专利名称：一种基于系统芯片材料试验机的制作方法
一种基于系统芯片材料试验机
技术领域：
本发明涉及材料试验机测控系统，具体的说，是一种基于系统芯片材料 试验机。
背景技术：
随着物质生活水平的提高，使人们对与生活息息相关的物质及原材料提
出了更多的要求；新的复合材料及新工艺不断出现，需要对这些新的材料的
性能及相关参数进行测试和标定；环境性和安全性等对产品的性能及材料特 性提出了更高的要求；各个国家和地区对各类材料均制定了相关的标准，对 材料的性能提出了越来越苛刻的要求。在这种大时代的背景下，材料试验机 应运而生。
随着集成电路的发展，现在已进入系统芯片(System on Chip,简称SoC) 时代，为了追求高速度、低功耗、小体积和低成本，在一块芯片上实现系统 功能成为集成电路发展的趋势。Cygnal公司的C8051F020是一款高性能的系 统芯片，基于它进行控制系统开发，对变频电机进行控制，进而控制万能试 验机；与其它试验机比较，电子万能试验机主要的特点是适用材料面广，测 量和控制精度高，试验功能多；不象液压万能试验机一般只适合于金属材料 的拉、压、弯试验，夹具更换比较麻烦；且电子万能试验机可实现功能可 实现拉伸、压縮、弯曲、剪切、剥离、撕裂、保载、顶破、松持、循环、蠕 变等多种试验，配置相应的装置还可实现弯扭等试验。电子万能试验机所适用的材料可适用于金属(包括板材、棒材、管材、线材、箔等)、塑料、橡 胶、电线电缆，薄膜、纸张、食品包装、纺织纤维、高分子材料、弹簧、复 合材料和制品等等；针对电子万能试验机开发其控制系统有其实际的经济意 义。
Cygnal公司的C8051F系列性能远优于经典结构的8051，它设法在保持 CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了 CIP-51 的CPU模式。在这种模式中，摒弃了机器周期的概念，指令以时钟周期为运 行单位。平均每个时钟可以执行1条单周期指令，从而大大提高了指令运行 速度。即与8051相比，在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的12倍； 整个指令集平均运行速度为原来8051的9.5倍，使8051兼容机系列进入了 8 位高速单片机行列。迄今为止，I/O端口大都是固定为某个特殊功能的输入/ 输出口，可以是单功能或多功能，1/0端口可编程选择为单向/双向以及上拉、 开漏等。固定方式的I/0端口，既占用引脚多，配置又不够灵活。在C8051F
中，采用交叉开关以软件方式实现i/o端口的灵活配置。在这种通过交叉开关
配置的I/0端口系统中，单片机外部为通用1/0 口，如P0 口、 Pl 口和P2 口。 内有输入/输出的电路单元，通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所 选择的端口上。C8051F在8位单片机中率先配置了标准的JTAG接口(正EE1 149.1)。引入JTAG接口将使8位单片机传统的仿真调试产生彻底的变革。每 一型号的产品都有多路不同精度的ADC和DAC。 C8051F是8位机中首先摆 脱5V供电的单片机，实现了片内模拟与数字电路的3V供电(电压范围2.7— 3.6V),大大降低了系统功耗。基于上述高速SoC单片机的优越性能，本发明 采用一种基于C8051F系列单片机的经济型速度控制系统的材料试验机。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于系统芯片材料试 验机。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
一种基于系统芯片材料试验机，包括最小系统部分，位移、力值数据采 集部分，变频器控制部分，下位机人机界面部分和上位机人机界面部分；最 小系统部分中的系统芯片通过数据和控制总线与位移、力值数据采集部分中 的CPLD位置数据采集模块相连；最小系统部分中的系统芯片通过I/O 口和DA 端口与变频器控制部分中的控制器相连；最小系统部分中的系统芯片通过IIC 总线与下位机人机界面部分中的键盘模块相连，通过串口与下位机人机界面 部分中的微型打印机相连，通过数据和控制总线与下位机人机界面部分中的 LCD液晶模块相连；最小系统部分中的系统芯片通过串口数据线与通信模块相
连，通信模块通过串口数据线与上位机人机界面部分中的PC机相连；
所述的最小系统部分，包括电源模块，最小系统模块和实时时钟模块，
电源模块通过一般物理连接到系统中，给系统供电；最小系统模块由系统芯 片以及其外围电路组成；实时时钟模块通过模拟的SPI总线连接到系统芯片 上，为系统提供实时时钟；
所述的位移、力值数据采集部分，包括16位AD模块，光电编码器采集 模块，CPLD位置数据采集模块，其中，位移信号通过光电编码器采集模块采 集并发送，由CPLD模块进行接收并采集，CPLD通过数据和控制总线与系统芯 片连接，通过总线将位移信号发送给系统芯片进行数据处理，完成位移信号 的采集；力传感器信号，由力传感器采集产生电压信号，经过放大电路放大 后通过普通连接到系统芯片的16位AD模块，完成16位AD电压转换实现传感器信号的采集；
所述的变频器控制部分，包括12位DA模块，变频控制器，控制信号端， 其中，变频器控制信号分为数字信号控制和模拟信号控制，数字控制信号由 控制端信号通过普通的I/O 口产生，通过控制端的高低电平来实现对电机正 转，反转以及停止等状态的控制；模拟控制信号由12位DA模块直接通过系 统芯片产生，通过调节模拟信号的大小来实现电机转速的控制；
所述的下位机人机界面部分，包括键盘模块，微型打印机模块和LCD液 晶模块，其中，键盘模块通过IIC总线连接到系统芯片上，通过IIC总线读 取键盘模块中的芯片上的键值寄存器完成键盘功能；微型打印机通过串口连 接到系统芯片上，通过串口通信实现打印报表；LCD液晶模块通过数据和控制 总线形式连接到系统芯片上；
所述的上位机人机界面部分，包括PC机，打印机以及Labview人机界面， 上位机人机界面通过通信模块与系统芯片连接，实现数据的传递。
本发明一种基于系统芯片材料试验机的积极效果是
(1) 本发明的控制对象为交流变频电机，由于变频电机在精度上有一定 的局限性，以及其对控制器电磁干扰，所以对控制方式，干扰问题，反馈控 制等提出了新的要求，而交流变频电机价格低，在工业领域有很大的应用空 间；
(2) 本发明成本低， 一是体现在交流变频电机的价格低；二是在于使用 MCU上自带的16位AD，采用过采样技术，能达到20位的效果；三在于使用 MCU自带的12位DA，采用隔离控制电机，三是MCU选用Cygnal的C8051F020 芯片，降低控制器的成本；
(3 )本发明采用了一系列的隔离措施来防止交流变频电机对控制器的电磁干扰，采用光电隔离来隔离控制端信号，采用电压跟随器的高阻抗输入和 低阻抗输出来隔离DA控制信号；
(4) 本发明采用2个人机界面， 一是由240x128的液晶组成的人机友好 界面，二是用Labview软件自开发的友好人机界面；并且能完成两个控制界 面的无缝却换；
(5) 本发明采用CPLD进行三路光电编码器进行位置信号的采集；具有 采样频率高，精度高的特点。


图1本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明一种基于系统芯片材料试验机做进一步的说明。
请参见附图1， 一种基于系统芯片材料试验机，包括最小系统部分，位移、 力值数据采集部分，变频器控制部分，下位机人机界面部分和上位机人机界 面部分；最小系统部分中的系统芯片通过数据和控制总线与位移、力值数据 采集部分中的CPLD位置数据采集模块相连；最小系统部分中的系统芯片通过 I/O 口和DA端口与变频器控制部分中的控制器相连；最小系统部分中的系统 芯片通过IIC总线与下位机人机界面部分中的键盘模块相连，通过串口与下 位机人机界面部分中的微型打印机相连，通过数据和控制总线与下位机人机 界面部分中的LCD液晶模块相连；最小系统部分中的系统芯片通过串口数据线与通信模块相连，通信模块通过串口数据线与上位机人机界面部分中的PC 机相连；
所述的最小系统部分，包括电源模块，最小系统模块和实时时钟模块， 电源模块通过一般物理连接到系统中，给系统供电；最小系统模块由系统芯 片以及其外围电路组成；实时时钟模块通过模拟的SPI总线连接到系统芯片 上，为系统提供实时时钟；
其中，电源模块由220v交流引进，通过变压器转换出三路独立的电源。 三路电源分别整流滤波后然后再稳压成需要的电压，最后三路电源在试验机 的机壳上供地；这样做的目的是将数字供电和模拟供电分开，以提高系统的 稳定性，同时也可以减少电源对A/D和D/A转换的干扰，提高转换精度；结 果证明效果很好；实时时钟模块该模块用于系统时钟的计时采用模拟SPI 总线与系统芯片通信；本系统选用DS1302时钟芯片来完成该功能；系统时钟 计时要求系统断电后任然能够进行计时，本系统才用可充电的镊电池来实现; 最小系统模块是组成控制器的基础，最小系统的设计对系统的稳定性有着 很大的影响；最小系统模块包括电源模块，复位模块以及时钟模块。其中时 钟模块的PCB布线要特别注意；因为本系统的工作频率非常高，很容易产生 干扰；所以对时钟模块进行PCB布线的时候尽量要减少模块布线所包括的面 积； 、
所述的位移、力值数据采集部分，包括AD模块，光电编码器采集模块， CPLD位置数据采集模块，其中，位移信号通过光电编码器采集模块采集并发 送，由CPLD模块进行接收并采集，CPLD通过数据和控制总线与系统芯片连接， 通过总线将位移信号发送给系统芯片进行数据处理，完成位移信号的采集； 力传感器信号，由力传感器采集产生电压信号，经过放大电路放大后通过普通连接到系统芯片的AD模块，完成16位AD电压转换实现传感器信号的采集;
其中，AD模块，采集力信号用到的是S型压力传感器；S型压力传感器 主要由弹性体、电阻应变片、电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥；具 体为Transcell Technology公司的S型Bss系列称重传感器此传感器具有较 高的结构强度，抗振、抗冲击、稳定性好，由于利用了剪切原理的优越性及 弹性体采用工字梁，使得力点位置变化对传感器输出信号的影响小，从而保 证了工业现场的测量精度，同时大大提高了纵向和横向的抗弯强度且保证了 过载和抗横向测力性能；该传感器结构简单、体积小、安装维修方便，适用 于各种设备的安装；CPLD位移数据采集模块本系统对位移采集的精度和实 时行要求较搞；针对这个特点，本系统才用CPLD来实现位移型号的采集；CPLD 具有精度高，实时性好的特点；系统芯片通过模拟总线来读取CPLD的24位 位移信号，并且可以实现正反向加减计数；实践证明这样能实现高精度和实 时的位移信号采集；光电编码器模块该模块完成位移的采集，其精度要求 较高；本系统采用1000p/r的光电编码器，其精度能够满足系统的精度要求; 编码器用9v供电，有A， B， Z三路脉冲信号输出，可以实现正反的位移计数;
所述的变频器控制部分，包括12位DA模块，变频控制器，控制信号端， 其中，变频器控制信号分为数字信号控制和模拟信号控制，数字控制信号由 控制端信号通过普通的I/O 口产生，通过控制端的高低电平来实现对电机正 转，反转以及停止等状态的控制；模拟控制信号由12位DA模块直接通过系 统芯片产生，通过调节模拟信号的大小来实现电机转速的控制；
其中，所述的12位DA模块，采用低噪声高精度运算放大器；设定变频 器的输入电压为0—10V， DA输出为0—2.4V，所以需要一个电压放大器进行 电压放大；低噪声高精度运算放大器0P07高精度运算放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等
特点；可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确 放大；变频器控制器，采用海利普变频器HOLIP-C+，由DA来控制变频器的频 率，进而控制变频电机的转速；变频控制器；本系统选用台安公司地EV300 变频控制器。
所述的下位机人机界面部分，包括键盘模块，微型打印机模块和LCD液
晶模块，其中，键盘模块通过nc总线连接到系统芯片上，通过IIC总线读
取键盘模块芯片上的键值寄存器完成键盘功能；微型打印机通过串口连接到 系统芯片上，通过串口通信实现打印报表；LCD液晶模块通过数据和控制总线 形式连接到系统芯片上；
其中，键盘模块选自ZLG7290，所述的ZLG7290可采样64个按键或传 感器可检测每个按键的连击次数，采用ZLG7290来进行按键扫描，并将扫描 结果通过I2C总线，传给单片机(只需3个引脚)可节约端口，并保证采集 的可靠性；ZLG7290基本功能如下键盘去抖动处理，双键互锁处理，连击键 处理，功能键处理；所述的键盘去抖动处理是指当键被按下和放开时可能会 出现电平状态反复变化称作键盘抖动若不作处理会引起按键盘命令错误所以 要进行去抖动处理以读取稳定的键盘状态为准；所述的双键互锁处理是指当 有两个以上按键被同时按下时ZLG7290只采样优先级高的按键优先顺序为 (S1〉S2〉…〉S64，如同时按下S2和S18时采样到S2);所述的连击键处理是 指连击次数计数器(R印eatCnt)可区别出单击(某些功能不允许连击如开关) 或连击；判断连击次数，可以检测被按时间以防止某些功能误操作；所述的 功能键处理是指功能键能实现2个以上按键同时按下来扩展按键数目或实现 特殊功能如PC机上的"Shift、 Ctrl、 Alt"键典型应用；LED液晶模块为内置T6963C控制器型的240X128液晶，所述的内置 T6963C控制器型的液晶显示模块的驱动控制系统是由液晶显示控制器T6963C 及其周边电路，行驱动器组，列驱动器组以及液晶驱动偏压电路组成；T6963C 最大特点是具有独特的硬件初始值设置功能，显示驱动所需的参数如占空比 系数、驱动传输的字节数/行及字符的字体选择等均有引脚电平设置，这样 T6963C的初始化在上电时就基本设置完成，软件操作就可以集中于显示画面 的设计上； ，
微型打印机模块系统需要打印测试报表，本系统选用炜煌汉字微型打 印机；为了节省系统芯片0/I资源，采用串口通信模式；通过程序编写微型 打印机驱动，来实现报表的打印。
所述的上位机人机界面部分，包括PC机，打印机以及Labview人机界面， 上位机人机界面通过RS232通信与系统芯片连接，实现数据的传递。
通信模块为了方便的完成与PC机之间的通信，本系统采用RS232串 行通信；通过个MAX232进行电平转换后与PC机通信。
通过系统中各个部分之间的协调工作实现了系统的反馈控制。假定通过 最小系统部分或下位机人机界面部分人机界面设定一个工作速度(速度1)。 通过变频器控制部分启动电机，但是实际的工作速度(速度2)与设定的速度 有一定的误差(变频电机有转差率以及控制信号本身的误差)。启动电机后通 过位移、力值数据采集部分采集位移信号以及实时时钟模块提取时间，系统 芯片由位移和时间两变量计算出速度2，然后系统芯片将速度1和速度2进行 比较。根据比较的结果，系统芯片将再次通过变频器控制部分产生控制信号， 将速度2控制在速度1附近，从而实现速度的反馈控制。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
权利要求
1. 一种基于系统芯片材料试验机，包括最小系统部分，位移、力值数据采集部分，变频器控制部分，下位机人机界面部分和上位机人机界面部分；其特征在于，最小系统部分中的系统芯片通过数据和控制总线与位移、力值数据采集部分中的CPLD位置数据采集模块相连；最小系统部分中的系统芯片通过I/O口和DA端口与变频器控制部分中的控制器相连；最小系统部分中的系统芯片通过IIC总线与下位机人机界面部分中的键盘模块相连，通过串口与下位机人机界面部分中的微型打印机相连，通过数据和控制总线与下位机人机界面部分中的LCD液晶模块相连；最小系统部分中的系统芯片通过串口数据线与通信模块相连，通信模块通过串口数据线与上位机人机界面部分中的PC机相连。
2. 根据权利要求1所述的一种基于系统芯片材料试验机，其特征在于， 所述的最小系统部分，包括电源模块，最小系统模块和实时时钟模块，电源 模块通过物理连接到最小系统模块的系统芯片中；最小系统模块由系统芯片 以及其外围电路组成；实时时钟模块通过模拟的SPI总线连接到最小系统模 块的系统芯片上。
3. 根据权利要求1所述的一种基于系统芯片材料试验机，其特征在于， 所述的位移、力值数据采集部分，包括16位AD模块，光电编码器采集模块， CPLD位置数据采集模块，其中，位移信号通过光电编码器采集模块采集并发 送，由CPLD模块进行接收并采集，CPLD通过数据和控制总线与系统芯片连接， 通过总线将位移信号发送给系统芯片进行数据处理，完成位移信号的采集； 力传感器信号，由力传感器采集产生电压信号，经过放大电路放大后通过普 通连接到系统芯片的16位AD模块，完成16位AD电压转换实现传感器信号 的采集。
4. 根据权利要求1所述的一种基于系统芯片材料试验机，其特征在于， 所述的变频器控制部分，包括12位DA模块，变频控制器，控制信号端，其中，数字控制信号由控制端信号通过普通的i/o口产生，通过控制端的高低电平来实现对电机正转，反转以及停止的控制；模拟控制信号由12位DA模 块直接通过系统芯片产生，通过调节模拟信号的大小来实现电机转速的控制。
5. 根据权利要求1所述的一种基于系统芯片材料试验机，其特征在于， 所述的下位机人机界面部分，包括键盘模块，微型打印机模块和LCD液晶模 块，其中，键盘模块通过IIC总线连接到系统芯片上，通过IIC总线读取键 盘模块中的芯片上的键值寄存器完成键盘功能；微型打印机通过串口连接到 系统芯片上，通过串口通信实现打印报表；LCD液晶模块通过数据和控制总线 形式连接到系统芯片上。
6. 根据权利要求1所述的一种基于系统芯片材料试验机，其特征在于， 所述的上位机人机界面部分，包括PC机，打印机以及Labview人机界面，上 位机人机界面通过通信模块与系统芯片连接。
全文摘要
本发明公开了一种基于系统芯片材料试验机，包括位移、力值数据采集部分，变频器控制部分，最小系统部分，下位机人机界面部分和上位机人机界面部分；位移、力值数据采集部分中的CPLD位置数据采集模块通过数据和控制总线与最小系统部分中的系统芯片相连；变频器控制部分中的变频控制通过普通的I/O口和DA端口与最小系统部分中的系统芯片相连；最小系统部分中的系统芯片通过IIC总线与下位机人机界面部分中的键盘模块相连，通过串口与下位机人机界面部分中的微型打印机相连，通过数据和控制总线与下位机人机界面部分中的LCD液晶模块相连。本发明的优点成本低，应用广泛，友好人机界面，以及频率高，精度高的特点。
文档编号G01N3/00GK101441153SQ20081020756
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者唐斌红, 徐水元, 易建军, 赵少华, 陈昌明 申请人:华东理工大学