材料拉压机微机控制系统设计

1　引　言

    拉压试验机用于各种材料的弹力与形变测试,得到材料的受力与变形之间的量值关系,测算出材料的弹性系数、刚度等各种指标,从而对材料加工的工艺和工序提供 正确、合理的科学依据。拉压试验机可进行五种模式的测量,即指定形变(分相对形变和绝对长度两种)测对应的力值、指定力值测量对应的形变值、某段区间上的 形变—弹力曲线、力值最大点及拉断点。

    目前,机械、航空航天、建筑、钢铁、冶金、化工等行业中关于材料拉压实验机的使用越来越多。国内的试验机多是上世纪六、七十年代的产品,故障率高,数据采 集精度低,后续处理难度大,功能单一,不具有多次测量和特殊点测量等功能。针对这些缺点,我们对材料拉压机进行了数字化改造,设计了该试验机的微机控制系 统。

2　系统硬件构成

    系统采用主控计算机进行控制,硬件电路包括拉/压力测量电路、位移测量电路、主控及数据处理电路以及一些接口电路。各部分的接口关系及硬件系统组成框图如图1所示。

    ARTPCI2003数据采集卡是本系统的核心部件。它是一种基于PCI总线的数据采集卡,通过PCI总线与主控计算机相连。板卡上带有 12Bit(4096)分辨率的A/D和D/A转换器,为用户提供了8双/16单的模拟输入通道(本系统采用的16路单端输入方式,应用于噪声干扰不高的 场合。)和2路模拟输出通道。输入信号幅度可以通过程控增益放大器(PGA203,放大1、2、4、8倍;PGA202,放大1、10、100、1000 倍)调到合适的范围,以保证信号精度。在本系统中实现材料拉压机AD/DA功能,输出电机的电压控制信号(可通过短路套选择合适的A/D输入电压和D/A 输出电压),构成材料拉压过程的实时监控。采用8254作为计数器,其通道0作为触发A/D转换的通道,利用跳线选择硬件触发频率,8254的通道0的 CLK0端为2M时钟频率,OUT0的输出触发A/D转换,触发频率可达488Hz~100kHz,A/D采样通过率可达100kHz。可以通过在头文件 中定义一个数据结构PCI 2003 PARA AD来完成首通道、末通道、采集频率、采集增益、AD触发转换方式的设置。同时该板还提供16路数字量输入(对应的头文件数据结构PCI 2003 DI)和16路数字量输出(对应的头文件数据结构PCI 2003 DO)接口。板上带有1K深度、12Bits宽度的FIFO,可以实现高速大容量、连续不间断数据采集及存盘功能。其函数库提供的上层函数提供程序查询和 中断两种数采集方式。由于本系统数据容量大,采样速度高(几十到上百kHz),对实时性要求严格,为了提高CPU的使用率和周转时间,系统采用中断方式进 行数据采集。中断方式是利用FIFO的半满信号产生硬件中断申请,强迫中央处理器(CPU)以最快的速度去进行数据传输,其执行级别比程序查询方式优先很 多,数据吞吐率也要远远高于程序方式。