机械装置性能综合测试硬件设计.docx

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机械装置性能综合测试硬件设计

机械装置综合测试下位机硬件设计

摘要

在本设计中，选用光电编码器、直线位移、压力、加速度传感器分别检测系统执行机构的曲柄转角位移、执行构件直线运动位移、刀具切削阻力、滑枕的振动加速度信号。

而机械装置综合则是下位机硬件设计的主要目的是就是对各个传感器输出信号就行滤波、放大、阻抗匹配以满足单片机A/D转换的满量程要求，并将传感器输出的模拟信号转换为计算机能够识别和处理的数字信号（传感器输出的信号也有数字信号和模拟信号之分，比如加速度传感器输出的信号就是数字信号，该信号只需调理后就可直接输入到单片机I/O口，而其他的光电编码器、直线位移、压力传感器输出的信号为模拟信号，不仅需要信号的调理，也需要A/D转换，把经过调理电路调理后的模拟信号转换成数字信号，而后输入到单片机中进行处理），硬件设计中通讯电路的设计采用RS-232通讯接口来实现上位机与下位机的通讯和数据的传输。

在该设计中下位机硬件设计站有重要的地位，但是机械装置与单片机、上位机沟通交流的桥梁。

硬件系统的设计是否合理有效对整个系统的正常工作有着决定性作用。

关键词：

机械装置，单片机，硬件设计，传感器

COMPREHENSIVETESTINGMECHANICALDEVICEHARDWAREDESIGN

ABSTRACT

Inthisdesign,selectionofphotoelectricencoder,lineardisplacement,stress,accelerationsensorwereusedtodetectthecrankangledisplacementexecutionmechanism,systemimplementationofvibrationaccelerationsignalcomponentlinearmotiondisplacement,cuttingresistance,ram.Whilethemechanicaldeviceisthemainpurposeofhardwaredesignistoeachsensoroutputsignallinefilter,amplifier,impedancematchingtomeetthefullrangeofrequirementsofA/Dconversion,andconvertstheanalogsignaltodigitalsignaloutputofthesensorofthecomputercanrecognizeandprocess（sensoroutputsignalisdigitalsignalandanalogsignals,suchassignaloutputoftheaccelerometerisdigitalsignal,thesignalisonlyconditioningcanbedirectlyinputtotheI/OportoftheSCM,andthesignalofotherphotoelectricencoder,lineardisplacement,thepressuresensoroutputanalogsignal,notonlyneedthesignalconditioning,alsoneedtoA/Dconversion,theconditioningsimulationsignalconditioningcircuitisconvertedintodigitalsignal,andtheninputtothemicrocontrollerforprocessing）,designofcommunicationcircuithardwaredesignadoptsRS-232communicationinterfacetorealizethecommunicationbetweenhostandclientcommunicationanddata.在该设计中下位机硬件设计站有重要的地位，但是机械装置与单片机、上位机沟通交流的桥梁。

硬件系统的设计是否合理有效对整个系统的正常工作有着决定性作用。

Inthedesignthehardwaredesignstationhasanimportantposition,thebridgebutmechanicaldevicesandmicrocontroller,computercommunication.Thedesignofhardwaresystemisreasonableandeffectiveworkofthewholesystemhasdecisiveeffect.

KEYWORDS：

Amechanicaldevice,singlechipmicrocomputer,hardwaredesign,sensor

前言

测试技术属于信息科学范畴，是信息技术三大支柱之一，测试技术是用来检测和处理各种信息的一门综合技术，在科学研究，工业生产，医疗卫生，文化教育等各个领域都起着相当重要的作用[1]。

对被测量的测试需要一套专门的设备来完成。

完成对被测量测试的专门设备成为测试系统。

测试系统通过某种技术方法，从被测对象的运动状态中提取所需的信息。

机械性能综合测试系统的研究开发，实现了机械系统运动学、动力学参数的实时监测，数据保存显示、离线分析等功能。

在设计的过程中应保证系统运行可靠，能够满足教学和科研的需求。

目前研究生及本科教学理论与实践脱节，导致学生自主动手、实践能力和创新研究能力不足，本课题是学生自主开发的实验设备设计一套集运动学、动力学参数测试分析一体的通用测试平台。

为研究机械效率、机械速度波动、机械振动等性能提供客观真实的依据，同时为学生工程实践能力、动手能力及综合分析创新能力的提高提供一个设计制造与分析平台。

这样既充实了教学实践内容，同时为机械运动学、动力学性能参数的进一步研究创造了条件。

测试技术存在于机械制造过程的各个环节，贯穿机械制造整个产品生产的全部过程。

离线测试、在线测试、极限测试等各种测试技术，在机械制造中实现质量评定、工艺改进、技术革新等方面，起到了关键性作用。

在机械工程性能参数方面的测试研究大部分都缺乏综合性、通用性，因此针对机械性能综合参数设计一种通用测试系统将具有重大意义[1]。

进入21世纪以来，科学技术的高速发展，新工艺、新材料、新的制造技术催生了新一代的电子元器件，同时也促使测试技术产生了新的发展趋势。

自然科学研究的心成果不断丰富着测试技术的设计思想。

新型测试问题的不断出现和最终解决都有赖于传感原理和传感器研究的创新综合目前国内外的研究状况，该领域大致有两个方面主要工作：

研究开发全新传感原理和传感器；深入研究和改进已有的传感原理和传感器，以获得更好的性能，前者如近年来获得广泛关注的基于MEMS工艺的集成多参数传感器、耐高温压力传感器、微惯性传感器、光纤传感器等；后者如电容、电感、电涡流、光栅尺、观测型扫描电镜、激光干涉仪等传统传感器的深入原理研究和性能改进措施。

新型传感器的发明、各种先进的数字处理技术的应用、新材料和新工艺的使用，将测试系统的准确度、分辨率、灵敏度、线性度和测量效率提高了好几个数量级。

例如工业参数测量仪器准确度普遍提高到0.02％以上。

测量和控制范围也大幅提高，如电压的测量范围从10-9V到106V，电阻的测量范围从超导到1011Ω，频率测量范围最高达1010Hz，温度的测量范围则是从决定零度到1010℃等。

Agilent公司的PSA频谱分析仪的测量灵敏度高析仪的动态范围高达-169dBm，PNA网络分析仪的动态范围高达143dB。

随着微型计算机时钟频率的大幅提高，与硬件控制的实时性的差距越开越小[9]。

微处理器在测试系统普遍采用，这不仅简化了硬件结构，缩小了体积及能耗、提高了可靠性、增加了灵活性，而且使仪器的智能化和自动化程度更高。

微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的进展，为这一发展趋势提供了巨大推动力。

多核处理技术成为仪器技术发展的助推剂。

越来越多的仪器选用以通用软件和通用芯片为平台，采用通用商业软件和基于军用标准的软件，用通用软件代替仪器内部操作软件，易于与通用办公室应用软件连接，充分发挥其效能。

涌现出将传感器、调理电路‘甚至微处理器集成在一起的智能传感器，各种集成调理芯片不断面市，新型显示记录装置的智能化和自动化程度也不断提高。

许多原本要有多台仪器实现的功能，现在可以通过集成在一台仪器甚至一个芯片上的智能化仪器完成。

现代测试系统通常都具备扩展接口，方便扩展和对外通信。

新技术的应用，尤其是Internet和Intranet技术、现场总线技术、图像处理技术、和技术以及自动化控制、智能控制的发展和应用，使得现代测试仪器不断朝着网络化发展。

借助于网络技术的应用，可将不同地点的不同仪器、仪表联系在一起，实施网络化测量、数据传输与共享、故障的网上诊断以及技术的网络化培训等。

以美国为首的用户和仪器厂商近年来提供了一种新的测试仪器理念和技术——NxTest，它是基于局域网（LAN）的模块化合成仪器（syntheticinstrument）。

本课题所研究的内容及其所需解决的问题如下：

本课题要求学生对机械测试系统的发展现状、传感器的发展现状、总线技术的发展现状、及其软硬件开发设计系统的现状进行深入的了解和研究。

能够对课题中所要求的要实现的功能并结合目前实验教学中在机械性能参数测试研究方面存在的问题，进行分析并提出合理的设计方案。

提出基于通用性设计思想的测试方案。

运用机构运动学理论，对实验设备执行机构进行运动学理论分析，计算出各构件的运动规律方程。

仿真执行构件及导杆的运动规律曲线，为后续测试分析提供可靠的理论依据。

对系统进行需求分析，确定测试参数内容并选择满足精度、测量范围的传感器，及下位机控制器（单片机）；针对不同的传感器输出信号，设计相应的信号调理电路以满足单片机A/D转换的满量程要求。

根据通用计算机支持的接口类型，选用标准的RS-232串行总线技术实现上下位机之间数据传输。

运用C语言完成下位机的电机驱动程序、各参数信号的AD转换及数据传输通信协议程序设计，运用C++Builder进行上位机数据接收、曲线动态显示、测试界面编制；联机调试完成各个参数的测试工作，实现各参数曲线的动态显示、测试数据显示、保存、打印。

第一章总体方案的设计

测试系统的硬件设计一般包括传感器、模拟信号调理电路、数字信号分析与处理电路、显示部分以及将处理信号传送给控制器或上位机系统的通信接口部分等。

进行测试系统总体方案设计时，首先要了解测试系统设计的一般过程、测试内容、实现功能及精度可靠性等要求，这样才能设计出更为合适的系统方案。

§1.1测试系统设计的一般过程

测试系统的开发过程通常分为以下五个阶段：

①需求分析

需求分析就是根据用户对测试系统的需求进行分析。

②设计任务的确定

根据测试系统需要实现的功能，编制设计任务书，确定测试系统设计的具体任务。

③拟定总体设计方案

把测试系统划分为便于实现的软硬件功能模块。

测试系统中有些功能模块既可以用软件来实现，也可以用硬件来实现。

软硬件划分时应根据系统开发周期、性价比等因素做出合理分配。

④硬件电路与软件系统的设计与调试

硬件设计的一般流程是：

首先根据测试系统硬件框图按照模块分别进行电路设计，然后进行硬件电路合成，将各模块电路按硬件框图组合在一起，构成一个完整的硬件电路图。

整个电路设计完成之后，就可进行电路板制作，最后进行装配与调试。

⑤整机联调

当软硬件分别调试合格后，要把硬件、软件结合起来进行联机调试。

调试过程中可能会遇到各种问题，若是硬件问题，就应修改硬件电路；若是软件问题，就应修改相应程序；若是系统问题，就应对硬件、软件同时修改，如此往复，直到合格为止。

§1.2测试系统硬件划分

系统软硬件划分是系统设计的一个关键环节，软硬件划分的合理性，直接影响测试系统的研制周期、精度、可靠性、性能价格比。

测试系统硬件的主要任务是对被测参数进行信号采集、转换处理后传送给计算机进行处理。

具体包括：

主控制电路模块、数据通信模块、液晶显示模块、各测试参数对应的信号调理电路。

为保证电路板的正常工作，还必须能为电路板提供匹配的工作电源，因此必须有电源模块。

§1.3测试系统硬件系统总体框图设计

系统的测试参数包括：

执行机构主轴转角位移、执行构件直线位移、刀具切削阻力、电机输入功率、滑枕振动加速度五个参量。

测试系统的总体框图组成如图1.1所示。

计

算

机

主控

制器

信号调理电路

机

械

装置

光电编码器

直线位移传感器

压力传感器

振动加速度传感器

图1.1硬件系统整体框图

该测试系统包括机械装置本体、数据采集模块、通信模块三大部分。

机械装置就是指实验设备本身；数据采集模块主要由传感器、信号调理和主控制器组成；通讯模块主要包括下位机和计算机。

①数据采集模块

数据采集模块主要功能是：

将传感器采集的各路信号经信号调理之后进入主控制器进行数据处理。

其中信号调理电路主要完成测试信号的放大、滤波和阻抗匹配等工作，把从传感器获得的信号调理至主控制器所允许的范围之内，以满足A/D转换的满量程输入要求。

②控制模块

控制模块主要功能是：

以计算机为测试系统核心，计算机控制整个测试系统的正常工作。

一方面计算机接收主控制器传送过来的数据，并存入计算机进行数据转换、动态曲线显示以及相关的数据分析和处理。

③通信模块

通信模块主要功能是实现各数据命令的传输。

计算机与主控制器间选用RS232通信接口，进行串行通信。

第二章传感器的选择

传感器构成测控系统的重要组成部分，大部分所测量的物理量都是由特定的传感器转换成电信号通过A/D卡采集到测控计算机中。

传感器总是处于测试系统的最前端，用来获取检测信息，其性能、精度将直接影响整个测试系统的性能和精度[15]。

在实际测量中，大量的被测量是随时间变化的动态信号，这就要求传感器输出不仅能够精确放映出被测量的大小（静态特性），还要准确的测量被测量随时间变化的规律，即要求传感器的动态特性要好。

传感器按照输出信号的形式分为模拟传感器和数字传感器。

模拟传感器将被测非电参量转换为电信号输出。

数字传感器将被测模拟参量直接转换成数字量输出，不需要A/D转换，可直接输入控制器处理。

传感器选型时，要充分考虑被测量和被测对象的特点，在了解被测对象和各种传感器特性的基础上，根据能否符合被测量精度、静态及动态性能要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件、传感器的体积以及整个测试系统性能要求等限制，合理选择传感器。

为研究机械设备的机械效率、机械速度波动、机械振动等性能，系统对实验设备的执行机构主轴转角、执行构件直线运动位移、刨刀切削阻力、电机输入功率、滑枕振动加速度等参量进行测量。

分别选用光电编码器、直线位移传感器、压力传感器、功率传感器、加速度传感器。

其中，光电编码器为数字传感器，输出信号为数字信号；直线位移传感器、压力传感器、功率传感器、加速度传感器是模拟传感器，输出信号是模拟信号。

§2.1光电编码器

光电编码器用于测量系统执行机构主轴的转角位移。

本系统中选用长春东河光学仪器厂生产的增量式编码器，其每转输出脉冲个数为1000。

图4.4为光电编码器的外观图。

该增量式编码器由光源、码盘和光电元件组成，码盘图案和光脉冲信号均匀，可将任意位置为基准点，从该点开始按一定量化单位检测。

光源通过码盘上的三个码道，由三个光电元件接收，其对应输出Z（零位脉冲）、A（增量脉冲）、B（辨向脉冲）三位脉冲信号。

码盘上最外圈码道上的一条透光狭缝，作为码盘的基准位置，每当工作轴旋转一周产生一个零位脉冲信号，通常用于转轴机械原点定位。

中间一圈码道为增量码道，最内一圈码道为辨向码道。

这两圈码道等角距均匀分布着m个透光与m个不透光扇形区，且彼此错开半个扇形区，即90°/m，增量编码器的分辨率取决于扇形区的多少，分辨率为=360°/m。

同时，编码器具有辨别方向的功能，辨向脉冲和增量脉冲是相位差为90°的正弦波，经放大、整形后变成方波。

若增量脉冲超前于辨向脉冲，对应工作轴正转；若辨向脉冲超前于增量脉冲相，对应工作轴反转。

§2.2直线位移传感器

选用CWY-DW系列电阻式直线位移传感器测量执行构件直线位移。

该类传感器广泛应用于控制测量系统，线性度高，结构设计可靠。

传感器内部安装有电位器，电位器上的可变电阻滑轨连接在被测设备固定位置，通过滑片在滑轨上移动的位置来测量出不同的阻值。

可变电阻滑轨两端连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和可变电阻滑轨始端之间的电压与滑片移动的长度成正比，从而传感器把直线机械位移量转换成电压信号输出。

根据执行构件的最大行程量，选用型号为CWY-DW-450的直线位移传感器，最大行程为450mm。

图4.5为其外观图。

内部安装一只5kΩ的可变电阻，传感器的信号端电压随导杆伸缩而变化。

安装时，传感器可变电阻滑轨固定在牛头刨床机架上，传感器滑动导杆与刀架固定连接，随刀具的往复直线运动而伸缩。

主要参数如下：

Ø可测量范围为450mm

Ø标称阻值5KΩ

Ø线性度误差为0.1%

Ø电阻温度系数≤0.04%/°

§2.3压力传感器

压力传感器用于测量刨刀的切削阻力，本系统采用一种定制的微型承载力传感器，其量程为5000N。

该传感器内嵌在刀架上。

当刀具切削工件时，刀具受到切削阻力的作用，传感器感应部位承受压力作用，引起内部电阻发生改变，输出电压信号。

该压力传感器是一种电阻应变式传感器，其工作原理是电阻应变效应，即导体的电阻随着机械变形而发生变化。

主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆组成。

电阻应变片贴在弹性元件上，当弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。

当传感器弹性元件不受力时，电阻应变片不产生变形，由于没有阻值的变化，电桥维持初始平衡，输出电压为零；当传感器弹性元件受力时，电阻应变片承受应力，电阻发生变化，电桥处于不平衡状态，输出端电压不为零且输出电压正比于应变片受力产生的电阻变化量。

该传感器间接测量刀具的切削阻力，通过力矩平衡原理最终转换为刨刀的切削阻力。

§2.4振动加速度传感器

机床工作过程中，滑枕的振动是一般的机械振动，因此，选用美国ADI公司生产的ADXL320双轴加速度计进行振动测量，安装在牛头刨床执行构件滑枕上，随执行构件滑枕运动状态的变化而变化，输出相应变化的电压信号。

ADXL320内部安装双轴加速度检测芯片，图4.7为其内部电路图。

ADXL320传感器检测到信号后经放大器（ACAMP）放大，再由解调器（DEMOD）将交流电压还原为相应的直流电压，被放大后经过32kΩ电阻，最后通过外接的电容设置频宽、滤波后输出电压信号。

ADXL320的测量范围是-5g~+5g，方向精度0.1°。

加速度计包含内置传感器和单独的调节电路，以完成检测信号的开环加速度测量。

该传感器具有多晶硅面微机械结构且附于硅胶片上，传感器上的多晶硅弹片使其悬浮在胶片表面，并产生一个加速度反力。

通过微分电容可测出悬浮结构的偏角，而该电容的非固定极板与动片相连，固定极板由方波驱动。

工作过程中，加速度作用使连杆偏斜，微分电容不平衡，进而产生一个振幅与加速度成比例的方波信号输出，经解调器矫正并确定出加速度的方向。

第三章硬件电路设计

§3.1主控制电路及显示模块

此次设计是基于LY-51S开发板的设计，主控制电路、AD转换芯片、EEPROM、和显示模块都是基于开发版来设计使用的。

§3.1.1单片机简介

此次设计的单片机是使用开发版上的深圳宏晶科技生产的STC8954单片机。

单片机的引脚信息及其I/O口的分配如下图所示：

图3.1单片机引脚信息

该单片机在一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定时器/计数器和多种I/O功能部件，具有一台微型计算机的基本结构，主要包括下列部件。

1个8位的CPU、1个布尔处理机、1个片内震荡器、128字节的片内数据存储器、4K字节的片内程序存储器、寻址范围为64K字节的外部数据存储器和程序存储器、21字节的专用存储器、4个并行I/O口、1个全双工的串行口、2个16位的定时器/计数器、5个中断源、2个中断优先级和111条指令，片内采用单总线结构。

单片机各引脚的功能介绍如下所示：

（1）VCC：

运行和程序校验时接电源正端。

（2）P0口：

P0口是一个8位、漏极开路的双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。

（3）P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。

（4）P2口：

P2口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流。

（5）P3口：

P3口是一个8位带内部上拉电阻的准双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

（6）RST：

复位输入信号，高电平有效。

（7）ALE/PROG：

地址锁存允许信号，输出。

（8）/PSEN：

片外程序存储器读选通信号，低电平有效。

（9）/EA/VPP：

片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。

（10）XTAL1：

输入到单片微机内部振荡器的反相放大器。

（11）XTAL2：

反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。

§3.1.2单片机的时钟电路

系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。

MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。

外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22pF。

振荡器的工作频率一般在1.2MHz～12MHz之间，由于制造工艺的改进，有些单片微机的频率范围正向两端延伸，高端可达40MHz，低端可达0Hz，一般用11.0592MHz晶振。

时钟电路图如图3.2所示[7]。

§3.1.2单片机的时钟电路

图3.2单片机晶振电路

复位电路是上电自动复位加按键复位。

由于电容两端的电压不能突变，在上电的瞬间电容负端的电位和正端的电位相同都为高电平5V，紧接着电源给电容充电，经过很快的时间充电过程结束，电容对于直流电来说是断路，此时RST引脚通过R12接地。

整个过程会在RST引脚上产生一个维持几个机器周期的高电平脉冲足以使单片机有效复位。

手动按键复位同样是在按键按下的瞬间使电容完成先放电再充电的过程，也能产生一个维持几个机器周期的高电平脉冲使单片机有效复位。

RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即2个机器周期）以上。

若使用频率为12MHz的晶振，则复位信号应持续2µs以上，复位电路如图

图3.3单片机复位电路

§3.1.4PCF8591简介

PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。

PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。

PCF