.程序的易编性与易读性好,便于调试、修改和功能扩充.

各个功能模块的硬件设计,构成整个系统的物理基础.各功能模块需要在一定的软件程序控制之下才能完成自身功能并且协调工作.要使各功能模块协调配合,真正地运作起来,还必须由软件将它们连成一个有机整休,整个系统才能协调完成指定的功能,并具有“自动化”、“智能化”的特点.

本系统软件可分为以下几个主要模块:主程序、系统初始化、键盘扫描、液晶显示、数据采集,数据存储等.程序流程图如图7所示.

图7 程序流程图

2.2 上位机的软件设计

上位机采用 LABVIEW软件来实现扭簧的测试,该软件是运用图形化编程语言LabV IEW为软件开发平台,在程序的开发过程中运用模块化的设计思想,根据不同功能的需要,分别组建各种功能模块,本系统包含了数据采集模块、数据存储与读取模块、数据处理模块、结果显示模块,其界面设计如图8所示[5-6].

利用LABV IEW软件的开发平台,设计扭簧测试系统的计算机测控程序.实现的主要功能有:(1)显示扭簧角度动态变化过程以及转矩实时测量值;(2)按类型和编号等参数对扭簧的测试数据进行储存,生成历史数据库.取得权限的操作人员可以对扭簧的试验理论参数进行处理;(3)根据测试数据生成报表和扭簧力矩-角位移关系曲线,并可打印;(4)对现场执行机构进行操作.人机对话界面有参数设置界面、扭簧试验数据界面、报表界面等,参数设置界面要求用户设置类型和编号等参数.如果参数设置不正确,计算机将发出提示信号.同时操作人员可以对弹簧的试验理论参数进行修改,修改后的数据自动保存.保存数据为二进制格式,并释放串口资源.各节点之间使用事件结构设置,前面板和框图同步执行,节省了CPU资源.

图8 LabV IEW界面设计

3 实验结果及指标分析

3.1 扭簧扭角实测结果

表1 扭角实测数据与标准数据的比较

3.2 数据分析与结论

对扭簧测试仪器设计了共用的测量电路接口,以先进的数字化采集和数据处理系统代替了原机械测量系统.从性能指标上分析,扭簧测试仪器达到了测量±1%以内、扭簧测试仪器达到了±1%以内.并且引入微机处理系统,具有测量、数据存储处理等功能,功能指标大大增强.因此,扭簧测试机系统的研制获得了满意的结果.

4 结 束 语

本文以测量扭簧转矩性能测试装置的研制项目为背景,围绕扭簧的扭矩和角度测试及自动筛选问题,研究并解决模拟信号和脉冲信号处理的技术难题,设计相关电子电路.在软件方面,下位机和LabVIEW的编程使用了C和G(graphic)这2种流行语言.全文从整个测量系统出发,设计了系统方案并进行了分析.系统从响应用户输入,到检测扭簧参数,到比对标准数据,再到结果判断并输出,实现了全自动控制.

[1]毛建东.基于LabVIEW的单片机数据采集系统的设计[J].微计算机信息,2006,(2):41-42.

[2]杨乐平,李海涛,杨 磊.LabVIEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.

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