基于SEP3203拉力试验机嵌入式测控系统设计

摘要：针对材料试验机测控系统要求精度高，实时性好的特性，提出一种基于32位的ARM微处理器SEP3203和实时操作系统μC／OS-Ⅱ的电子万能试验机测控系统开发方案。其中，触摸屏与LCD合为一体，采用AC97+UCB1400的工作方式来完成图形用户界面的设计；利用24位的CS5530芯片来完成数据模拟量的采集。在硬件平台基础上，选用μC／OS-Ⅱ作为控制器的操作系统，完成软件的结构化设计，通过移植μC／GUI，实现控制器的人机接口功能。
关键词：万能试验机；ARM微处理器；μC／OS-Ⅱ；CS5530；SEP3203

0 引言
    万能材料试验机是测定材料机械性能的基本设备之一，主要用作对金属、橡胶、塑料、陶瓷和水泥等材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切等机械性能的试验，可完成对材料的强度、塑性、弹性及韧性的检测。随着国际化的不断深入，国内外材料试验机的发展主要呈现出计算机化、数据处理全面化、控制精确化、全面化的特点。
    当前万能材料试验机测控系统的开发具有一定的复杂性，要在尽可能小的空间中集成数据采集、处理，人机界面，串行通信等多个功能。传统的单片机由于功能单一，往往无法满足要求，或者即使可以实现，也需要使用大量的MCU协同工作，在信号连接、编程和减少体积方面，都会遇到不小的困难。在裸机上直接开发运行前后台系统的开发、维护和扩展都很困难，而且这样的系统本质上是一个程序超循环，根本无法保证测控系统的实时性要求。
    万能材料试验机测控系统不但要求系统能够及时响应随机发生的外部事件，对其进行快速处理，还需要同时执行多个任务，并对每个任务实时响应。如果使用嵌入式系统技术，则可以使用单片嵌入式CPU，集成多种功能，逐步解决存在的问题。
    本文就是基于这样的背景，提出一种基于SEP3203处理器和实时操作系统μC／OS-Ⅱ的高精度万能材料试验机测控系统的实现。

1 系统工作原理
    试验机利用控制器，先经交流伺服单元控制电机运转，再经精密减速器减速后，通过反齿隙游移螺帽由电机带动双螺旋丝杠副，驱动动横梁上下移动，从而实现对试样的加载过程，完成试样的拉伸、压缩等力学性能试验。它的工作原理如图1所示。在做拉力试验或者其他试验时，由于试验机的负荷传感器与试样失去平衡，电桥产生一个弱小的不平衡电压输出。该电压在一定范围内与作用力的大小呈线性正比例关系。然而试样在负荷作用下引起的变形量则通过电子引伸计获得。负荷传感器和电子引伸计输出的小信号都经测量单元放大处理后，送给控制器数据采集输入端进行数据处理，得到力和变形量值，同时绘制出力和变形等特征曲线。此外，动横梁的位移则通过安装在电机转轴上的光电编码器数字测量获得。

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2 测控系统硬件设计
    根据试验机的功能要求和工作原理，该系统硬件体系结构如图2所示。
2．1 核心板和电源模块
    核心板上的处理器采用东南大学博芯公司的SEP3203。SEP3203处理器内嵌了英国ARM公司提供的ARM7TDMI处理器内核，内嵌20 KB片上零等待静态存储器；集成了支持黑白、灰度、彩色的LCD控制器；支持用于连接触摸屏通信的SPI协议。一个通道实时时钟模块，85个通用I／O口和18个外部中断源。
    核心板中存储器部分包括8 MB SDRAM和2 MBNOR FLASH。通过扩展插座引入核心板所用到的RESET和WAKEUP功能引脚；通过扩展插座将22位地址线和32位数据线以及未用的控制信号扩展到母板。
    该系统要求多路电源供电，如ARM核心板需要3．3 V和5 V两路电源；在系统的外围部件中，LCD控制模块需要5 V电源供电；A／D转换模块需要6 V电源同时供电；伺服驱动器则需要12 V电源供电，所以应该对输入电源进行相应的稳压、分路等设计。
2．2 外围通用接口模块
    试验机控制器的外围通用接口模块主要包含通用I／O口、USB接口、JTAG调试口等。在试验机系统中，控制器除了要与上下层通信外，主要还涉及到传感器测量参数的数据采集和伺服控制信号的输出等。同时，开关量也是测控现场最简单且使用较频繁的信号之一，如试验机动横梁的限位开关、液晶显示控制和指示灯的亮灭等。设计中采用SEP3203的通用I／口来实现这些信号的输入／输出。
    SEP3203提供了85个通用I／O口和18个外部中断源，无需扩展I／O口。使用端口功能时首先在程序里把引脚功能模式定义好，即将每个端口配置为输入模式、输出模式或中断功能模式，每个复用引脚都有对应的寄存器位来选择实际使用的功能模式。该设计中，I／O通道使用双向缓冲器件74LVCH162245A，以增强总线驱动能力。
    此外，系统中还添加了2个USB接口，用于测试结果的输出或作为备用接口。
2．3 信号采集模块
    信号采集模块包括多通道力值采集模块和多通道变形信号采集模块。
    力值和变形是系统所采集的最主要信号。传感器的电压信号输入到模／数转换器CS5530中，CS5530的差动输入端可以直接测量来自传感器的毫伏信号，这简化了与外围电路的连接。可编程增益放大器能使放大倍数从1～32进行设定，大大提高了系统的动态特性。多级程控数字滤波器可使数据输出速率得到选择，范围为7．5 Hz～3．84 kHz，方便了与外设的连接。另外，CS5530内部有一个完整的自校正系统，可以进行自校准和系统校准，从而可消除A／D本身的零点增益和漂移误差，以及系统通道的失调和增益误差。此外，由线性稳压元件7806提供工作电压，以确保信号采集精度。
2．4 人机交互模块
    为了使万能试验机测控系统具有更好的人机交互界面，便于用户调试与操作，需要给其配置显示装置，如LCD液晶显示屏以及信号灯提示等。另外．要进行人机交互，还得有输入装置，使用户可以对ARM主控制器发出命令或输入必要的控制参数等，该系统采用触摸屏输入。
    根据系统的实际需要，液晶显示模块采用240×320黑白4级灰度显示屏，兼容彩色7寸64K彩色TFT液晶屏，触摸屏与LCD合为一体。触摸屏采用AC97+UCB1400工作方式。UCB1400的小体积与低电压(3．3 V)特性使其成为新一代PDA应用产品的理想选择。它集成了先进的音频编解码、触摸屏控制器以及电源管理等功能，并以标准、立即可用的产品形态提供客户化功能。UCB1400控制器作为液晶显示屏与ARM的接口，用来直接驱动液晶控制字符、汉字以及图形的显示。借助UCB1400，可以直接利用SEP3203的I／O口模拟液晶的读／写和控制时序，使得ARM对液晶的操作实际上变为ARM对液晶显示控制器UCB1400的操作，从而简化了接口电路的硬件连接和软件编程。

3 测控系统软件设计
    μC／OS-Ⅱ是为嵌入式应用而设计的完全可剥离的实时操作系统，可以管理64个任务，其中留给用户的应用程序最多可有56个任务。这种RTOS应用软件的开发过程为：
    (1)根据系统设计方案，明确应用软件的功能；
    (2)结合RTOS的并发特性(或准并发特性)，对应用软件要实现的功能进行大小适当的划分，也就是把应用软件的功能按照一定的原则划分为若干个任务模块；
    (3)对各个任务间的通信和时延进行仔细的确认。
    在μC／OS-Ⅱ中，每个任务都是一个无限的循环，都可能处于以下5种状态：休眠态、就绪态、运行态、挂起态和被中断态。任务状态之间的转换如图3所示。

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3．1 测控系统软件模块分析
    在该系统中，主要实现的功能是测试数据(包括力值、位移值)的采集、测试数据在LCD上面的显示、伺电机的控制、人机交互以及数据通信等。由于力值和位移值是试验机系统的2项关键数据，将直接表征被测试件的力学性能，对采集的实时性和精度要求都很高，所以就需要在测试过程中连续地将实时力值和位移值传递给主控制器。主控制器将凭借所获取的力值和位移值来确定当前测试状态，确定控制操作。如图4、图5所示。

    依上所述，将系统划分为若干任务模块，将实时性要求高的任务，分配给高优先级；将实时性要求低的任务，分配给低优先级。该系统任务的具体划分见表1。

    表中，SysTaskstart的任务主要是完成系统硬件的初始化、用户配置初始化、图形界面GUI的初始化及其他任务的创建等工作。主测试任务TaskTest是整个材料试验机测控系统的核心。该任务用来实现材料试验机的测试逻辑，实时读取力传感器和位移传感器的数值，判断测试状态，依据不同的状态执行相应的控制操作，以完成测试，最后保存测试结果。
3．2 人机交互界面设计
    人机界面是嵌入式系统的重要组成部分，它可以让用户方便地输入参数，执行操作，并及时呈现出必要的信息提示用户。用户在测试材料时，需要频繁地向控制器发出不同的操作命令或更改系统参数，因此友好的人机交互界面是必需的。该系统采用μC／GUI来进行人机界面的设计。μC／GUI是一个源代码开放的GUI，可以实现Windows风格的图形界面，微型是它的最大特点，同时它占用很小的系统资源，易于移植，功能强大；可以运行在μC／OS-Ⅱ操作系统中；采用了100％的ANSIC编写，可以应用于任何LCD和CPU中；加上其源代码开放的特点，使用起来非常灵活。

4 结语
    该万能材料试验机测控系统，以SEP3203微处理器和μC／OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统为基础，具有精度高，实时性好，界面友好等特点，其模块化设计便于今后对故障的查找和系统的改造升级。