摘要：針對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)要求精度高，實(shí)時(shí)性好的特性，提出一種基于32位的ARM微處理器SEP3203和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案。其中，觸摸屏與LCD合為一體，采用AC97+UCB1400的工作方式來(lái)完成圖形用戶界面的設(shè)計(jì)；利用24位的CS5530芯片來(lái)完成數(shù)據(jù)模擬量的采集。在硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，選用μC／OS-Ⅱ作為控制器的操作系統(tǒng)，完成軟件的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)移植μC／GUI，實(shí)現(xiàn)控制器的人機(jī)接口功能。
關(guān)鍵詞：萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；ARM微處理器；μC／OS-Ⅱ；CS5530；SEP3203
0 引言
萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)是測(cè)定材料機(jī)械性能的基本設(shè)備之一，主要用作對(duì)金屬、橡膠、塑料、陶瓷和水泥等材料的拉伸、壓縮、彎曲和剪切等機(jī)械性能的試驗(yàn)，可完成對(duì)材料的強(qiáng)度、塑性、彈性及韌性的檢測(cè)。隨著國(guó)際化的不斷深入，國(guó)內(nèi)外材料試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展主要呈現(xiàn)出計(jì)算機(jī)化、數(shù)據(jù)處理全面化、控制精確化、全面化的特點(diǎn)。
當(dāng)前萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有一定的復(fù)雜性，要在盡可能小的空間中集成數(shù)據(jù)采集、處理，人機(jī)界面，串行通信等多個(gè)功能。傳統(tǒng)的單片機(jī)由于功能單一，往往無(wú)法滿足要求，或者即使可以實(shí)現(xiàn)，也需要使用大量的MCU協(xié)同工作，在信號(hào)連接、編程和減少體積方面，都會(huì)遇到不小的困難。在裸機(jī)上直接開(kāi)發(fā)運(yùn)行前后臺(tái)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、維護(hù)和擴(kuò)展都很困難，而且這樣的系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)程序超循環(huán)，根本無(wú)法保證測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。
萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)不但要求系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，對(duì)其進(jìn)行快速處理，還需要同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，并對(duì)每個(gè)任務(wù)實(shí)時(shí)響應(yīng)。如果使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，則可以使用單片嵌入式CPU，集成多種功能，逐步解決存在的問(wèn)題。
本文就是基于這樣的背景，提出一種基于SEP3203處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ的高精度萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
1 系統(tǒng)工作原理
試驗(yàn)機(jī)利用控制器，先經(jīng)交流伺服單元控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再經(jīng)精密減速器減速后，通過(guò)反齒隙游移螺帽由電機(jī)帶動(dòng)雙螺旋絲杠副，驅(qū)動(dòng)動(dòng)橫梁上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的加載過(guò)程，完成試樣的拉伸、壓縮等力學(xué)性能試驗(yàn)。它的工作原理如圖1所示。在做拉力試驗(yàn)或者其他試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)機(jī)的負(fù)荷傳感器與試樣失去平衡，電橋產(chǎn)生一個(gè)弱小的不平衡電壓輸出。該電壓在一定范圍內(nèi)與作用力的大小呈線性正比例關(guān)系。然而試樣在負(fù)荷作用下引起的變形量則通過(guò)電子引伸計(jì)獲得。負(fù)荷傳感器和電子引伸計(jì)輸出的小信號(hào)都經(jīng)測(cè)量單元放大處理后，送給控制器數(shù)據(jù)采集輸入端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到力和變形量值，同時(shí)繪制出力和變形等特征曲線。此外，動(dòng)橫梁的位移則通過(guò)安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的光電編碼器數(shù)字測(cè)量獲得。
2 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的功能要求和工作原理，該系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2．1 核心板和電源模塊
核心板上的處理器采用東南大學(xué)博芯公司的SEP3203。SEP3203處理器內(nèi)嵌了英國(guó)ARM公司提供的ARM7TDMI處理器內(nèi)核，內(nèi)嵌20 KB片上零等待靜態(tài)存儲(chǔ)器；集成了支持黑白、灰度、彩色的LCD控制器；支持用于連接觸摸屏通信的SPI協(xié)議。一個(gè)通道實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，85個(gè)通用I／O口和18個(gè)外部中斷源。
核心板中存儲(chǔ)器部分包括8 MB SDRAM和2 MBNOR FLASH。通過(guò)擴(kuò)展插座引入核心板所用到的RESET和WAKEUP功能引腳；通過(guò)擴(kuò)展插座將22位地址線和32位數(shù)據(jù)線以及未用的控制信號(hào)擴(kuò)展到母板。
該系統(tǒng)要求多路電源供電，如ARM核心板需要3．3 V和5 V兩路電源；在系統(tǒng)的外圍部件中，LCD控制模塊需要5 V電源供電；A／D轉(zhuǎn)換模塊需要6 V電源同時(shí)供電；伺服驅(qū)動(dòng)器則需要12 V電源供電，所以應(yīng)該對(duì)輸入電源進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)壓、分路等設(shè)計(jì)。
2．2 外圍通用接口模塊
試驗(yàn)機(jī)控制器的外圍通用接口模塊主要包含通用I／O口、USB接口、JTAG調(diào)試口等。在試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)中，控制器除了要與上下層通信外，主要還涉及到傳感器測(cè)量參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和伺服控制信號(hào)的輸出等。同時(shí)，開(kāi)關(guān)量也是測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)最簡(jiǎn)單且使用較頻繁的信號(hào)之一，如試驗(yàn)機(jī)動(dòng)橫梁的限位開(kāi)關(guān)、液晶顯示控制和指示燈的亮滅等。設(shè)計(jì)中采用SEP3203的通用I／口來(lái)實(shí)現(xiàn)這些信號(hào)的輸入／輸出。
SEP3203提供了85個(gè)通用I／O口和18個(gè)外部中斷源，無(wú)需擴(kuò)展I／O口。使用端口功能時(shí)首先在程序里把引腳功能模式定義好，即將每個(gè)端口配置為輸入模式、輸出模式或中斷功能模式，每個(gè)復(fù)用引腳都有對(duì)應(yīng)的寄存器位來(lái)選擇實(shí)際使用的功能模式。該設(shè)計(jì)中，I／O通道使用雙向緩沖器件74LVCH162245A，以增強(qiáng)總線驅(qū)動(dòng)能力。
此外，系統(tǒng)中還添加了2個(gè)USB接口，用于測(cè)試結(jié)果的輸出或作為備用接口。
2．3 信號(hào)采集模塊
信號(hào)采集模塊包括多通道力值采集模塊和多通道變形信號(hào)采集模塊。
力值和變形是系統(tǒng)所采集的最主要信號(hào)。傳感器的電壓信號(hào)輸入到模／數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5530中，CS5530的差動(dòng)輸入端可以直接測(cè)量來(lái)自傳感器的毫伏信號(hào)，這簡(jiǎn)化了與外圍電路的連接?？删幊淘鲆娣糯笃髂苁狗糯蟊稊?shù)從1～32進(jìn)行設(shè)定，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。多級(jí)程控?cái)?shù)字濾波器可使數(shù)據(jù)輸出速率得到選擇，范圍為7．5 Hz～3．84 kHz，方便了與外設(shè)的連接。另外，CS5530內(nèi)部有一個(gè)完整的自校正系統(tǒng)，可以進(jìn)行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，從而可消除A／D本身的零點(diǎn)增益和漂移誤差，以及系統(tǒng)通道的失調(diào)和增益誤差。此外，由線性穩(wěn)壓元件7806提供工作電壓，以確保信號(hào)采集精度。
2．4 人機(jī)交互模塊
為了使萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)具有更好的人機(jī)交互界面，便于用戶調(diào)試與操作，需要給其配置顯示裝置，如LCD液晶顯示屏以及信號(hào)燈提示等。另外．要進(jìn)行人機(jī)交互，還得有輸入裝置，使用戶可以對(duì)ARM主控制器發(fā)出命令或輸入必要的控制參數(shù)等，該系統(tǒng)采用觸摸屏輸入。
根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要，液晶顯示模塊采用240×320黑白4級(jí)灰度顯示屏，兼容彩色7寸64K彩色TFT液晶屏，觸摸屏與LCD合為一體。觸摸屏采用AC97+UCB1400工作方式。UCB1400的小體積與低電壓(3．3 V)特性使其成為新一代PDA應(yīng)用產(chǎn)品的理想選擇。它集成了先進(jìn)的音頻編解碼、觸摸屏控制器以及電源管理等功能，并以標(biāo)準(zhǔn)、立即可用的產(chǎn)品形態(tài)提供客戶化功能。UCB1400控制器作為液晶顯示屏與ARM的接口，用來(lái)直接驅(qū)動(dòng)液晶控制字符、漢字以及圖形的顯示。借助UCB1400，可以直接利用SEP3203的I／O口模擬液晶的讀／寫(xiě)和控制時(shí)序，使得ARM對(duì)液晶的操作實(shí)際上變?yōu)锳RM對(duì)液晶顯示控制器UCB1400的操作，從而簡(jiǎn)化了接口電路的硬件連接和軟件編程。
3 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
μC／OS-Ⅱ是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的完全可剝離的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以管理64個(gè)任務(wù)，其中留給用戶的應(yīng)用程序最多可有56個(gè)任務(wù)。這種RTOS應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程為：
(1)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，明確應(yīng)用軟件的功能；
(2)結(jié)合RTOS的并發(fā)特性(或準(zhǔn)并發(fā)特性)，對(duì)應(yīng)用軟件要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行大小適當(dāng)?shù)膭澐?，也就是把?yīng)用軟件的功能按照一定的原則劃分為若干個(gè)任務(wù)模塊；
(3)對(duì)各個(gè)任務(wù)間的通信和時(shí)延進(jìn)行仔細(xì)的確認(rèn)。
在μC／OS-Ⅱ中，每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，都可能處于以下5種狀態(tài)：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、掛起態(tài)和被中斷態(tài)。任務(wù)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖3所示。
3．1 測(cè)控系統(tǒng)軟件模塊分析
在該系統(tǒng)中，主要實(shí)現(xiàn)的功能是測(cè)試數(shù)據(jù)(包括力值、位移值)的采集、測(cè)試數(shù)據(jù)在LCD上面的顯示、伺電機(jī)的控制、人機(jī)交互以及數(shù)據(jù)通信等。由于力值和位移值是試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的2項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將直接表征被測(cè)試件的力學(xué)性能，對(duì)采集的實(shí)時(shí)性和精度要求都很高，所以就需要在測(cè)試過(guò)程中連續(xù)地將實(shí)時(shí)力值和位移值傳遞給主控制器。主控制器將憑借所獲取的力值和位移值來(lái)確定當(dāng)前測(cè)試狀態(tài)，確定控制操作。如圖4、圖5所示。
依上所述，將系統(tǒng)劃分為若干任務(wù)模塊，將實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)，分配給高優(yōu)先級(jí)；將實(shí)時(shí)性要求低的任務(wù)，分配給低優(yōu)先級(jí)。該系統(tǒng)任務(wù)的具體劃分見(jiàn)表1。
表中，SysTaskstart的任務(wù)主要是完成系統(tǒng)硬件的初始化、用戶配置初始化、圖形界面GUI的初始化及其他任務(wù)的創(chuàng)建等工作。主測(cè)試任務(wù)TaskTest是整個(gè)材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的核心。該任務(wù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試邏輯，實(shí)時(shí)讀取力傳感器和位移傳感器的數(shù)值，判斷測(cè)試狀態(tài)，依據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的控制操作，以完成測(cè)試，最后保存測(cè)試結(jié)果。
3．2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)
人機(jī)界面是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，它可以讓用戶方便地輸入?yún)?shù)，執(zhí)行操作，并及時(shí)呈現(xiàn)出必要的信息提示用戶。用戶在測(cè)試材料時(shí)，需要頻繁地向控制器發(fā)出不同的操作命令或更改系統(tǒng)參數(shù)，因此友好的人機(jī)交互界面是必需的。該系統(tǒng)采用μC／GUI來(lái)進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。μC／GUI是一個(gè)源代碼開(kāi)放的GUI，可以實(shí)現(xiàn)Windows風(fēng)格的圖形界面，微型是它的最大特點(diǎn)，同時(shí)它占用很小的系統(tǒng)資源，易于移植，功能強(qiáng)大；可以運(yùn)行在μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)中；采用了100％的ANSIC編寫(xiě)，可以應(yīng)用于任何LCD和CPU中；加上其源代碼開(kāi)放的特點(diǎn)，使用起來(lái)非常靈活。
4 結(jié)語(yǔ)
該萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，以SEP3203微處理器和μC／OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，具有精度高，實(shí)時(shí)性好，界面友好等特點(diǎn)，其模塊化設(shè)計(jì)便于今后對(duì)故障的查找和系統(tǒng)的改造升級(jí)。