專利名稱：一種基于dsp的試驗機測控器及其測控方法
技術領域：
本發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，基于數字信號處理器(DSP)的試驗機測控器及其測控方法。
背景技術：
材料試驗機在航空航天、國防軍工、科研單位、大專院校、質檢部門、金屬和非金屬等眾多行業及領域得到了廣泛的應用。現有的材料試驗機的測控器通常是采用單片機或X86等CPU來系統集成，如圖1所示，包括計算機、測控器、傳感器、交流伺服系統、RS232串口通訊單元等組成。在計算機上運行試驗機專用測控及數據處理應用軟件，將預先設定的試驗機測控所需要的所有指令參數輸出到試驗機測控器，試驗機測控器根據接收到的指令參數生成TTL電平的脈沖信號和方向信號，輸出到交流伺服系統內的伺服器，從而控制伺服系統的伺服電機運行。同時試驗機測控器將采到的模擬和數字信號通過RS232串口傳送給計算機，作為獲得的數據，再通過試驗機專用軟件進行數據處理與分析，生成試驗報告。然而，由于其采用單片機或X86等CPU，故數據采集精度低、控制性能差，控制各控制環之間不能平滑過渡，難以實現三閉環控制，且由于X86等PC機外設不豐富，需要較多的外圍器件加以支持，故導致體積增大、成本高，可維護性差；另外，由于采用RS232串口通訊，通訊速率低，實時性差。
發明內容為解決上述問題，本發明提供了一種基于DSP的試驗機測控器及其測控方法。
本發明提出的基于DSP的試驗機測控器包括處理器、數據采集單元、控制輸出單元、通訊接口單元及人機接口單元；其中所述的處理器采用DSP作為主控器，其上設置有初始化模塊、系統管理模塊、USB通訊協議模塊、外設模塊、8路A/D數據采集模塊、3路光電編碼器數據采集模塊、控制及運行管理模塊和驅動模塊，通過計算機控制執行力、變形、位移三閉環全數字控制；數據采集單元包括模擬信號采集電路和數字信號采集電路，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字信號輸出電路；通訊接口單元采用USB通訊接口方式。
本發明提出的基于DSP的試驗機測控方法，所述的DSP上設置有初始化模塊、系統管理模塊、USB通訊協議模塊、外設模塊、8路A/D數據采集模塊、3路光電編碼器數據采集模塊、控制及運行管理模塊和驅動模塊，并通過計算機執行下列步驟a.打開設備驅動程序，然后初始化動態鏈接庫，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定執行步驟命令；c.向測控器發送控制命令，測控器根據命令的要求進行控制，實時監視并采集數據，同時存儲實驗數據；d.根據相應的材料標準對存儲的實驗數據進行數據處理，打印輸出實驗報告；e.將測控器脫離連接，保存動態鏈接庫設置，關閉設備驅動程序。
相較于現有技術，本發明通過以專用DSP處理器作為主控器，由測控及數據處理應用軟件的控制，采用了力、變形、位移三閉環全數字控制算法，結合數據采集單元、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、數據采集性精度高、控制實現三閉環且無沖擊切換、體積小、成本低、易維護等優點。
下面結合附圖和較佳實施例對本發明說明如下，其中圖1為現有試驗機測控器電路方框圖；圖2為本發明基于DSP的試驗機測控器的原理方框圖；圖3為本發明一實施例的數據采集通道的電路框圖；圖4為本發明一實施例的伺服驅動電路框圖；圖5為本發明一實施例的通訊接口電路框圖；圖6為本發明一實施例的人機接口電路框圖；圖7為本發明一實施例的模塊流程圖；圖8為本發明一實施例的系統管理模塊流程圖；圖9為本發明一實施例的USB通訊模塊流程圖；圖10為本發明一實施例的8路A/D數據采集模塊流程圖11為本發明一實施例的控制及運行管理模塊流程圖；圖12為本發明一實施例的試驗機專用測控及數據處理應用流程圖。
具體實施方式參照圖2所示，本發明提出的基于DSP的試驗機測控器包括處理器單元1、數據采集單元2、控制輸出單元3、通訊接口單元4及人機接口單元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路伺服系統的驅動通道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機上運行試驗機專用測控及數據處理應用軟件，根據用戶設定的試驗方案，將預先設定的試驗機測控所需要的所有指令參數通過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根據接收到的指令參數生成TTL電平的脈沖信號和方向信號，通過伺服系統的驅動通道12輸出到交流伺服器，從而實時有效控制伺服電機運行。同時DSP處理器100將由數據采集單元2采到的模擬信號，如力和小變形等，以及數字信號，如位移和大變形等，通過USB方式傳送給PC機作為獲得的采樣數據。DSP處理器100再根據獲得的模擬和數字信號，采用先進的控制算法進行閉環控制，再通過試驗機專用軟件進行數據處理與分析，生成試驗報告。
請參照圖3所示，數據采集單元2包括有兩大部分，第一部分是模擬傳感器的采集電路，第二部分為數字傳感器的采集電路。
模擬傳感器的采集電路由信號調整電路、8路24bit高精度A/D轉換、高精密參考源IC、高精準激勵源IC和多路復用器MUX組成。模擬傳感器的模擬的信號經過信號調整電路，輸入到24bit A/D轉換器的AIN+、AIN-引腳，再通過SDI、SDO、CLK信號傳送到多路復用器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，為節省DSP處理器100的資源，此處可以采用多路復用器MUX，由DSP處理器100控制采樣；另外，此處的采用高精度的穩壓參考源對精度的提高有很重要的作用。
數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字信號采集，它直接輸入到DSP處理器的IOPF4～IOPF7口。
控制輸出單元3包括模擬信號輸出電路和數字信號輸出電路，其中，模擬信號輸出電路主要是通過16bit D/A轉換生成電壓信號實現對電液伺服閥執行機構的控制，用于液壓試驗機的驅動；數字信號輸出電路主要是通過生成脈寬調制(PWM)脈沖波實現對伺服電機的控制，用于伺服電機的驅動；請參照圖4所示，根據用戶設定的試驗方案，將預先設定的試驗機測控所需要的所有指令參數通過USB方式傳送到DSP處理器100，DSP處理器100根據接收到的指令參數生成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機的USB通訊口信號相連。由于采用了USB通訊方式，速度可以達到480MPS，并且支持熱插拔。可以大大提高控制的實時性和數據處理交換能力。在本實施例中采用USB2.0通訊方式。
請參照圖6所示，人機接口單元5直接通過USB與PC機的USB口相連，打印機可以直接接入打印機。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，本發明中DSP控制器設置了8大功能模塊，即初始化模塊、系統管理模塊、USB通訊模塊、外設模塊、8路A/D數據采集模塊、3路光電編碼器數據采集模塊、控制及運行管理模塊和驅動模塊組成。其中系統管理模塊、USB通訊模塊、8路A/D數據采集模塊、控制及運行管理模塊是本測控器的關鍵技術所在。
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。
請參照圖8所示，本發明系統管理模塊包括時鐘管理、安全管理、系統資源及狀態管理。時鐘管理將根據測控的實時性要求，按照事件優先級分配DSP處理器輪詢時間等。安全管理部分是用于保護各種傳感器不受損壞、試驗機橫梁限位，以及防止飛車等，保證設備和人生安全。系統資源及狀態管理部分的功能是分配和整合整個測控系統的事件能有效運行并且可控，在線偵測機器的各種運行狀態。
請參照圖9所示，本發明USB通訊模塊由IN數據和OUT數據組成。IN數據是由測控器發給PC機的數據包，PC機接收到以后，根據通訊協議進行解碼，用于數據采集信息、機器狀態信息、請求信息和握手信息的交換。OUT數據是由PC機根據試驗機專用測控及數據處理應用軟件發給測控器的數據包，測控器接收到以后，根據通訊協議進行解碼，用于用戶設置的方案信息和聯機請求信息的交換。
外設模塊由小鍵盤管理程序和繼電器管理程序組成。小鍵盤管理程序負責簡易小鍵盤按鍵信息的接收和處理。繼電器管理程序負責將測控器的分析出的動作發送給繼電器執行，控制試驗機相關動作的運行。
請參照圖10所示，本發明8路A/D數據采集模塊包括測量數據管理程序和反饋數據管理程序。測量數據管理程序和反饋數據管理程序用于設置A/D轉換器的增益、轉換速率和啟動A/D轉換等，根據系統配置將力、變形等模擬信號實時采集到控制器。
3路光電編碼器數據采集模塊包括測量數據管理程序和反饋數據管理程序。本模塊的測量數據管理程序和反饋數據管理程序負責將位移、大變形等光電編碼器的數字信號實時采集到測控器。
請參照圖11所示，本發明中的控制及運行管理模塊由控制命令譯碼程序、神經元自適應比例、積分、微分(PID)控制管理程序、控制參數辨識程序、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)構成。控制命令譯碼程序將接收到的IN數據包里的命令進行譯碼處理，轉換成各執行機構能夠識別的信號。其中神經元自適應PID控制管理程序、控制參數辨識程序、控制切換及過渡管理程序、其它控制程序，將根據用戶方案的設置控制要求，實現準確、無人工干預的、全自動、高性能的在線控制。
驅動模塊包括伺服電機驅動管理程序、電液伺服閾驅動管理程序。伺服電機驅動管理程序用于實時、準確地向伺服器發送PWM脈沖信號，控制伺服電機的位移和速度。電液伺服閾驅動管理程序用來實時、準確地向伺服閥發送精準的模擬控制信號，控制伺服閥的開度和控制速度，從而實現三閉環，即力閉環、變形閉環、位移位移閉環的控制，且任意控制環之間自動切換且平穩過渡、控制精度高。
請參照圖12所示，本發明基于DSP的實驗機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、系統管理模塊、USB通訊協議模塊、外設模塊、8路A/D數據采集模塊、3路光電編碼器數據采集模塊、控制及運行管理模塊和驅動模塊，并通過計算機控制執行下列步驟a.打開設備驅動程序，然后初始化動態鏈接庫，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定執行步驟命令；c.向測控器發送控制命令，測控器根據命令的要求進行控制，實時監視并采集數據，同時存儲實驗數據；d.根據相應的材料標準對存儲的實驗數據進行數據處理，打印輸出實驗報告；e.將測控器脫離連接，保存動態鏈接庫設置，關閉設備驅動程序。
在本實施例中采用的測控及數據處理應用軟件為PowerTestV3.0，該軟件采用模塊化設計及開放式編程，集權限管理、試驗、曲線分析、校準及檢定、數據查詢及處理等模塊于一體，可滿足GB、ISO、ASTM、JIS、DIN等國家標準對材料試驗的要求。
當然，本發明也可應用其它測控及數據處理應用軟件。本發明也不僅限于用在材料試驗機上，也可用于數控機床控制器、多軸聯動控制器、精密加工設備測控器等諸多應用場合。
以上所描述的最佳實施例僅是對本發明進行闡述和說明，并不局限于所公開的任何具體形式，在不離開本發明權利要求保護的范圍，可以進行許多修改和變化。
權利要求
1.一種基于DSP的試驗機測控器，包括處理器、數據采集單元、控制輸出單元、通訊接口單元及人機接口單元；其特征在于所述的處理器采用DSP作為主控器，其上設置有初始化模塊、系統管理模塊、USB通訊協議模塊、外設模塊、8路A/D數據采集模塊、3路光電編碼器數據采集模塊、控制及運行管理模塊和驅動模塊，通過計算機控制執行力、變形、位移三閉環全數字控制；數據采集單元包括模擬信號采集電路和數字信號采集電路，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.如權利要求1所述的試驗機測控器，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路伺服系統的驅動通道，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.如權利要求1所述的試驗機測控器，其特征在于所述DSP處理器具有專用伺服電機控制接口及光碼捕獲外設。
4.如權利要求1所述的試驗機測控器，其特征在于所述數字信號輸出電路主要是通過生成脈寬調制PWM脈沖波實現對伺服電機的控制，用于伺服電機的驅動。
5.如權利要求1所述的試驗機測控器，其特征在于所述模擬信號輸出電路主要是通過D/A轉換生成電壓信號實現對電液伺服閥的控制，用于液壓試驗機的驅動。
6.如權利要求1至6中任一項所述的試驗機測控器，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的試驗機測控方法，所述的DSP上設置有初始化模塊、系統管理模塊、USB通訊協議模塊、外設模塊、8路A/D數據采集模塊、3路光電編碼器數據采集模塊、控制及運行管理模塊和驅動模塊，并通過計算機執行下列步驟a.打開設備驅動程序，然后初始化動態鏈接庫，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定執行步驟命令；c.向測控器發送控制命令，測控器根據命令的要求進行控制，實時監視并采集數據，同時存儲實驗數據；d.根據相應的材料標準對存儲的實驗數據進行數據處理，打印輸出實驗報告；e.將測控器脫離連接，保存動態鏈接庫設置，關閉設備驅動程序。
8.如權利要求7所述的試驗機測控方法，其特征在于所述的初始化模塊執行DSP初始化和測控器初始化操作；所述的系統管理模塊執行時鐘管理、安全管理、系統資源管理及狀態管理操作；所述的外設模塊執行小鍵盤按鍵信息處理和繼電器控制；所述的8路A/D數據采集模塊執行測量數據管理和反饋數據管理，用于設置A/D轉換器的增益、轉換速率和啟動A/D轉換，根據系統配置將力、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行測量數據管理和反饋數據管理，將位移、大變形等光電編碼器的數字信號實時采集到測控器；所述的控制和運行管理模塊執行控制命令譯碼、神經元自適應PID控制管理、控制參數辨別、控制切換及過度管理；所述的驅動模塊執行伺服電機驅動管理和液伺服閥驅動管理。
全文摘要
本發明公開一種基于DSP的試驗機測控器及其測控方法，包括處理器單元、數據采集單元、控制輸出單元、通訊接口單元及人機接口單元；通過以專用DSP處理器作為主控器，采用了力、變形、位移三閉環全數字控制算法，結合數據采集單元、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、數據采集性精度高、控制實現三閉環且無沖擊切換、體積小、成本低、易維護等優點。
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 優先權日2005年8月13日
發明者黃志方, 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