基于ARM的全自动引伸计控制系统的研究

　　1　引　言

　　引伸计是一种精度很高的变形测量仪器,主要用来测量材料在弹性变形阶段、屈服变形阶段和均匀塑性变形阶段的变形量。目前经常配合计算机控制使用的引伸计一般为电阻应变片式引伸计,它虽能保证大多数拉伸试验的精度要求,但其刀口在试件上的固定通常采用橡皮筋套箍的方式或弹簧压紧方式,但不论采用何种方式,在试件断裂之前操作员都要卸下引伸计,以保护其不受损坏[1]。

　　随着试验机技术的发展,全自动试验机的理念逐步形成,传统引伸计存在的缺陷成为全自动试验机发展的瓶颈,因此全自动引伸计的概念被众多的专家和学者提出并进行研究。目前国内工业控制场合中用的嵌入式工控设备大多采用的是以8位单片机为内核,有价格低廉、设计较容易的优点,但也存在着存储容量小、实时性低、人机交互复杂、操作不方便等问题。ARM微处理器以其高性能、低成本和低功耗的性能等优势,现已广泛应用于工业控制及仪表、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品,尤其是对步进电机控制有较高的实时性和可靠性,可以达到精确定位的要求。本文讨论了基于ARM微处理器的全自动引伸计控制系统。该系统可自动夹紧、松开试样,并且将试样的变形量自动采集并传送到上位机,从而在一定程度上解决了传统引伸计存在的缺陷。

　　2　系统架构

　　本系统的控制器选用Philip公司的LPC系列的LPC2114芯片,内部集成6路输出的PWM单元、4路10位的A/D转换器、2个32位定时器、多个串行接口、向量中断控制器等控制模块,并且该芯片有128K片内Flash程序存储器,46个通用I/O口,9个边沿或电平触发的外部中断引脚[2]。该设计采用基于JTAG的调试解决方案,便于程序调试修改。

　　所设计的全自动引伸计是杠杆式引伸计,由机械传动装置、测臂及光栅尺等组成。引伸计测臂的一端连接刀口,另一端连接光栅尺。以测臂与丝杠的连接点为支点,当试样发生变形时,刀口会随试样移动,则测臂绕支点旋转,光栅尺便有信号输出,由此可得到光栅尺测头移动的距离,根据两个端点分别到支点距离的比例关系,可得到刀口运动的距离,即试样的变形量。另外跟踪单元把引伸计安装到试验机上,并使其跟随动横粱上下移动,引伸计的移动速度与动横梁成一定比例关系。

　　控制系统可以通过RS-232串行接口实现与上位机的通信,由上位机向控制器发送指令,指令包括试样的标距、测臂的夹紧和松开信号。系统的其他硬件还有电源电路、两个光栅尺、JTAG接口、直流电机和步进电机等。其中一个光栅尺与引伸计测臂的机械结构相连,实时检测两测臂间的距离,该距离作为标距的反馈信号,与所设定的标距相比较,进而调整ARM给步进电机发送的脉冲数,提高了标距调整的精度。另外一个光栅尺用来测量试样的变形量,它的接口连接到试验机控制器的测量通道上,由该控制器向上位机发送试样的变形量。引伸计标距的调整是由步进电机控制丝杠来实现的,直流电机通过相应的机械结构控制测臂的夹紧与松开。系统的架构如图1所示。