基于SEP3203拉力試驗機嵌入式測控系統設計

摘要：針對材料試驗機測控系統要求精度高，實時性好的特性，提出一種基于32位的ARM微處理器SEP3203和實時操作系統μC／OS-Ⅱ的電子萬能試驗機測控系統開發方案。其中，觸摸屏與LCD合為一體，采用AC97+UCB1400的工作方式來完成圖形用戶界面的設計；利用24位的CS5530芯片來完成數據模擬量的采集。在硬件平臺基礎上，選用μC／OS-Ⅱ作為控制器的操作系統，完成軟件的結構化設計，通過移植μC／GUI，實現控制器的人機接口功能。
關鍵詞：萬能試驗機；ARM微處理器；μC／OS-Ⅱ；CS5530；SEP3203

0 引言
萬能材料試驗機是測定材料機械性能的基本設備之一，主要用作對金屬、橡膠、塑料、陶瓷和水泥等材料的拉伸、壓縮、彎曲和剪切等機械性能的試驗，可完成對材料的強度、塑性、彈性及韌性的檢測。隨著國際化的不斷深入，國內外材料試驗機的發展主要呈現出計算機化、數據處理全面化、控制精確化、全面化的特點。
當前萬能材料試驗機測控系統的開發具有一定的復雜性，要在盡可能小的空間中集成數據采集、處理，人機界面，串行通信等多個功能。傳統的單片機由于功能單一，往往無法滿足要求，或者即使可以實現，也需要使用大量的MCU協同工作，在信號連接、編程和減少體積方面，都會遇到不小的困難。在裸機上直接開發運行前后臺系統的開發、維護和擴展都很困難，而且這樣的系統本質上是一個程序超循環，根本無法保證測控系統的實時性要求。
萬能材料試驗機測控系統不但要求系統能夠及時響應隨機發生的外部事件，對其進行快速處理，還需要同時執行多個任務，并對每個任務實時響應。如果使用嵌入式系統技術，則可以使用單片嵌入式CPU，集成多種功能，逐步解決存在的問題。
本文就是基于這樣的背景，提出一種基于SEP3203處理器和實時操作系統μC／OS-Ⅱ的高精度萬能材料試驗機測控系統的實現。

1 系統工作原理
試驗機利用控制器，先經交流伺服單元控制電機運轉，再經精密減速器減速后，通過反齒隙游移螺帽由電機帶動雙螺旋絲杠副，驅動動橫梁上下移動，從而實現對試樣的加載過程，完成試樣的拉伸、壓縮等力學性能試驗。它的工作原理如圖1所示。在做拉力試驗或者其他試驗時，由于試驗機的負荷傳感器與試樣失去平衡，電橋產生一個弱小的不平衡電壓輸出。該電壓在一定范圍內與作用力的大小呈線性正比例關系。然而試樣在負荷作用下引起的變形量則通過電子引伸計獲得。負荷傳感器和電子引伸計輸出的小信號都經測量單元放大處理后，送給控制器數據采集輸入端進行數據處理，得到力和變形量值，同時繪制出力和變形等特征曲線。此外，動橫梁的位移則通過安裝在電機轉軸上的光電編碼器數字測量獲得。