摘 要: 該文采用DSP控制技術(shù)和USB2.0接口，利用組態(tài)軟件平臺(tái)開發(fā)了一套應(yīng)用于材料試驗(yàn)的CAT系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了力-位移曲線的實(shí)時(shí)測量和圖形動(dòng)態(tài)顯示、拖動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制、采集數(shù)據(jù)匯總與報(bào)表輸出。該系統(tǒng)具有一定的通用性，可應(yīng)用于其他試驗(yàn)機(jī)。 關(guān)鍵詞: 計(jì)算機(jī)輔助測試; 監(jiān)控; 組態(tài)軟件; 材料實(shí)驗(yàn)機(jī) 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(gòu)建工業(yè)自動(dòng)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(shè)備和常見的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)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(gòu)建一套最適合實(shí)際需要的應(yīng)用系統(tǒng)。“組態(tài)王”軟件是運(yùn)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(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)，軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制和計(jì)算機(jī)輔助測試（CAT） 領(lǐng)域。本文利用組態(tài)軟件平臺(tái)開發(fā)了一套應(yīng)用于材料試驗(yàn)的CAT系統(tǒng)，介紹了其實(shí)現(xiàn)的方法和過程。 2 模塊化CAT系統(tǒng)的組成 　　材料試驗(yàn)機(jī)CAT系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分成權(quán)限管理模塊、試驗(yàn)方案模塊、試驗(yàn)?zāi)K、曲線分析模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、標(biāo)定模塊等若干個(gè)模塊，這樣做的好處是方便升級(jí)，系統(tǒng)的組成如圖1所示，各模塊的主要功能如下： 　　權(quán)限管理模塊是從安全性的考慮，為了方便分權(quán)限管理，設(shè)計(jì)了權(quán)限以及操作者識(shí)別功能;試驗(yàn)方案模塊是幫助用戶設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案或檢驗(yàn)用戶的方案是否合理和優(yōu)化;試驗(yàn)?zāi)K和標(biāo)定模塊用于試驗(yàn)項(xiàng)目與參數(shù)的設(shè)定，是針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)有關(guān)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(shè)計(jì) 　　材料試驗(yàn)機(jī)CAT系統(tǒng)的工作程序?yàn)椋貉b夾試驗(yàn)件-電動(dòng)缸作往復(fù)運(yùn)動(dòng)-按給定的加載速率進(jìn)行加載至材料失效-停止運(yùn)動(dòng)-卸下試驗(yàn)件-電動(dòng)缸返回指定位置—打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此必須完成試樣夾緊、拖動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)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(yàn)項(xiàng)目及參數(shù)的設(shè)定，通過力傳感器加載和檢測力，并將檢測值反饋給計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和顯示力-位移曲線。 　　為保證結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)兼顧于柱式和S式的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，測量精度高，抗偏能力強(qiáng)。位移量的檢測采用NS-WY01型位移變送器。現(xiàn)場信號(hào)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(zhuǎn)換器I-7520與工控機(jī)的RS-232口進(jìn)行雙向通訊，實(shí)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(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，采用了全數(shù)字閉環(huán)測控系統(tǒng)，它具有許多先進(jìn)的特性和技術(shù)創(chuàng)新，主要體現(xiàn)在： 　　1、實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字閉環(huán)（力、位移）控制 　　試驗(yàn)機(jī)性能的高低主要取決于對(duì)試驗(yàn)過程的控制。系統(tǒng)采用先進(jìn)的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的在線辨識(shí)，控制量在線優(yōu)化，控制環(huán)在線切換，實(shí)現(xiàn)了真正的閉環(huán)全數(shù)字控制，使得整機(jī)性能明顯優(yōu)越。 　　2、基于DSP的控制系統(tǒng)平臺(tái) 　　DSP是RISC專用型CPU，其指令系統(tǒng)針對(duì)自動(dòng)控制應(yīng)用（如FFT運(yùn)算）進(jìn)行了大量的優(yōu)化，集成了很多外設(shè)功能，適合實(shí)時(shí)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(jì)算能力，32位定點(diǎn)，集矢量控制、位置捕獲、A/D轉(zhuǎn)換等多項(xiàng)外設(shè)功能于一體，是高端工控領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的一款CPU，也特別適合試驗(yàn)機(jī)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(shí)時(shí)等）等優(yōu)點(diǎn)，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(yàn)、硬件應(yīng)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(shù)的采用，將大大增強(qiáng)PC機(jī)與試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸能力，改善PC機(jī)的人機(jī)交互界面，提升試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的整體綜合性能。 　　5、8路高精準(zhǔn)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(zhǔn)24位A/D轉(zhuǎn)換通道組成。最高可達(dá)±4000000碼，分辨率達(dá)1/300000，全程不分檔。A/D轉(zhuǎn)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(dá)5MHz，具有糾錯(cuò)、辨向、計(jì)數(shù)等功能。 4 CAT系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 　　該試驗(yàn)機(jī)選擇“組態(tài)王6.5”作為上位機(jī)組態(tài)軟件開發(fā)平臺(tái)，并利用其生成控制系統(tǒng)時(shí)的人機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。操作員站通過組態(tài)軟件，提供了實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)控制曲線顯示、控制參數(shù)修改、參數(shù)列表功能、報(bào)警管理功能、報(bào)表打印、操作員操作記錄等功能。 　　4.1界面設(shè)計(jì) 　　界面設(shè)計(jì)首先應(yīng)從美學(xué)和人機(jī)工程學(xué)考慮，使界面具有優(yōu)良的布局和友好的操作性，同時(shí)還應(yīng)盡量減少操作的次數(shù)和時(shí)間，提高輸入的效率，為此本系統(tǒng)將主要監(jiān)控對(duì)象、力-位移變化趨勢曲線及其數(shù)值量、控制開關(guān)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(gè)區(qū)：圖標(biāo)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(shè)計(jì)[/align] 　　4.2力-位移曲線的生成 　　進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，載荷從零開始平緩地増加，在加載過程中，桿件各點(diǎn)的加速度很小，可以忽略不計(jì)，載荷加到最終值后不再變化，這也就是靜載荷。對(duì)汽車座椅調(diào)角器的靜強(qiáng)度試驗(yàn)是動(dòng)、靜載荷相結(jié)合的力作用，其過程中應(yīng)力平均植可由下式計(jì)算： 　　δm=（δmax +δmin）/2 （公式1） 　　式中：δm為應(yīng)力平均值;δmax為過程中最大應(yīng)力值;δmin為過程中最大應(yīng)力值。 　　以上計(jì)算過程通過組態(tài)王軟件編程實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，將位移量定義為X坐標(biāo)，加載力作為Y坐標(biāo)，對(duì)I-7017模塊和拉力傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行動(dòng)畫連接，在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面中的“XY趨勢曲線圖”中將實(shí)時(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)處理界面[/align] 　　4.3電機(jī)控制 　　該試驗(yàn)機(jī)對(duì)電機(jī)的控制主要包括電機(jī)啟、停控制，正、反轉(zhuǎn)控制，回原點(diǎn)控制，極限位置的行程保護(hù)，報(bào)警系統(tǒng)。考慮到操作的方便性，電機(jī)控制直接在主界面中顯示。 　　4.4數(shù)據(jù)匯總及報(bào)表輸出 　　在此界面中主要有報(bào)表和數(shù)據(jù)處理菜單的設(shè)計(jì)，在報(bào)表中對(duì)試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并可由數(shù)據(jù)處理菜單對(duì)其進(jìn)行處理，包括報(bào)表的頁面設(shè)置、打印預(yù)覽、立即打印、數(shù)據(jù)查詢等功能。在報(bào)表中利用Date函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)日期進(jìn)行顯示和記錄，利用Time函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行顯示和記錄。主要程序段如下： 　　if （MenuIndex==0） //對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行頁面設(shè)置// 　　｛ 　　ReportPageSetup（"數(shù)據(jù)報(bào)表"）; 　　｝ 　　if （MenuIndex==1） //對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行打印預(yù)覽// 　　｛ 　　ReportPrintSetup（"數(shù)據(jù)報(bào)表"）; 　　｝ 　　if （MenuIndex==2） //對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行打印操作// 　　｛ 　　ReportPrint2（"數(shù)據(jù)報(bào)表"）; 　　｝ 　　if （MenuIndex==3） //在報(bào)表中對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢// 　　｛ 　　ReportSetHistData2（3,1）; 　　｝ 　　為了用戶的操作方便，在報(bào)表的右邊特別設(shè)置了界面切換按鈕，可實(shí)現(xiàn)在不同的界面中隨意轉(zhuǎn)換。 　　部分CAT系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，此時(shí)可改用Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(shí)現(xiàn)查詢、追加、刪除、報(bào)表等操作[2]。 5 結(jié)束語 　　利用組態(tài)軟件進(jìn)行CAT系統(tǒng)的開發(fā)可大大縮短程序設(shè)計(jì)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(jī)交互界面友好，自動(dòng)化程度高，系統(tǒng)功能易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，具有易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。 　　本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：硬件設(shè)計(jì)基于DSP的控制系統(tǒng)，采用USB通訊，利用先進(jìn)的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了真正的閉環(huán)全數(shù)字控制。軟件設(shè)計(jì)采用組態(tài)軟件進(jìn)行CAT系統(tǒng)的開發(fā)，有效解決了用計(jì)算機(jī)語言如VC、VB進(jìn)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(jìn)行更改和擴(kuò)充升級(jí)，經(jīng)過簡單修改即可移植到其他CAT系統(tǒng)中。 參考文獻(xiàn) 　　[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(shù)[J]. 微計(jì)算機(jī)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.