專利名稱：一種基于dsp的試驗機(jī)測控器及其測控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測控器及其測控方法，特別涉及一種用于材料試驗，基于數(shù)字信號處理器(DSP)的試驗機(jī)測控器及其測控方法。
背景技術(shù)：
材料試驗機(jī)在航空航天、國防軍工、科研單位、大專院校、質(zhì)檢部門、金屬和非金屬等眾多行業(yè)及領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的材料試驗機(jī)的測控器通常是采用單片機(jī)或X86等CPU來系統(tǒng)集成，如圖1所示，包括計算機(jī)、測控器、傳感器、交流伺服系統(tǒng)、RS232串口通訊單元等組成。在計算機(jī)上運行試驗機(jī)專用測控及數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件，將預(yù)先設(shè)定的試驗機(jī)測控所需要的所有指令參數(shù)輸出到試驗機(jī)測控器，試驗機(jī)測控器根據(jù)接收到的指令參數(shù)生成TTL電平的脈沖信號和方向信號，輸出到交流伺服系統(tǒng)內(nèi)的伺服器，從而控制伺服系統(tǒng)的伺服電機(jī)運行。同時試驗機(jī)測控器將采到的模擬和數(shù)字信號通過RS232串口傳送給計算機(jī)，作為獲得的數(shù)據(jù)，再通過試驗機(jī)專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，生成試驗報告。然而，由于其采用單片機(jī)或X86等CPU，故數(shù)據(jù)采集精度低、控制性能差，控制各控制環(huán)之間不能平滑過渡，難以實現(xiàn)三閉環(huán)控制，且由于X86等PC機(jī)外設(shè)不豐富，需要較多的外圍器件加以支持，故導(dǎo)致體積增大、成本高，可維護(hù)性差；另外，由于采用RS232串口通訊，通訊速率低，實時性差。

發(fā)明內(nèi)容為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于DSP的試驗機(jī)測控器及其測控方法。
本發(fā)明提出的基于DSP的試驗機(jī)測控器包括處理器、數(shù)據(jù)采集單元、控制輸出單元、通訊接口單元及人機(jī)接口單元；其中所述的處理器采用DSP作為主控器，其上設(shè)置有初始化模塊、系統(tǒng)管理模塊、USB通訊協(xié)議模塊、外設(shè)模塊、8路A/D數(shù)據(jù)采集模塊、3路光電編碼器數(shù)據(jù)采集模塊、控制及運行管理模塊和驅(qū)動模塊，通過計算機(jī)控制執(zhí)行力、變形、位移三閉環(huán)全數(shù)字控制；數(shù)據(jù)采集單元包括模擬信號采集電路和數(shù)字信號采集電路，其中模擬信號采集電路包括有24bit高精度A/D轉(zhuǎn)換器，增益可在線編程；控制輸出單元包括有模擬信號輸出電路和數(shù)字信號輸出電路；通訊接口單元采用USB通訊接口方式。
本發(fā)明提出的基于DSP的試驗機(jī)測控方法，所述的DSP上設(shè)置有初始化模塊、系統(tǒng)管理模塊、USB通訊協(xié)議模塊、外設(shè)模塊、8路A/D數(shù)據(jù)采集模塊、3路光電編碼器數(shù)據(jù)采集模塊、控制及運行管理模塊和驅(qū)動模塊，并通過計算機(jī)執(zhí)行下列步驟a.打開設(shè)備驅(qū)動程序，然后初始化動態(tài)鏈接庫，與測控器建立連接；b.等待測控器初始化完成，獲得測控器的量測值后設(shè)定執(zhí)行步驟命令；c.向測控器發(fā)送控制命令，測控器根據(jù)命令的要求進(jìn)行控制，實時監(jiān)視并采集數(shù)據(jù)，同時存儲實驗數(shù)據(jù)；d.根據(jù)相應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)對存儲的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，打印輸出實驗報告；e.將測控器脫離連接，保存動態(tài)鏈接庫設(shè)置，關(guān)閉設(shè)備驅(qū)動程序。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過以專用DSP處理器作為主控器，由測控及數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件的控制，采用了力、變形、位移三閉環(huán)全數(shù)字控制算法，結(jié)合數(shù)據(jù)采集單元、控制輸出單元，以及采用USB通訊方式的通訊接口單元，使該測控器具有實時性高、數(shù)據(jù)采集性精度高、控制實現(xiàn)三閉環(huán)且無沖擊切換、體積小、成本低、易維護(hù)等優(yōu)點。

下面結(jié)合附圖和較佳實施例對本發(fā)明說明如下，其中圖1為現(xiàn)有試驗機(jī)測控器電路方框圖；圖2為本發(fā)明基于DSP的試驗機(jī)測控器的原理方框圖；圖3為本發(fā)明一實施例的數(shù)據(jù)采集通道的電路框圖；圖4為本發(fā)明一實施例的伺服驅(qū)動電路框圖；圖5為本發(fā)明一實施例的通訊接口電路框圖；圖6為本發(fā)明一實施例的人機(jī)接口電路框圖；圖7為本發(fā)明一實施例的模塊流程圖；圖8為本發(fā)明一實施例的系統(tǒng)管理模塊流程圖；圖9為本發(fā)明一實施例的USB通訊模塊流程圖；圖10為本發(fā)明一實施例的8路A/D數(shù)據(jù)采集模塊流程圖11為本發(fā)明一實施例的控制及運行管理模塊流程圖；圖12為本發(fā)明一實施例的試驗機(jī)專用測控及數(shù)據(jù)處理應(yīng)用流程圖。
具體實施方式參照圖2所示，本發(fā)明提出的基于DSP的試驗機(jī)測控器包括處理器單元1、數(shù)據(jù)采集單元2、控制輸出單元3、通訊接口單元4及人機(jī)接口單元5。
處理器單元1以專用DSP處理器100作為主控器，其包括8路24bit高精度模擬傳感器的信號采集通道10，3路光電編碼器采集通道11，1路伺服系統(tǒng)的驅(qū)動通道12，1路16bit模擬輸出通道13，1路USB接口通訊通道14，以及1路簡易鍵盤的通訊通道15。
在PC機(jī)上運行試驗機(jī)專用測控及數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件，根據(jù)用戶設(shè)定的試驗方案，將預(yù)先設(shè)定的試驗機(jī)測控所需要的所有指令參數(shù)通過USB接口通訊通道14以USB方式傳送到DSP處理器100，DSP處理器100根據(jù)接收到的指令參數(shù)生成TTL電平的脈沖信號和方向信號，通過伺服系統(tǒng)的驅(qū)動通道12輸出到交流伺服器，從而實時有效控制伺服電機(jī)運行。同時DSP處理器100將由數(shù)據(jù)采集單元2采到的模擬信號，如力和小變形等，以及數(shù)字信號，如位移和大變形等，通過USB方式傳送給PC機(jī)作為獲得的采樣數(shù)據(jù)。DSP處理器100再根據(jù)獲得的模擬和數(shù)字信號，采用先進(jìn)的控制算法進(jìn)行閉環(huán)控制，再通過試驗機(jī)專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，生成試驗報告。
請參照圖3所示，數(shù)據(jù)采集單元2包括有兩大部分，第一部分是模擬傳感器的采集電路，第二部分為數(shù)字傳感器的采集電路。
模擬傳感器的采集電路由信號調(diào)整電路、8路24bit高精度A/D轉(zhuǎn)換、高精密參考源IC、高精準(zhǔn)激勵源IC和多路復(fù)用器MUX組成。模擬傳感器的模擬的信號經(jīng)過信號調(diào)整電路，輸入到24bit A/D轉(zhuǎn)換器的AIN+、AIN-引腳，再通過SDI、SDO、CLK信號傳送到多路復(fù)用器MUX，然后傳送到DSP處理器100的IOPC0、IOPD0、IOPA2口。其中由于有8路通道輸入，為節(jié)省DSP處理器100的資源，此處可以采用多路復(fù)用器MUX，由DSP處理器100控制采樣；另外，此處的采用高精度的穩(wěn)壓參考源對精度的提高有很重要的作用。
數(shù)字傳感器的采集電路可以直接接入DSP處理器100，其中光碼信號1用于位移信號采集，它直接輸入到DSP處理器100的QEP1和QEP2口，光碼信號2、3用于大變形或其他數(shù)字信號采集，它直接輸入到DSP處理器的IOPF4～I(xiàn)OPF7口。
控制輸出單元3包括模擬信號輸出電路和數(shù)字信號輸出電路，其中，模擬信號輸出電路主要是通過16bit D/A轉(zhuǎn)換生成電壓信號實現(xiàn)對電液伺服閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，用于液壓試驗機(jī)的驅(qū)動；數(shù)字信號輸出電路主要是通過生成脈寬調(diào)制(PWM)脈沖波實現(xiàn)對伺服電機(jī)的控制，用于伺服電機(jī)的驅(qū)動；請參照圖4所示，根據(jù)用戶設(shè)定的試驗方案，將預(yù)先設(shè)定的試驗機(jī)測控所需要的所有指令參數(shù)通過USB方式傳送到DSP處理器100，DSP處理器100根據(jù)接收到的指令參數(shù)生成TTL電平的脈沖信號和方向信號，輸出到交流伺服器，從而實時有效控制伺服電機(jī)運行。
請參照圖5所示，通訊接口單元4采用USB通訊接口方式，包括有USB通訊芯片，其中USB芯片的USBTX、USBRX引腳分別與DSP處理器100的IOPA0、IOPA1口相連，而USB+、USB-引腳與PC機(jī)的USB通訊口信號相連。由于采用了USB通訊方式，速度可以達(dá)到480MPS，并且支持熱插拔?？梢源蟠筇岣呖刂频膶崟r性和數(shù)據(jù)處理交換能力。在本實施例中采用USB2.0通訊方式。
請參照圖6所示，人機(jī)接口單元5直接通過USB與PC機(jī)的USB口相連，打印機(jī)可以直接接入打印機(jī)。由于小鍵盤的通訊速率要求不高，可以通過DSP的兩個IO口與小鍵盤相連，可以采用I2C通訊方式或RS232通訊方式。
請參照圖7所示，本發(fā)明中DSP控制器設(shè)置了8大功能模塊，即初始化模塊、系統(tǒng)管理模塊、USB通訊模塊、外設(shè)模塊、8路A/D數(shù)據(jù)采集模塊、3路光電編碼器數(shù)據(jù)采集模塊、控制及運行管理模塊和驅(qū)動模塊組成。其中系統(tǒng)管理模塊、USB通訊模塊、8路A/D數(shù)據(jù)采集模塊、控制及運行管理模塊是本測控器的關(guān)鍵技術(shù)所在。
初始化模塊包括DSP處理器初始化和測控器初始化兩大部分。DSP處理器初始化用來設(shè)置DSP處理器的各種寄存器以及變量置初值，分配DSP處理器資源和啟動各種外設(shè)。
請參照圖8所示，本發(fā)明系統(tǒng)管理模塊包括時鐘管理、安全管理、系統(tǒng)資源及狀態(tài)管理。時鐘管理將根據(jù)測控的實時性要求，按照事件優(yōu)先級分配DSP處理器輪詢時間等。安全管理部分是用于保護(hù)各種傳感器不受損壞、試驗機(jī)橫梁限位，以及防止飛車等，保證設(shè)備和人生安全。系統(tǒng)資源及狀態(tài)管理部分的功能是分配和整合整個測控系統(tǒng)的事件能有效運行并且可控，在線偵測機(jī)器的各種運行狀態(tài)。
請參照圖9所示，本發(fā)明USB通訊模塊由IN數(shù)據(jù)和OUT數(shù)據(jù)組成。IN數(shù)據(jù)是由測控器發(fā)給PC機(jī)的數(shù)據(jù)包，PC機(jī)接收到以后，根據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行解碼，用于數(shù)據(jù)采集信息、機(jī)器狀態(tài)信息、請求信息和握手信息的交換。OUT數(shù)據(jù)是由PC機(jī)根據(jù)試驗機(jī)專用測控及數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件發(fā)給測控器的數(shù)據(jù)包，測控器接收到以后，根據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行解碼，用于用戶設(shè)置的方案信息和聯(lián)機(jī)請求信息的交換。
外設(shè)模塊由小鍵盤管理程序和繼電器管理程序組成。小鍵盤管理程序負(fù)責(zé)簡易小鍵盤按鍵信息的接收和處理。繼電器管理程序負(fù)責(zé)將測控器的分析出的動作發(fā)送給繼電器執(zhí)行，控制試驗機(jī)相關(guān)動作的運行。
請參照圖10所示，本發(fā)明8路A/D數(shù)據(jù)采集模塊包括測量數(shù)據(jù)管理程序和反饋數(shù)據(jù)管理程序。測量數(shù)據(jù)管理程序和反饋數(shù)據(jù)管理程序用于設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器的增益、轉(zhuǎn)換速率和啟動A/D轉(zhuǎn)換等，根據(jù)系統(tǒng)配置將力、變形等模擬信號實時采集到控制器。
3路光電編碼器數(shù)據(jù)采集模塊包括測量數(shù)據(jù)管理程序和反饋數(shù)據(jù)管理程序。本模塊的測量數(shù)據(jù)管理程序和反饋數(shù)據(jù)管理程序負(fù)責(zé)將位移、大變形等光電編碼器的數(shù)字信號實時采集到測控器。
請參照圖11所示，本發(fā)明中的控制及運行管理模塊由控制命令譯碼程序、神經(jīng)元自適應(yīng)比例、積分、微分(PID)控制管理程序、控制參數(shù)辨識程序、控制切換及過渡管理程序、其它控制程序(保持控制、自動金屬拉伸等)構(gòu)成。控制命令譯碼程序?qū)⒔邮盏降腎N數(shù)據(jù)包里的命令進(jìn)行譯碼處理，轉(zhuǎn)換成各執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠識別的信號。其中神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制管理程序、控制參數(shù)辨識程序、控制切換及過渡管理程序、其它控制程序，將根據(jù)用戶方案的設(shè)置控制要求，實現(xiàn)準(zhǔn)確、無人工干預(yù)的、全自動、高性能的在線控制。
驅(qū)動模塊包括伺服電機(jī)驅(qū)動管理程序、電液伺服閾驅(qū)動管理程序。伺服電機(jī)驅(qū)動管理程序用于實時、準(zhǔn)確地向伺服器發(fā)送PWM脈沖信號，控制伺服電機(jī)的位移和速度。電液伺服閾驅(qū)動管理程序用來實時、準(zhǔn)確地向伺服閥發(fā)送精準(zhǔn)的模擬控制信號，控制伺服閥的開度和控制速度，從而實現(xiàn)三閉環(huán)，即力閉環(huán)、變形閉環(huán)、位移位移閉環(huán)的控制，且任意控制環(huán)之間自動切換且平穩(wěn)過渡、控制精度高。
請參照圖12所示，本發(fā)明基于DSP的實驗機(jī)測控方法主要通過于測控器DSP上燒制以下模塊初始化模塊、系統(tǒng)管理模塊、USB通訊協(xié)議模塊、外設(shè)模塊、8路A/D數(shù)據(jù)采集模塊、3路光電編碼器數(shù)據(jù)采集模塊、控制及運行管理模塊和驅(qū)動模塊，并通過計算機(jī)控制執(zhí)行下列步驟a.打開設(shè)備驅(qū)動程序，然后初始化動態(tài)鏈接庫，與測控器建立連接；b.等待測控器初始化完成，獲得測控器的量測值后設(shè)定執(zhí)行步驟命令；c.向測控器發(fā)送控制命令，測控器根據(jù)命令的要求進(jìn)行控制，實時監(jiān)視并采集數(shù)據(jù)，同時存儲實驗數(shù)據(jù)；d.根據(jù)相應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)對存儲的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，打印輸出實驗報告；e.將測控器脫離連接，保存動態(tài)鏈接庫設(shè)置，關(guān)閉設(shè)備驅(qū)動程序。
在本實施例中采用的測控及數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件為PowerTestV3.0，該軟件采用模塊化設(shè)計及開放式編程，集權(quán)限管理、試驗、曲線分析、校準(zhǔn)及檢定、數(shù)據(jù)查詢及處理等模塊于一體，可滿足GB、ISO、ASTM、JIS、DIN等國家標(biāo)準(zhǔn)對材料試驗的要求。
當(dāng)然，本發(fā)明也可應(yīng)用其它測控及數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件。本發(fā)明也不僅限于用在材料試驗機(jī)上，也可用于數(shù)控機(jī)床控制器、多軸聯(lián)動控制器、精密加工設(shè)備測控器等諸多應(yīng)用場合。
以上所描述的最佳實施例僅是對本發(fā)明進(jìn)行闡述和說明，并不局限于所公開的任何具體形式，在不離開本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)的范圍，可以進(jìn)行許多修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種基于DSP的試驗機(jī)測控器，包括處理器、數(shù)據(jù)采集單元、控制輸出單元、通訊接口單元及人機(jī)接口單元；其特征在于所述的處理器采用DSP作為主控器，其上設(shè)置有初始化模塊、系統(tǒng)管理模塊、USB通訊協(xié)議模塊、外設(shè)模塊、8路A/D數(shù)據(jù)采集模塊、3路光電編碼器數(shù)據(jù)采集模塊、控制及運行管理模塊和驅(qū)動模塊，通過計算機(jī)控制執(zhí)行力、變形、位移三閉環(huán)全數(shù)字控制；數(shù)據(jù)采集單元包括模擬信號采集電路和數(shù)字信號采集電路，其中模擬信號采集電路包括有24bit高精度A/D轉(zhuǎn)換器，增益可在線編程；控制輸出單元包括有模擬信號輸出電路和數(shù)字信號輸出電路；通訊接口單元采用USB通訊接口方式。
2.如權(quán)利要求1所述的試驗機(jī)測控器，其特征在于所述DSP處理器包括有8路24bit高精度模擬傳感器的信號采集通道，3路光電編碼器采集通道，1路伺服系統(tǒng)的驅(qū)動通道，1路16bit模擬輸出通道，1路USB接口通訊通道，以及1路簡易鍵控制通道14。
3.如權(quán)利要求1所述的試驗機(jī)測控器，其特征在于所述DSP處理器具有專用伺服電機(jī)控制接口及光碼捕獲外設(shè)。
4.如權(quán)利要求1所述的試驗機(jī)測控器，其特征在于所述數(shù)字信號輸出電路主要是通過生成脈寬調(diào)制PWM脈沖波實現(xiàn)對伺服電機(jī)的控制，用于伺服電機(jī)的驅(qū)動。
5.如權(quán)利要求1所述的試驗機(jī)測控器，其特征在于所述模擬信號輸出電路主要是通過D/A轉(zhuǎn)換生成電壓信號實現(xiàn)對電液伺服閥的控制，用于液壓試驗機(jī)的驅(qū)動。
6.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的試驗機(jī)測控器，其特征在于所述USB通訊接口方式采用USB2.0通訊方式。
7.一種基于DSP的試驗機(jī)測控方法，所述的DSP上設(shè)置有初始化模塊、系統(tǒng)管理模塊、USB通訊協(xié)議模塊、外設(shè)模塊、8路A/D數(shù)據(jù)采集模塊、3路光電編碼器數(shù)據(jù)采集模塊、控制及運行管理模塊和驅(qū)動模塊，并通過計算機(jī)執(zhí)行下列步驟a.打開設(shè)備驅(qū)動程序，然后初始化動態(tài)鏈接庫，與測控器建立連接；b.等待測控器初始化完成，獲得測控器的量測值后設(shè)定執(zhí)行步驟命令；c.向測控器發(fā)送控制命令，測控器根據(jù)命令的要求進(jìn)行控制，實時監(jiān)視并采集數(shù)據(jù)，同時存儲實驗數(shù)據(jù)；d.根據(jù)相應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)對存儲的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，打印輸出實驗報告；e.將測控器脫離連接，保存動態(tài)鏈接庫設(shè)置，關(guān)閉設(shè)備驅(qū)動程序。
8.如權(quán)利要求7所述的試驗機(jī)測控方法，其特征在于所述的初始化模塊執(zhí)行DSP初始化和測控器初始化操作；所述的系統(tǒng)管理模塊執(zhí)行時鐘管理、安全管理、系統(tǒng)資源管理及狀態(tài)管理操作；所述的外設(shè)模塊執(zhí)行小鍵盤按鍵信息處理和繼電器控制；所述的8路A/D數(shù)據(jù)采集模塊執(zhí)行測量數(shù)據(jù)管理和反饋數(shù)據(jù)管理，用于設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器的增益、轉(zhuǎn)換速率和啟動A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)系統(tǒng)配置將力、變形等模擬信號實時采集到控制器；所述的3路光電編碼器采集模塊執(zhí)行測量數(shù)據(jù)管理和反饋數(shù)據(jù)管理，將位移、大變形等光電編碼器的數(shù)字信號實時采集到測控器；所述的控制和運行管理模塊執(zhí)行控制命令譯碼、神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制管理、控制參數(shù)辨別、控制切換及過度管理；所述的驅(qū)動模塊執(zhí)行伺服電機(jī)驅(qū)動管理和液伺服閥驅(qū)動管理。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于DSP的試驗機(jī)測控器及其測控方法，包括處理器單元、數(shù)據(jù)采集單元、控制輸出單元、通訊接口單元及人機(jī)接口單元；通過以專用DSP處理器作為主控器，采用了力、變形、位移三閉環(huán)全數(shù)字控制算法，結(jié)合數(shù)據(jù)采集單元、控制輸出單元，以及采用USB通訊方式的通訊接口單元，使該測控器具有實時性高、數(shù)據(jù)采集性精度高、控制實現(xiàn)三閉環(huán)且無沖擊切換、體積小、成本低、易維護(hù)等優(yōu)點。
文檔編號G01N3/00GK1766767SQ20051003664
公開日2006年5月3日 申請日期2005年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月13日
發(fā)明者黃志方, 雷慶安, 王歡, 何楚平 申請人:深圳市新三思材料檢測有限公司