Être basé sur la conception d'un système de mesure et de contrôle d'une machine universelle d'essai de matériaux basée sur C/OS - Système d'exploitation en temps réel intégré

0 IntroductionLa machine universelle d'essai de matériaux est l'un des équipements de base pour déterminer les propriétés mécaniques des matériaux. Il est principalement utilisé pour tester les propriétés mécaniques de traction, de compression, de flexion et de cisaillement des métaux, du caoutchouc, des plastiques, de la céramique et du ciment. Il peut compléter les tests de résistance, de plasticité, d’élasticité et de ténacité des matériaux. Avec l'approfondissement de l'internationalisation, le développement de machines d'essai de matériaux au pays et à l'étranger présente principalement les caractéristiques de l'informatisation, du traitement complet des données, du contrôle précis et de l'exhaustivité.

À l'heure actuelle, le développement d'un système de mesure et de contrôle d'une machine universelle d'essai de matériaux présente une certaine complexité. Il est nécessaire d'intégrer de multiples fonctions telles que l'acquisition de données, le traitement, l'interface homme-machine, la communication série, etc. dans un espace le plus réduit possible. En raison de la fonction unique du micro-ordinateur monopuce traditionnel, il ne peut souvent pas répondre aux exigences, ou même s'il peut être réalisé, il doit également utiliser un grand nombre de MCU pour travailler ensemble. Il rencontrera de grandes difficultés dans la connexion du signal, la programmation et la réduction du volume. Il est difficile de développer, de maintenir et d'étendre les systèmes avant et arrière directement sur le métal nu, et un tel système est essentiellement un super cycle de programme, qui ne peut pas garantir les exigences en temps réel du système de mesure et de contrôle.

Le système de mesure et de contrôle de la machine universelle d'essai de matériaux nécessite non seulement que le système réponde à temps à des événements externes aléatoires et les traite rapidement, mais doit également exécuter plusieurs tâches en même temps et répondre à chaque tâche en temps réel. Si la technologie du système embarqué est utilisée, le processeur embarqué monopuce peut être utilisé pour intégrer plusieurs fonctions et résoudre progressivement les problèmes existants. Sur la base de ce contexte, cet article propose un système d'exploitation en temps réel basé sur le processeur SEP3203. Mise en œuvre de mesures et système de contrôle de la machine d'essai de matériaux universelle de haute précision basée sur le principe de fonctionnement du système C/OS - .1

La machine d'essai utilise le contrôleur pour contrôler le fonctionnement du moteur via l'unité servo AC, puis décélère via le réducteur de précision. Grâce à l'écrou de déplacement à jeu inverse, le moteur entraîne la paire de vis mères à double vis pour entraîner la poutre mobile à monter et descendre, de manière à réaliser le processus de chargement de l'échantillon et à compléter les tests de traction, de compression et autres propriétés mécaniques du échantillon. Son principe de fonctionnement est illustré à la figure 1. Pendant l'essai de traction ou d'autres essais, le pont produit une faible sortie de tension déséquilibrée en raison du déséquilibre entre le capteur de charge de la machine d'essai et l'échantillon. La tension est linéairement proportionnelle à l’amplitude de la force dans une certaine plage. Cependant, la déformation provoquée par la charge est obtenue par extensomètre électronique. Les petits signaux émis par le capteur de charge et l'extensomètre électronique sont amplifiés et traités par l'unité de mesure et envoyés à l'entrée d'acquisition de données du contrôleur pour le traitement des données afin d'obtenir les valeurs de force et de déformation, et tracer les courbes caractéristiques telles que la sortie et déformation. De plus, le déplacement du faisceau mobile est obtenu par mesure numérique du codeur photoélectrique installé sur l'arbre du moteur.

2 conception matérielle du système de mesure et de contrôleSelon les exigences fonctionnelles et le principe de fonctionnement de la machine d'essai, l'architecture matérielle du système est présentée dans la figure 2.2.1 carte mère et module d'alimentation

Le processeur de la carte mère adopte SEP3203 de la société boson de l'université du sud-est. Le processeur SEP3203 est intégré au cœur du processeur ARM7TDMI fourni par la société britannique Arm et intégré à une mémoire statique sans attente sur puce de 20 Ko ; Contrôleur LCD intégré prenant en charge le noir et blanc, le gris et la couleur ; Prend en charge le protocole SPI pour connecter la communication sur écran tactile. Module d'horloge en temps réel à un canal, 85 ports d'E/S généraux et 18 sources d'interruption externes. La partie mémoire de la carte mère comprend 8 Mo de SDRAM et 2 Mo de flash. Les broches des fonctions de réinitialisation et de réveil utilisées dans la carte mère sont introduites via le support d'extension ; La ligne d'adresse 22 bits, la ligne de données 32 bits et les signaux de contrôle inutilisés sont étendus à la carte mère via la prise d'extension. Le système nécessite une alimentation multicanal. Par exemple, la carte centrale du bras nécessite des alimentations de 3,3 V et 5 V ; Dans les composants périphériques du système, le module de commande LCD a besoin d'une alimentation de 5 V ; Le module de conversion A/D a besoin d'une alimentation de 6 V en même temps ; Le servomoteur a besoin d'une alimentation de 12 V, l'alimentation d'entrée doit donc être conçue pour la stabilisation de la tension et le shunt.

2.2 module d'interface générale périphérique

Le module d'interface générale périphérique du contrôleur de testeur comprend principalement un port d'entrée/sortie général, une interface USB, un port de débogage JTAG, etc. Dans le système de machine d'essai, le contrôleur doit non seulement communiquer avec les couches supérieure et inférieure, mais implique également l'acquisition de données sur les paramètres de mesure du capteur et la sortie du signal de commande d'asservissement. Dans le même temps, la valeur de commutation est également l'un des signaux les plus simples et les plus fréquemment utilisés dans le domaine de la mesure et du contrôle, comme le fin de course du faisceau motorisé de test, la commande LCD et l'allumage et l'extinction du voyant lumineux. Le port e/s général du SEP3203 est utilisé pour réaliser l'entrée/sortie de ces signaux.

SEP3203 fournit 85 ports d'E/S généraux et 18 sources d'interruption externes sans étendre les ports d'E/S. Lorsque vous utilisez la fonction de port, définissez d'abord le mode de fonction des broches dans le programme, c'est-à-dire que chaque port est configuré comme mode d'entrée, mode de sortie ou mode de fonction d'interruption. Chaque broche multiplexée possède des bits de registre correspondants pour sélectionner le mode de fonctionnement réel. Dans cette conception, le canal d'E/S utilise un dispositif tampon bidirectionnel 74lvch162245a pour améliorer la capacité de conduite du bus. De plus, deux interfaces USB sont ajoutées au système pour la sortie des résultats de test ou comme interfaces de veille. Module d'acquisition de signal 2.3

Le module d'acquisition de signal comprend un module d'acquisition de valeur de force multicanal et un module d'acquisition de signal de déformation multicanal.

La force et la déformation sont les principaux signaux collectés par le système. Le signal de tension du capteur est entré dans le convertisseur analogique-numérique CS5530. L'entrée différentielle du CS5530 peut mesurer directement le signal millivolt du capteur, ce qui simplifie la connexion avec le circuit périphérique. L'amplificateur de gain programmable peut régler le grossissement de 1 à 32, ce qui améliore considérablement les caractéristiques dynamiques du système. Le filtre numérique contrôlé par programme à plusieurs étages peut sélectionner le débit de sortie des données dans la plage de 7,5 Hz à 3,84 kHz, ce qui facilite la connexion avec les périphériques. De plus, le CS5530 dispose d'un système d'auto-réglage complet, qui peut effectuer l'auto-étalonnage et l'étalonnage du système, de manière à éliminer le gain zéro et l'erreur de dérive de a/D lui-même, ainsi que l'erreur de décalage et de gain du canal du système. De plus, la tension de fonctionnement est fournie par l'élément de stabilisation de tension linéaire 7806 pour garantir la précision de l'acquisition du signal.

2.4 module d'interaction homme-machine Afin que le système de mesure et de contrôle de la machine d'essai universelle ait une meilleure interface d'interaction homme-machine et facilite le débogage et le fonctionnement de l'utilisateur, il doit être équipé de dispositifs d'affichage, tels qu'un écran LCD et un signal lumineux. De plus, pour l'interaction homme-machine, il doit y avoir un périphérique d'entrée, afin que les utilisateurs puissent envoyer des commandes au contrôleur principal du bras ou saisir les paramètres de contrôle nécessaires. Le système adopte une saisie sur écran tactile.

Selon les besoins réels du système, le module LCD adopte un écran gris à 4 niveaux en noir et blanc de 240 320, compatible avec l'écran LCD TFT couleur de 7 pouces 64K, et l'écran tactile est intégré à l'écran LCD. L'écran tactile adopte le mode de fonctionnement AC97 ucb1400. La petite taille et les caractéristiques de basse tension (3,3 V) de l'ucb1400 en font un choix idéal pour la nouvelle génération d'applications PDA. Il intègre un codec audio avancé, un contrôleur à écran tactile et une gestion de l'alimentation, et fournit des fonctions personnalisées sous une forme de produit standard et immédiatement disponible. En tant qu'interface entre l'écran LCD et le bras, le contrôleur ucb1400 est utilisé pour piloter directement l'affichage des caractères de contrôle LCD, des caractères chinois et des graphiques. Avec l'aide de l'ucb1400, le port E/S du SEP3203 peut être directement utilisé pour simuler la lecture/écriture et le contrôle du timing des cristaux liquides, de sorte que le fonctionnement du bras sur les cristaux liquides soit réellement transformé en fonctionnement du bras sur les cristaux liquides. Contrôleur d'affichage ucb1400, qui simplifie la connexion matérielle et la programmation logicielle du circuit d'interface.

3. Conception logicielle du système de mesure et de contrôle C/OS - est un système d'exploitation en temps réel entièrement séparable conçu pour les applications embarquées. Il peut gérer 64 tâches, parmi lesquelles le programme d'application laissé aux utilisateurs peut avoir un maximum de 56 tâches. Le processus de développement de ce logiciel d'application RTOS est le suivant : (1) Définir la fonction du logiciel d'application selon le schéma de conception du système ;

(2) Combinées avec les caractéristiques concurrentes (ou quasi concurrentes) du RTOS, les fonctions à réaliser par le logiciel d'application sont divisées de manière appropriée, c'est-à-dire que les fonctions du logiciel d'application sont divisées en plusieurs modules de tâches selon certains principes ; (3) Confirmez soigneusement la communication et le délai entre les tâches.stay Dans C / OS - , chaque tâche est un cycle infini, qui peut être dans les cinq états suivants : état de veille, état prêt, état d'exécution, état suspendu et état interrompu. La transition entre les états de tâche est illustrée à la figure 3.

3.1 analyse du module logiciel du système de mesure et de contrôle

Les principales fonctions du système sont la collecte de données de test (y compris la valeur de force et la valeur de déplacement), l'affichage des données de test sur écran LCD, le contrôle du servomoteur, l'interaction homme-machine et la communication de données. Étant donné que la valeur de force et la valeur de déplacement sont deux données clés du système de machine d'essai, qui caractériseront directement les propriétés mécaniques des pièces testées et ont des exigences élevées en matière de temps réel et de précision d'acquisition, il est nécessaire de transmettre en permanence la valeur réelle. -Valeur de force temporelle et valeur de déplacement au contrôleur principal dans le processus de test. Le contrôleur principal déterminera l'état actuel du test et l'opération de contrôle en fonction de la valeur de force et de la valeur de déplacement obtenues. Comme le montrent les figures 4 et 5.

Selon ce qui précède, le système est divisé en plusieurs modules de tâches pour attribuer une priorité élevée aux tâches ayant des exigences élevées en temps réel ; Attribuez une faible priorité aux tâches nécessitant peu de temps réel. La division spécifique des tâches système est présentée dans le tableau 1. Dans le tableau, les tâches de systaskstart consistent principalement à terminer l'initialisation du matériel système, la configuration utilisateur, l'interface graphique GUI et la création d'autres tâches. La tâche de test principale tasktest est le cœur du système de mesure et de contrôle de l'ensemble de la machine d'essai de matériaux. Cette tâche est utilisée pour réaliser la logique de test de la machine d'essai de matériaux, lire les valeurs du capteur de force et du capteur de déplacement en temps réel, juger l'état du test, exécuter les opérations de contrôle correspondantes en fonction des différents états pour terminer le test, et enfin enregistrer les résultats du test.3.2 conception de l'interface d'interaction homme-machine

L’interface homme-machine est une partie importante du système embarqué. Il permet aux utilisateurs de saisir facilement des paramètres, d'effectuer des opérations et de présenter les informations nécessaires pour inviter les utilisateurs à temps. Lors du test de matériaux, les utilisateurs doivent fréquemment envoyer différentes commandes de fonctionnement au contrôleur ou modifier les paramètres du système, une interface conviviale d'interaction homme-machine est donc nécessaire. Le système utilise C/GUI pour concevoir une interface homme-machine. C/GUI est une interface graphique open source, qui peut réaliser une interface graphique de style Windows. La miniaturisation est sa plus grande caractéristique. En même temps, il occupe très peu de ressources système, est facile à transplanter et possède des fonctions puissantes ; Peut fonctionner sous C/OS - système d'exploitation ; Il est écrit en 100 % ansique et peut être appliqué à n’importe quel écran LCD et processeur ; Couplé à ses caractéristiques open source, il est très flexible à utiliser.

4 ConclusionLe système de mesure et de contrôle de la machine universelle d'essai de matériaux est basé sur le microprocesseur SEP3203 et basé sur C/OS - système d'exploitation en temps réel intégré, il présente les caractéristiques de haute précision, de bonnes performances en temps réel et une interface conviviale. Sa conception modulaire est pratique pour la recherche de pannes, la transformation et la mise à niveau du système à l'avenir.