摘 要: 該文采用DSP控制技術和USB2.0接口，利用組態(tài)軟件平臺開發(fā)了一套應用于材料試驗的CAT系統(tǒng)，實現(xiàn)了力-位移曲線的實時測量和圖形動態(tài)顯示、拖動機構計算機控制、采集數(shù)據(jù)匯總與報表輸出。該系統(tǒng)具有一定的通用性，可應用于其他試驗機。 關鍵詞: 計算機輔助測試; 監(jiān)控; 組態(tài)軟件; 材料實驗機 1 引言 　　組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，可以為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的通用軟件工具，它能支持各種工控設備和常見的通信協(xié)議，實現(xiàn)實時控制、實時數(shù)據(jù)庫、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口等內(nèi)容，其組態(tài)方式靈活，易于構建一套最適合實際需要的應用系統(tǒng)。“組態(tài)王”軟件是運行于Microsoft Windows 98/2000/NT/XP/2003操作系統(tǒng)下的組態(tài)軟件，采用了多線程、COM組件等新技術，實現(xiàn)了實時多任務，軟件運行穩(wěn)定可靠，廣泛地應用于工業(yè)控制和計算機輔助測試（CAT） 領域。本文利用組態(tài)軟件平臺開發(fā)了一套應用于材料試驗的CAT系統(tǒng)，介紹了其實現(xiàn)的方法和過程。 2 模塊化CAT系統(tǒng)的組成 　　材料試驗機CAT系統(tǒng)采用模塊化設計，分成權限管理模塊、試驗方案模塊、試驗模塊、曲線分析模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、標定模塊等若干個模塊，這樣做的好處是方便升級，系統(tǒng)的組成如圖1所示，各模塊的主要功能如下： 　　權限管理模塊是從安全性的考慮，為了方便分權限管理，設計了權限以及操作者識別功能;試驗方案模塊是幫助用戶設計試驗方案或檢驗用戶的方案是否合理和優(yōu)化;試驗模塊和標定模塊用于試驗項目與參數(shù)的設定，是針對不同的實驗對象和實驗內(nèi)容開發(fā)的，以滿足不同用戶的需求;曲線分析模塊可以對試驗數(shù)據(jù)進行處理，繪制出力-位移曲線;數(shù)據(jù)查詢模塊允許用戶查詢與試驗有關的各種數(shù)據(jù)。 [align=center] 圖1 CAT系統(tǒng)的組成模塊[/align] 3 CAT系統(tǒng)的硬件設計 　　材料試驗機CAT系統(tǒng)的工作程序為：裝夾試驗件-電動缸作往復運動-按給定的加載速率進行加載至材料失效-停止運動-卸下試驗件-電動缸返回指定位置—打印實驗結果。因此必須完成試樣夾緊、拖動、數(shù)據(jù)采集、計算機監(jiān)控和故障診斷等功能，該系統(tǒng)該系統(tǒng)采用力控制系統(tǒng)，由用戶試驗項目及參數(shù)的設定，通過力傳感器加載和檢測力，并將檢測值反饋給計算機進行實時處理和顯示力-位移曲線。 　　為保證結構的簡潔性，采用MCL-Z系列柱式拉壓力傳感器，這種類型的傳感器結構兼顧于柱式和S式的優(yōu)點，結構緊湊，測量精度高，抗偏能力強。位移量的檢測采用NS-WY01型位移變送器。現(xiàn)場信號有模擬量和數(shù)字量輸入/輸出，使用I-7000系列工業(yè)I/O模塊，通過RS-485//232轉換器I-7520與工控機的RS-232口進行雙向通訊，實現(xiàn)分布式采集。其硬件原理圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 CAT系統(tǒng)的硬件原理圖[/align] 　　在進行系統(tǒng)硬件設計時，采用了全數(shù)字閉環(huán)測控系統(tǒng)，它具有許多先進的特性和技術創(chuàng)新，主要體現(xiàn)在： 　　1、實現(xiàn)了全數(shù)字閉環(huán)（力、位移）控制 　　試驗機性能的高低主要取決于對試驗過程的控制。系統(tǒng)采用先進的神經(jīng)元自適應PID控制算法，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的在線辨識，控制量在線優(yōu)化，控制環(huán)在線切換，實現(xiàn)了真正的閉環(huán)全數(shù)字控制，使得整機性能明顯優(yōu)越。 　　2、基于DSP的控制系統(tǒng)平臺 　　DSP是RISC專用型CPU，其指令系統(tǒng)針對自動控制應用（如FFT運算）進行了大量的優(yōu)化，集成了很多外設功能，適合實時工業(yè)控制與量測系統(tǒng)。本產(chǎn)品的控制芯片選用TI公司的DSP。該芯片具有40MIPS計算能力，32位定點，集矢量控制、位置捕獲、A/D轉換等多項外設功能于一體，是高端工控領域應用十分廣泛的一款CPU，也特別適合試驗機的控制要求。 　　3、采用USB通訊 　　USB是今后通訊發(fā)展方向的主流，具有通訊速率高，可靠，通訊方式靈活多樣（有控制、中斷、批量、實時等）等優(yōu)點，正逐步成為通訊的主要方式。采用USB2.0通訊，具有54Mb/s通訊速率。其具有硬件校驗、硬件應答等功能。 　　4、避免了誤碼、丟碼等常見的通訊缺陷 　　由于USB通訊技術的采用，將大大增強PC機與試驗機的數(shù)據(jù)傳輸能力，改善PC機的人機交互界面，提升試驗機控制系統(tǒng)的整體綜合性能。 　　5、8路高精準數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及3路光電編碼器位置捕獲模塊 　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由8路高精準24位A/D轉換通道組成。最高可達±4000000碼，分辨率達1/300000，全程不分檔。A/D轉換速度和增益可在線編程。3路光電編碼器位置捕獲系統(tǒng)，允許正交碼脈沖頻率可高達5MHz，具有糾錯、辨向、計數(shù)等功能。 4 CAT系統(tǒng)的軟件設計 　　該試驗機選擇“組態(tài)王6.5”作為上位機組態(tài)軟件開發(fā)平臺，并利用其生成控制系統(tǒng)時的人機界面，作為系統(tǒng)的管理站和程序員終端用來開發(fā)和下裝各種控制算法和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。操作員站通過組態(tài)軟件，提供了實時數(shù)據(jù)通訊、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、工況圖形顯示、歷史趨勢顯示、實時控制曲線顯示、控制參數(shù)修改、參數(shù)列表功能、報警管理功能、報表打印、操作員操作記錄等功能。 　　4.1界面設計 　　界面設計首先應從美學和人機工程學考慮，使界面具有優(yōu)良的布局和友好的操作性，同時還應盡量減少操作的次數(shù)和時間，提高輸入的效率，為此本系統(tǒng)將主要監(jiān)控對象、力-位移變化趨勢曲線及其數(shù)值量、控制開關元件等各種操作集中放置在此界面上，并按功能相似性劃分了五個區(qū)：圖標菜單區(qū)、控制元件區(qū)、圖形顯示區(qū)、參數(shù)調(diào)節(jié)和顯示區(qū)、按鈕命令區(qū)。界面如圖3所示。 [align=center] 圖3 系統(tǒng)主界面設計[/align] 　　4.2力-位移曲線的生成 　　進行疲勞強度試驗，載荷從零開始平緩地増加，在加載過程中，桿件各點的加速度很小，可以忽略不計，載荷加到最終值后不再變化，這也就是靜載荷。對汽車座椅調(diào)角器的靜強度試驗是動、靜載荷相結合的力作用，其過程中應力平均植可由下式計算： 　　δm=（δmax +δmin）/2 （公式1） 　　式中：δm為應力平均值;δmax為過程中最大應力值;δmin為過程中最大應力值。 　　以上計算過程通過組態(tài)王軟件編程實現(xiàn)。同時，將位移量定義為X坐標，加載力作為Y坐標，對I-7017模塊和拉力傳感器采集的模擬信號進行動畫連接，在計算機實時監(jiān)控界面中的“XY趨勢曲線圖”中將實時的顯示力-位移的變化情況。力-位移曲線的監(jiān)控界面如圖4所示。 [align=center] 圖4 試驗數(shù)據(jù)處理界面[/align] 　　4.3電機控制 　　該試驗機對電機的控制主要包括電機啟、停控制，正、反轉控制，回原點控制，極限位置的行程保護，報警系統(tǒng)。考慮到操作的方便性，電機控制直接在主界面中顯示。 　　4.4數(shù)據(jù)匯總及報表輸出 　　在此界面中主要有報表和數(shù)據(jù)處理菜單的設計，在報表中對試驗所需數(shù)據(jù)進行記錄，并可由數(shù)據(jù)處理菜單對其進行處理，包括報表的頁面設置、打印預覽、立即打印、數(shù)據(jù)查詢等功能。在報表中利用Date函數(shù)對實驗日期進行顯示和記錄，利用Time函數(shù)對實驗時間進行顯示和記錄。主要程序段如下： 　　if （MenuIndex==0） //對數(shù)據(jù)報表進行頁面設置// 　　｛ 　　ReportPageSetup（"數(shù)據(jù)報表"）; 　　｝ 　　if （MenuIndex==1） //對數(shù)據(jù)報表進行打印預覽// 　　｛ 　　ReportPrintSetup（"數(shù)據(jù)報表"）; 　　｝ 　　if （MenuIndex==2） //對數(shù)據(jù)報表進行打印操作// 　　｛ 　　ReportPrint2（"數(shù)據(jù)報表"）; 　　｝ 　　if （MenuIndex==3） //在報表中對所需數(shù)據(jù)進行查詢// 　　｛ 　　ReportSetHistData2（3,1）; 　　｝ 　　為了用戶的操作方便，在報表的右邊特別設置了界面切換按鈕，可實現(xiàn)在不同的界面中隨意轉換。 　　部分CAT系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)量大的特點，此時可改用Access數(shù)據(jù)庫進行CAT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理。在系統(tǒng)ODBC數(shù)據(jù)源中添加mdb數(shù)據(jù)庫，接著通過組態(tài)王中的SQL訪問管理器建立與該數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系，在組態(tài)王中調(diào)用SQL函數(shù)可實現(xiàn)查詢、追加、刪除、報表等操作[2]。 5 結束語 　　利用組態(tài)軟件進行CAT系統(tǒng)的開發(fā)可大大縮短程序設計周期，加快工程開發(fā)速度。組態(tài)軟件提供了靈活的工具和模塊，人機交互界面友好，自動化程度高，系統(tǒng)功能易于實現(xiàn)和維護，具有易于擴展的優(yōu)點。 　　本文作者創(chuàng)新觀點：硬件設計基于DSP的控制系統(tǒng)，采用USB通訊，利用先進的神經(jīng)元自適應PID控制算法，實現(xiàn)了真正的閉環(huán)全數(shù)字控制。軟件設計采用組態(tài)軟件進行CAT系統(tǒng)的開發(fā)，有效解決了用計算機語言如VC、VB進行開發(fā)所帶來的上手困難、開發(fā)周期長、通用性差的問題。程序界面友好直觀，便于用戶進行更改和擴充升級，經(jīng)過簡單修改即可移植到其他CAT系統(tǒng)中。 參考文獻 　　[1] 北京亞控科技公司.組態(tài)軟件使用指南[Z].北京:北京亞控科技公司,2005. 　　[2] 孫明革,朱喜林.基于組態(tài)王軟件下的SQL數(shù)據(jù)庫技術[J]. 微計算機信息,2005,（7）（3-1）:109-111. 　　[3] 研華科技股份有限公司.ADAM4K-5K用戶手冊[Z].北京:研華科技股份有限公司,2004.