一种平托盘抗压试验机的模块化电控设计

蒋国文，张 翼，朱新华，汪指航

(中建材智能自动化研究院有限公司，杭州 310015)

平托盘包括纸托盘、木托盘、塑料托盘、金属托盘、人造板托盘等，是物料堆码、搬运的重要载体。平托盘抗压试验机是用于平托盘抗压性能的专用检测仪器，是平托盘产品质量控制的重要设备。

GB/T 4995—2014《联运通用平托盘 性能要求和试验选择》规定了平托盘的产品种类和试验内容，GB/T 4996—2014《联运通用平托盘 试验方法》则详细说明了平托盘各项指标的试验方法。在以上两项国家标准的指导下，平托盘抗压试验机产业得到了长足的发展。传统的平托盘抗压试验机多采用外部联接电脑的方式进行运行控制和数据管理，但随着生产管理需要，仪器不再是实验室的专属设备，环境较为恶劣的生产场所对仪器的需求大幅增加。采用嵌入式电子控制的可适用于车间等较复杂环境的平托盘抗压试验机成为一个可行的选择。

该文研究了一种模块化的、易于产品升级和功能扩展的平托盘抗压试验机嵌入式电控设计方案。该方案不但可以提供更高精度的传感器数据采集能力、更精准的位置控制能力，还可以根据用户需求提供友善的用户交互界面、丰富的信息交互接口以及完善的数据管理功能，具有操作便利、成本较低、占用空间较小、环境适应性较强等优点。

1 方案说明

设计方案对平托盘抗压试验机电控部分的功能进行了整理和分割。根据功能分为与仪器基础性能相关的数据采集和运动控制模块，以及与产品功能相关的用户交互和数据管理模块。前者置于仪器内部较靠近传感器的位置缩短传感器到控制板的距离以降低信号干扰的影响，后者置于面板位置。两个部分分别作为独立的模块完成各自的任务，通过CAN总线进行模块间的数据交互，共同完成整体工作。该设计方案使用运算能力相对较弱同时价格低廉、稳定性高的工业级SOC芯片开发数据采集和运动控制模块，在保证工作性能和稳定性的前提下，不会对产品功能部分造成瓶颈；使用高性价比高性能但抗干扰能力一般的SOC芯片开发用户交互和数据管理模块，可以提供优秀的用户交互界面、强大的数据管理工具、完善的网络通信协议以及丰富的外设接口，同时不会影响到仪器的基础性能，也不易受电控信号的干扰。当原有的功能无法满足用户需求时，可以单独升级该模块，不会对产品性能以及测试结果一致性产生影响。

2 方案的技术实现

2.1 数据采集和运动控制模块

如图1所示，数据采集和运动控制模块采用稳定性好抗干扰能力强的工业级SOC芯片作为核心，通过ADC和运放电路连接传感器进行数据采集，通过SOC芯片内置的计数器连接编码器获取位移信息，通过SOC芯片内置的PWM模块和外围电路连接伺服电机驱动器控制伺服电机的动作,通过SOC芯片的I/O模块连接限位保护装置实现位移保护。以上设计使得数据采集和运动控制模块可以独立完成测试过程中的闭环控制。此外，通过SOC芯片内置CAN控制器连接CAN收发器并挂载到CAN总线，实现通过CAN总线进行模块间数据交互。

在模块间信息交互方面，数据采集和运动控制模块接收的是数据请求、测试控制、压板位移控制等指令，发送的是仪器工作状态、压板位置、实时采样数据、试样测试结果等数据。得益于CAN总线的多主通信特性，数据信息可由数据采集和运动控制模块主动发送，也可以采用应答方式发送。

数据采集和运动控制模块虽然主要受指令控制，但在测试过程中可在脱离外部控制的情况下独立完成工作。即使在极端条件下失去与CAN总线上其他模块的连接，亦可确保仪器不会因为压力过载、行程超限等原因而损坏。

2.2 用户交互和数据管理模块

如图2所示，用户交互和数据管理模块采用一片高性能高性价比SOC芯片作为核心，使用SRAM芯片和NAND FLASH扩展存储容量，连接显示屏、触摸屏、键盘、打印机等设备进行与用户的交互，还提供了丰富的数据导出接口和联机接口。与数据采集和运动控制模块一样，SOC芯片通过内置CAN控制器连接CAN收发器，挂载到CAN总线实现模块间互联和通信。

用户交互和数据管理模块一方面识别用户输入信息并向数据采集和运动控制模块发送指令，另一方面接收数据采集和运动控制模块发送的数据信息加以处理，通过显示屏、打印机向用户输出，并对格式化的数据进行存储管理。

用户交互和数据管理模块可以根据用户的需求扩展或修改功能，也可以通过改良硬件提高性能，而这些变动不会影响到仪器的基础性能。

3 数据采集和信号处理

3.1 模拟电路设计

平托盘抗压试验机的量程上限通常需要达到100 000 N(约合10 t)及以上。通常满量程10 t及以上的传感器灵敏度在2 mV/V左右，当激励电压为5 V时，满量程差分信号电压值为10 mV左右，直接用于采样过于微弱，因此需要设计高阻抗、高信噪比的放大电路进行电压增益。为提高运放电路的信噪比，研究采用在运放前加一级单管电路构成低噪声低偏置的JFET mos对管电路的办法，并采用负反馈的方法抑制温漂和参数离散化。

平托盘抗压试验机的分辨力通常应不大于1 N，而量程上限通常不低于100 000 N，故应选用18位及以上精度的ADC(模/数转换器)。为保证采样间隔足够短，ADC的采样速率应不低于100 SPS。该研究中，为更好地实现数字滤波，采用了采样速率大于1 000 SPS的ADC。

3.2 信号数字滤波

数字滤波是采用程序处理的方法，对一系列数字化的采样信号进行预处理，利用频谱特征去除混杂在信号中的各种干扰，突出有效信号。平托盘受压后的压力有效采样信号具有连续性特点，恒速压缩测试下压力变化速度和压力值有显著的相关性；干扰信号多为较低频率的波动性干扰，在电压稳定性较差的工作环境下可能会有尖峰型干扰。根据以上特点，该研究采用限幅平均滤波法，先根据当前压力值、压力变化速度和采样数据序列对新的采样信号数据变化幅度进行限制，然后将新的采样信号数据加入序列(同时按照FIFO原则剔除序列中采样时间最早的采样数据)，再在去掉序列中最大和最小的采样数据(不剔除出序列)后计算平均值。

4 运动控制处理

4.1 恒速控制处理流程

恒速压缩测试法是使动压板以恒定的速度运动，挤压被测试样的测试方法，是抗压性能测试中较为常用的测试方法。恒速压缩测试过程的软件处理流程为SOC芯片发送控制信号给电机驱动器，使电机以指定的转速带动压板运动，而连轴编码器把电机实际转动角度信号发送给SOC芯片以验证实测速度是否与控制信号一致，组成一个闭环控制系统。同时，SOC芯片通过模/数转换芯片得到传感器测得的压力值信号，当压力值信号显著下降时判定试样被压溃。当行程限位开关闭合时，SOC芯片控制电机停止。

4.2 应变控制处理流程

应变测试法中动压板的速度并不是恒定的，而是根据当前压力变化情况即时调整动压板速度，保持以恒定的压力增加速度直至试样被压溃。SOC芯片发送速度控制信号给电机驱动器，同时通过ADC得到传感器测得的压力值信号，通过连轴编码器得到电机实际转动角度信号，SOC芯片根据压力变化和间隔时间计算加压速度，并调整发送给电机驱动器的速度控制信号。当行程限位开关闭合时，SOC芯片控制电机停止。应变控制的软件处理流程如图3所示，其中A为设定的恒定压力增加速度(通常为测试标准规定的加压速度)，a为由相邻两次采样测得的力值变化与采样间隔时间计算得到的即时压力增加速度。

4.3 恒载荷控制

恒载荷测试法是在指定的载荷时间内给试样施加指定的载荷力并记录试样变形量的测试方法，多用于堆码试验，用于模拟长时间装载一定质量货物对平托盘的影响。SOC芯片控制电机运行使压板对试样施加压力，当监控到传感器测得的压力值信号达到指定载荷力时停止电机，待压力值下降到一定程度(此研究中为压力值下降到指定载荷力的99%)时，控制电机以低速运行缓慢增加压力至压力值达到指定载荷力后停止，如此反复直至加压时间达到指定的载荷时间。同时，通过计算连轴编码器转动的角度值，可以得到试样的变形量。

5 基于CAN总线的模块间通信

5.1 CAN总线概述

CAN即控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)，是国际上应用最广泛的现场总线之一，使用差分信号传输，有较强的抗干扰和纠错重发机制，广泛应用于汽车、轨道交通、医疗、煤矿等行业。

5.2 硬件连接

该研究中，硬件连接遵循 ISO11898 标准的高速、短距离“闭环网络”，在总线两端各配置一个120 Ω电阻，各模块通过CAN控制器和CAN收发器连接到CAN总线。这种连接模式下，当总线长度不超过40 m时通信速度最高可达1 Mb/s，很适合平托盘抗压试验机内部各模块间物理距离较短、数据传输量较大、要求通信速度较高的特点。

5.3 软件协议

CAN总线协议的多主工作模式使得每个模块都可以发起数据通讯。该研究中将数据通信协议分为“询问-答复”和“主动告知”两类。

“询问-答复”类型的通信为用户交互和数据管理模块发起的通信，除获取数据信息外，另一个作用在于同步两个模块的工作状态。用户交互和数据管理模块发送指令到数据采集和信号处理模块，数据采集和信号处理模块在收到指令后需要回送一个仪器工作状态数据包作为应答，并按照协议规定发送数据信息。当用户交互和数据管理模块收到协议规定的全部数据信息后，再发送一个表示“数据接收完毕”的状态数据包给数据采集和信号处理模块，完成这一次的模块间通信。

“主动告知”类型的通信则是数据采集和信号处理模块发起的通信，主要为仪器的状态信息，包括仪器状态、采样数据、位移数据、测试完成信息和异常信息(异常包括伺服电机异常信息、存储器异常信息、限位开关触碰信息、超量程报警信息等)。其中，仪器状态、采样数据、位移数据为周期性发送，为保证通信速度，不要求响应数据包；测试完成信息和异常信息则是在事件发生时发送，并要求用户交互和数据管理模块回送响应信息，以确保这些信息得到了有效处理。如果在一定时间内没有响应信息，则需重新发送。

6 结 语

我国检测仪器最早是少数科研单位和研究所使用，之后企业为加强产品品质控制在自建的实验室里使用各种检测仪器。如今越来越多企业为提高效率需要把检测仪器搬到生产现场，因此对仪器的环境适应性要求越来越高。另一方面，用户对于仪器性能和功能方面的要求也在不断提高，不但要求精度更高数值更准确的测试结果，而且增加了对数据管理、分析、互联方面的功能需求，同时还需要适应90后、00后等新生代操作人员的使用习惯。

该文研究的平托盘抗压试验机正是同时适应较恶劣工作环境和提供较完善产品功能的一种典型性仪器。该研究的设计考虑到了平托盘抗压试验机在各种应用场景中的不利因素，能够满足绝大多数用户的实际使用需求，并兼顾了产品维护升级的便利性和成本，亦可用于万能试验机等类似结构的仪器设备，具有较广泛的应用前景。