Estar basado en el diseño del sistema de medición y control de la máquina universal de prueba de materiales basado en C/OS: sistema operativo integrado en tiempo real

0 IntroducciónLa máquina universal de prueba de materiales es uno de los equipos básicos para determinar las propiedades mecánicas de los materiales. Se utiliza principalmente para probar las propiedades mecánicas de tracción, compresión, flexión y corte de metales, caucho, plásticos, cerámicas y cemento. Puede completar las pruebas de resistencia, plasticidad, elasticidad y tenacidad de los materiales. Con la profundización de la internacionalización, el desarrollo de máquinas de prueba de materiales en el país y en el extranjero presenta principalmente las características de informatización, procesamiento integral de datos, control preciso y exhaustividad.

En la actualidad, el desarrollo del sistema de medición y control de la máquina universal de ensayo de materiales tiene cierta complejidad. Es necesario integrar múltiples funciones como adquisición de datos, procesamiento, interfaz hombre-máquina, comunicación en serie, etc. en un espacio lo más pequeño posible. Debido a la función única de la microcomputadora tradicional de un solo chip, a menudo no puede cumplir con los requisitos, o incluso si se puede realizar, también necesita usar una gran cantidad de MCU para trabajar en conjunto. Encontrará grandes dificultades a la hora de conectar la señal, programar y reducir el volumen. Es difícil desarrollar, mantener y expandir los sistemas delantero y trasero directamente sobre el metal desnudo, y dicho sistema es esencialmente un superciclo de programa, que no puede garantizar los requisitos en tiempo real del sistema de medición y control.

El sistema de medición y control de la máquina universal de prueba de materiales no solo requiere que el sistema responda a eventos externos aleatorios a tiempo y los maneje rápidamente, sino que también necesita ejecutar múltiples tareas al mismo tiempo y responder a cada tarea en tiempo real. Si se utiliza la tecnología del sistema integrado, la CPU integrada de un solo chip se puede utilizar para integrar múltiples funciones y resolver gradualmente los problemas existentes. Con base en estos antecedentes, este documento propone un sistema operativo en tiempo real basado en el procesador SEP3203 Implementación de medición y Sistema de control de la máquina de prueba de materiales universal de alta precisión basado en el principio de funcionamiento del sistema C/OS - .1.

La máquina de prueba utiliza el controlador para controlar el funcionamiento del motor a través de la servounidad de CA y luego desacelera a través del reductor de precisión. A través de la tuerca de desplazamiento de juego inverso, el motor impulsa el par de tornillos de avance de doble tornillo para hacer que la viga móvil se mueva hacia arriba y hacia abajo, a fin de realizar el proceso de carga de la muestra y completar las pruebas de tracción, compresión y otras propiedades mecánicas de la muestra. Su principio de funcionamiento se muestra en la Figura 1. Durante la prueba de tracción u otras pruebas, el puente produce una salida de voltaje débil y desequilibrada debido al desequilibrio entre el sensor de carga de la máquina de prueba y la muestra. El voltaje es linealmente proporcional a la magnitud de la fuerza en un cierto rango. Sin embargo, la deformación provocada por la carga se obtiene mediante extensómetro electrónico. Las pequeñas señales emitidas por el sensor de carga y el extensómetro electrónico son amplificadas y procesadas por la unidad de medición y enviadas a la entrada de adquisición de datos del controlador para su procesamiento para obtener los valores de fuerza y ​​deformación, y dibujar las curvas características tales como salida y deformación. Además, el desplazamiento del haz móvil se obtiene mediante medición digital del codificador fotoeléctrico instalado en el eje del motor.

2 Diseño de hardware del sistema de medición y control De acuerdo con los requisitos funcionales y el principio de funcionamiento de la máquina de prueba, la arquitectura de hardware del sistema se muestra en la Figura 2.2.1 placa central y módulo de potencia.

El procesador de la placa central adopta SEP3203 de la empresa boson de la Universidad del Sureste. El procesador SEP3203 está integrado con un núcleo de procesador ARM7TDMI proporcionado por la compañía británica y con una memoria estática de espera cero en el chip de 20 KB; Controlador LCD integrado que admite blanco y negro, gris y color; Admite protocolo SPI para conectar la comunicación con pantalla táctil. Módulo de reloj en tiempo real de un canal, 85 puertos de E/S generales y 18 fuentes de interrupción externas. La parte de memoria de la placa central incluye 8 MB SDRAM y 2 mbnor flash. Los pines de función de reinicio y activación utilizados en la placa central se introducen a través del zócalo de expansión; La línea de dirección de 22 bits, la línea de datos de 32 bits y las señales de control no utilizadas se extienden a la placa base a través del zócalo de expansión. El sistema requiere una fuente de alimentación multicanal. Por ejemplo, la placa central del brazo necesita fuentes de alimentación de 3,3 V y 5 V; En los componentes periféricos del sistema, el módulo de control LCD necesita alimentación de 5 V; El módulo de conversión A/D necesita una fuente de alimentación de 6 V al mismo tiempo; El servocontrolador necesita una fuente de alimentación de 12 V, por lo que la fuente de alimentación de entrada debe diseñarse para estabilización de voltaje y derivación.

2.2 módulo de interfaz general periférico

El módulo de interfaz general periférico del controlador del probador incluye principalmente puerto de E/S general, interfaz USB, puerto de depuración JTAG, etc. En el sistema de la máquina de prueba, el controlador no solo necesita comunicarse con las capas superior e inferior, sino que también implica la adquisición de datos de los parámetros de medición del sensor y la salida de la señal de servocontrol. Al mismo tiempo, el valor de conmutación es también una de las señales más sencillas y utilizadas con frecuencia en el campo de la medición y el control, como el final de carrera del haz motorizado de prueba, el control LCD y el encendido y apagado de la luz indicadora. El puerto de E/S general del SEP3203 se utiliza para realizar la entrada/salida de estas señales.

SEP3203 proporciona 85 puertos de E/S generales y 18 fuentes de interrupción externas sin expandir los puertos de E/S. Cuando utilice la función de puerto, primero defina el modo de función pin en el programa, es decir, cada puerto se configura como modo de entrada, modo de salida o modo de función de interrupción. Cada pin multiplexado tiene bits de registro correspondientes para seleccionar el modo de función real. En este diseño, el canal de E/S utiliza un dispositivo buffer bidireccional 74lvch162245a para mejorar la capacidad de conducción del bus. Además, se agregan dos interfaces USB al sistema para la salida de resultados de pruebas o como interfaces de espera.2.3 módulo de adquisición de señal

El módulo de adquisición de señales incluye un módulo de adquisición de valores de fuerza multicanal y un módulo de adquisición de señales de deformación multicanal.

La fuerza y ​​la deformación son las principales señales recogidas por el sistema. La señal de voltaje del sensor se ingresa en el convertidor analógico a digital CS5530. La entrada diferencial del CS5530 puede medir directamente la señal de milivoltios del sensor, lo que simplifica la conexión con el circuito periférico. El amplificador de ganancia programable puede configurar la ampliación de 1 a 32, lo que mejora enormemente las características dinámicas del sistema. El filtro digital multietapa controlado por programa puede seleccionar la velocidad de salida de datos en el rango de 7,5 Hz 3,84 kHz, lo que facilita la conexión con periféricos. Además, CS5530 tiene un sistema de autoajuste completo, que puede llevar a cabo la autocalibración y la calibración del sistema, para eliminar la ganancia cero y el error de deriva del propio a/D, así como el error de compensación y ganancia del canal del sistema. Además, el voltaje de trabajo es suministrado por el elemento estabilizador de voltaje lineal 7806 para garantizar la precisión de la adquisición de la señal.

2.4 módulo de interacción persona-computadora Para que el sistema de medición y control de la máquina de prueba universal tenga una mejor interfaz de interacción persona-computadora y facilite la depuración y operación del usuario, debe estar equipado con dispositivos de visualización, como LCD y señal luminosa. Además, para la interacción persona-computadora, debe haber un dispositivo de entrada, de modo que los usuarios puedan enviar comandos al controlador principal del brazo o ingresar los parámetros de control necesarios. El sistema adopta entrada de pantalla táctil.

De acuerdo con las necesidades reales del sistema, el módulo LCD adopta una pantalla gris de 4 niveles en blanco y negro 240 320, compatible con LCD TFT en color de 64K de 7 pulgadas, y la pantalla táctil está integrada con LCD. La pantalla táctil adopta el modo de trabajo AC97 ucb1400. El tamaño pequeño y las características de bajo voltaje (3,3 V) del ucb1400 lo convierten en una opción ideal para la nueva generación de aplicaciones PDA. Integra códec de audio avanzado, controlador de pantalla táctil y administración de energía, y proporciona funciones personalizadas en un formato de producto estándar y disponible de inmediato. Como interfaz entre la pantalla LCD y el brazo, el controlador ucb1400 se utiliza para controlar directamente la visualización de caracteres de control LCD, caracteres chinos y gráficos. Con la ayuda de ucb1400, el puerto de E/S de SEP3203 se puede utilizar directamente para simular la lectura/escritura y el tiempo de control del cristal líquido, de modo que la operación del brazo sobre cristal líquido en realidad cambie a la operación del brazo sobre cristal líquido. Controlador de pantalla ucb1400, que simplifica la conexión del hardware y la programación del software del circuito de interfaz.

3. Diseño de software del sistema de control y medición C/OS: es un sistema operativo en tiempo real totalmente separable diseñado para aplicaciones integradas. Puede gestionar 64 tareas, de las cuales el programa de aplicación dejado a los usuarios puede tener 56 tareas como máximo. El proceso de desarrollo de este software de aplicación RTOS es el siguiente: (1) Definir la función del software de aplicación de acuerdo con el esquema de diseño del sistema;

(2) Combinado con las características concurrentes (o características cuasi concurrentes) de RTOS, las funciones que debe realizar el software de la aplicación se dividen adecuadamente, es decir, las funciones del software de la aplicación se dividen en varios módulos de tareas de acuerdo con ciertos principios; (3) Confirme cuidadosamente la comunicación y el retraso entre tareas. Permanezca En C / OS -, cada tarea es un ciclo infinito, que puede estar en los siguientes cinco estados: estado de suspensión, estado listo, estado en ejecución, estado suspendido y estado interrumpido. La transición entre estados de tareas se muestra en la Figura 3.

3.1 Análisis del módulo de software del sistema de medición y control.

Las funciones principales del sistema son la recopilación de datos de prueba (incluido el valor de fuerza y ​​el valor de desplazamiento), la visualización de los datos de prueba en la pantalla LCD, el control del servomotor, la interacción persona-computadora y la comunicación de datos. Dado que el valor de la fuerza y ​​el valor del desplazamiento son dos datos clave del sistema de la máquina de prueba, que caracterizarán directamente las propiedades mecánicas de las piezas probadas y tienen altos requisitos de adquisición en tiempo real y precisión, es necesario transmitir continuamente el valor real. -valor de fuerza de tiempo y valor de desplazamiento al controlador principal en el proceso de prueba. El controlador principal determinará el estado de prueba actual y controlará la operación en función del valor de fuerza y ​​el valor de desplazamiento obtenidos. Como se muestra en la Figura 4 y la Figura 5.

De acuerdo con lo anterior, el sistema se divide en varios módulos de tareas para asignar tareas con altos requisitos en tiempo real a alta prioridad; Asigne tareas con bajos requisitos de tiempo real a baja prioridad. La división específica de las tareas del sistema se muestra en la Tabla 1. En la tabla, las tareas de systaskstart son principalmente para completar la inicialización del hardware del sistema, la configuración del usuario, la interfaz gráfica GUI y la creación de otras tareas. La tarea de prueba principal es el núcleo del sistema de medición y control de toda la máquina de prueba de materiales. Esta tarea se utiliza para realizar la lógica de prueba de la máquina de prueba de materiales, leer los valores del sensor de fuerza y ​​del sensor de desplazamiento en tiempo real, juzgar el estado de la prueba, ejecutar las operaciones de control correspondientes según los diferentes estados para completar la prueba y finalmente guarde los resultados de la prueba.3.2 Diseño de interfaz de interacción persona-computadora

La interfaz hombre-máquina es una parte importante del sistema integrado. Permite a los usuarios ingresar fácilmente parámetros, realizar operaciones y presentar la información necesaria para avisar a los usuarios a tiempo. Al probar materiales, los usuarios necesitan enviar con frecuencia diferentes comandos de operación al controlador o cambiar los parámetros del sistema, por lo que es necesaria una interfaz amigable de interacción persona-computadora. El sistema utiliza C/GUI para diseñar la interfaz hombre-máquina. C / GUI es una GUI de código abierto que puede realizar una interfaz gráfica al estilo de Windows. La miniaturización es su característica más importante. Al mismo tiempo, ocupa muy pocos recursos del sistema, es fácil de trasplantar y tiene funciones potentes; Puede ejecutarse en C/OS - sistema operativo; Está escrito en 100% ansic y se puede aplicar a cualquier LCD y CPU; Sumado a sus características de código abierto, su uso es muy flexible.

4 Conclusión El sistema de medición y control de la máquina universal de prueba de materiales se basa en el microprocesador SEP3203 y en C/OS, sistema operativo integrado en tiempo real, tiene las características de alta precisión, buen rendimiento en tiempo real y una interfaz amigable. Su diseño modular es conveniente para la búsqueda de fallas y la transformación y actualización del sistema en el futuro.