基于LS7266R1的電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)中的設(shè)計

  摘要:  針對材料試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備中要求測量或控制材料拉伸或壓縮的位移，一般采用光電軸角編碼器檢測位置信號，輸出正交編碼脈沖信號。若采用其他方法檢測位置信號，必然導(dǎo)致電路設(shè)計復(fù)雜，可靠性降低。因此，提出一種基于LS7266R1的電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)計方案。給出了試驗(yàn)機(jī)中的控制器工作原理，LS7266R1與單片機(jī)的接口硬件設(shè)計，以及主程序軟件流程圖。巧妙地把力量傳感器，位移傳感器等機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)的壓力或拉力以及位置坐標(biāo)，變成了電壓信號和電脈沖數(shù)字信號，供A/D測量和LS7266R1計數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立完成材料試驗(yàn)控制或通過PC機(jī)串口命令完成材料試驗(yàn)控制。

　　電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)是一種材料試驗(yàn)機(jī)測控裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對材料拉伸、壓縮、剝離、撕裂、抽出等力學(xué)性能試驗(yàn)的測試與控制。該試驗(yàn)機(jī)通過采集多通道壓力信號，編碼器輸出的位移脈沖信號，并進(jìn)行干擾抑制、模擬信號放大濾波和隔離變換等處理，利用鍵盤和顯示模塊人機(jī)接口，結(jié)合變頻控制器技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)臺斷點(diǎn)停機(jī)控制、定荷重控制、定應(yīng)力控制、定位移控制、定應(yīng)變(延伸率)控制、力量保持控制、自動回歸控制、限位控制、多段條件測試等功能。而針對實(shí)現(xiàn)上位移測量及定位移控制功能，提出一種利用光電軸角編碼器的專用計數(shù)器LS7266R1來采集編碼器輸出的位移脈沖信號。

　　1 LS7266R1簡介

　　雙軸正交信號鑒相器LS7266R1是一款低成本、超高精度、24位雙通道的求積計數(shù)器，4種可編程計數(shù)方式，3種求積方式和1種非求積方式，計數(shù)精度高，具有X和Y雙通道計數(shù)，每路計數(shù)長度可達(dá)24位，且具有二進(jìn)制／十進(jìn)制計數(shù)二種可編程方式。特別重要的是它有方向標(biāo)志功能，測量2路(X、Y)編碼器的大小相等，但有2種方向情況，當(dāng)2路(X、Y)編碼器的符號標(biāo)志S相同時，表示位移為正方向；當(dāng)符號標(biāo)志S相反時，表示位移為反方向。利用該功能可以通過光電軸角編碼器轉(zhuǎn)換，對電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)中的材料拉伸、壓縮的位移值實(shí)行加或減位移值的方向判斷。另外，在3種求積方式下，對每路編碼器還可實(shí)現(xiàn)8位獨(dú)立的可編程數(shù)字濾波的功能。其內(nèi)部寄存器的功能設(shè)置可參見LS7266R 1的數(shù)據(jù)資料。

　　2 光電軸角編碼器

　　光電軸角編碼器又稱光電角位置傳感器，有輸出循環(huán)二進(jìn)制碼的絕對式光電軸角編碼器和輸出單列或相位差90°的兩列光電脈沖信號的增量式光電軸角編碼器3種。這里選用ZSP3．812-003G-3600BZ型增量式光電軸角編碼器，該光電周角編碼器采用電纜側(cè)出，3 600 p／r，寬電壓7～24 V，互補(bǔ)輸出，集成模塊，具有體積小，價格低，非接觸等特點(diǎn)。它是一種集光、機(jī)、電為一體的精密數(shù)字測角裝置，它把軸角信息轉(zhuǎn)換成電脈沖數(shù)字信號，通過LS7266R1計數(shù)器與單片機(jī)等連接后可實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量和實(shí)時自動控制。

　　3 電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)

　　圖1為試驗(yàn)機(jī)機(jī)臺外型。該試驗(yàn)機(jī)是由機(jī)座(內(nèi)放置了單相電機(jī)和變頻器)，控制箱，力量傳感器，位移傳感器，以及機(jī)架等組成?？刂葡鋬?nèi)的控制器是其核心，由力量傳感器、儀表放大器、多路開關(guān)、A／D構(gòu)成試驗(yàn)機(jī)力量測量單元；由增量式光電軸角編碼器，LS7266R1雙軸積分式計數(shù)器構(gòu)成試驗(yàn)機(jī)采集編碼器輸出的位移信號。利用光電方法，通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機(jī)械量。幾何位移量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，從而獲得機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)，位置坐標(biāo)及其變化量等信息。CPU根據(jù)上述這些信息，以D／A輸出控制變頻器實(shí)現(xiàn)變頻技術(shù)與伺服控制技術(shù)，來調(diào)節(jié)或啟停電機(jī)，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的速度調(diào)節(jié)控制、位移量控制，力量保持控制等多種功能；利用算法實(shí)現(xiàn)了對力量傳感器的分階段校正、單位變換、多種保護(hù)，解決零點(diǎn)漂移，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。試驗(yàn)機(jī)人機(jī)接口方便，系統(tǒng)的功能多、性價比高。

圖1 試驗(yàn)機(jī)機(jī)臺

　　4 LS7266R1的應(yīng)用

　　4．1 硬件電路設(shè)計

　　圖2為LS7266R1在電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)中的硬件設(shè)計原理框圖。采用華邦的W78E58B高性能單片機(jī)，24位ADC7710轉(zhuǎn)換器，24位DAC1210轉(zhuǎn)換器，24位LS7266R1計數(shù)器，8 KB Flash RAM存儲器28C64，內(nèi)置鋰離子電池的DS12887時鐘，串行接口芯片MAX232，帶看門狗的非易失性存儲器X25045等組成。通過三總線(數(shù)據(jù)、地址、控制)與LS7266R1求積計數(shù)器相連，輸出2路脈沖分別送到X和Y通道計數(shù)。

圖2 硬件原理框圖

　　圖2中，W77E58B 80C51系列的單片機(jī)，有40引腳，256字節(jié)的RAM和36 kB的Flash EPROM快閃存儲器，可多次編程寫入，有兩個全雙工串行口，有12個中斷源，執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)8051的1．5～3倍。AD7710采用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)最高24位無失碼性能，±0．001 5％非線性度。內(nèi)有可編程增益控制器和數(shù)字濾波器處理器。是一款適合低頻測量應(yīng)用的完整模擬前端，可直接接受來自應(yīng)變計或傳感器的低電平信號，并產(chǎn)生串行數(shù)字輸出。DAC1220是一種適合于過程控制場合的低功耗D／A轉(zhuǎn)換器。它采用△-∑轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了20位線性轉(zhuǎn)換。通過內(nèi)置的滿度、零點(diǎn)和線性修正寄存器，可以自動進(jìn)行校準(zhǔn)功能，保證了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。28C64RAM：8K字節(jié)的Flash RAM存儲器，數(shù)據(jù)可長期保存MAX232標(biāo)準(zhǔn)RS-232通信器件，可連接兩對收／發(fā)線，把UART的RXD和TXD端TTL／CMOS電平轉(zhuǎn)換成RS-232電平。X25045是串行非易失性存儲器，帶有看門狗功能，可用于監(jiān)控單片機(jī)是否正常運(yùn)行，同時還具有上電復(fù)位、保存參數(shù)、電壓監(jiān)測的功能。DS12887為并行時鐘接口芯片，內(nèi)有鋰電池，可保存100年的日歷時鐘，用于每分鐘的數(shù)據(jù)更新。

　　4．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　圖3為主程序軟件流程圖。該系統(tǒng)軟件主程序包括串口初始化、液晶顯示初始化、24位AD771O初始化、LS7266R1初始化、讀24位AD7710值、讀24位LS7266R1計數(shù)器值、計算、處理、顯示以及鍵掃描程序等。

圖3 主程序軟件流程圖

　　4．3 接口軟件設(shè)計

　　LS7266R1在電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用中，首先要對LS7266R1進(jìn)行初始化設(shè)置，初始化設(shè)置過程是這樣的：寫入控制字到XIOR或YIOR寄存器中，控制A／B輸入停止工作；寫入控制字到XRID或YRLD寄存器中，復(fù)位BT，CT，CPT，S，BP狀態(tài)值；寫入控制字到XBLD或YRLD寄存器中，復(fù)位E和CNTR狀態(tài)值；寫入計數(shù)器初始值#00H到XPR2 XPR1XPR0或YPR2 YPR1 YPR0預(yù)置寄存器，把初始值傳送到CNTR計數(shù)器中；寫入控制字到XIDR或YIDR寄存器中，使能INDEX位；寫入控制字到XCMR或YCMR寄存器中，選擇X1，Normal count工作方式；寫入控制字到XIOR或YIOR寄存器中，控制A／B輸入啟動工作。其次讀取LS7266R1計數(shù)器過程是這樣的：寫入控制字到XBLD或YRLD寄存器中，重新復(fù)位BP指針，讀XFLAG或YFLAG標(biāo)志寄存器；寫入控制字到XRLD或YRLD寄存器中，傳送XCNTR或YCNTR計數(shù)器值到XOL或YOL輸出寄存器中，讀取XOL或YOL輸出寄存器的值到W78E58B單片機(jī)內(nèi)的RAM單元中，然后進(jìn)行運(yùn)算處理。

　　5 試驗(yàn)機(jī)上位機(jī)軟件設(shè)計

　　材料試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)帶有功能強(qiáng)大的上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立完成材料試驗(yàn)控制或通過PC機(jī)串口命令完成材料試驗(yàn)控制兩種方式。上位機(jī)采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計VB語言進(jìn)行設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)試品資料、數(shù)據(jù)顯示、曲線顯示、報表設(shè)置打印、多種測試方法、數(shù)據(jù)再分析等模塊，實(shí)現(xiàn)打印、測試、統(tǒng)計、單位切換(F／X)、傳感器通道切換、機(jī)臺上行、機(jī)臺停止、機(jī)臺下行、回歸位移零，多段校正等功能。通過上位機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)機(jī)臺的速度和位移控制，實(shí)時顯示當(dāng)前的壓力數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)、力量及位移峰值。斷點(diǎn)停機(jī)控制、定荷重控制、定位移控制、力量保持控制、自動回歸控制等控制和測量方式。具有統(tǒng)計查詢功能研究，記憶最近10次／個同一批次試樣測試結(jié)果(力量、位移)，統(tǒng)計、查詢每次測試結(jié)果。試驗(yàn)機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)功能畫面之一如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)機(jī)軟件圖

　　6 結(jié)束語

　　本文從LS7266R1結(jié)構(gòu)原理入手，講述了該芯片的功能特點(diǎn)，使用方法。重點(diǎn)以LS7266R1與單片機(jī)W78E58B的硬件接口電路和軟件編程設(shè)計過程為例，講述了LS7266R1在電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)用方法。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是巧妙地把力量傳感器，位移傳感器等機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)的壓力或拉力以及位置坐標(biāo)，變成了電壓信號和電脈沖數(shù)字信號，供A／D測量和LS7266R1計數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了對電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)的測量和控制。實(shí)現(xiàn)獨(dú)立完成材料試驗(yàn)控制或通過PC機(jī)串口命令完成材料試驗(yàn)控制方式。