【正文】 型高科技產(chǎn)品，多數(shù)產(chǎn)品均屬于計量器具。 在工業(yè)的發(fā)展過程中，新材料，新工藝，新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)。 為了 判斷材料的力學(xué)性能，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能， 就 需要相應(yīng)的試驗設(shè)備以及材料試驗方法，于是 拉力 試驗機應(yīng)運而生。第一臺 拉 力 試驗機 誕生于 200 年前的西歐，采用的機械杠桿，砝碼加荷原理制成，用以測定鋼鐵和其他金屬材料的抗拉強度試驗。隨著材料科學(xué)和材料力學(xué)的研究，拉 力 試驗機逐漸成為一種專門用于研究各類材料機械性能試驗，工藝性能，結(jié)構(gòu)強度的工具。二戰(zhàn)以后，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，促進了各國試驗機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)改革。 拉 力 試驗機 主要由機械部分，數(shù)據(jù)采集部分，私服驅(qū)動部分，數(shù)據(jù)處理部分等 組成。隨著科技的發(fā)展拉伸試驗機經(jīng)歷了機械式拉力試驗機，電液伺服拉力試驗機 （如圖 ） ，到今天的微機控制 電子萬能 拉力試驗機主要的三個階段。 圖 WAWD 系列 微機控制 電液伺服萬能試驗機 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 8 隨著信息技術(shù)等科技的高速發(fā)展，拉力試驗機在軟硬件方面也出現(xiàn)的新的發(fā)展趨勢 。由于 微電子技術(shù)的 快速 發(fā)展，微處理器的速度越來越快，價格越來越低，已被廣泛應(yīng)用于拉力試驗機中，使得一些原本由硬件完成的功能，可以通過軟件來實現(xiàn)。甚至許多 原來用硬件電路難以解訣或根本無法解決的問題，也可以采用軟件技術(shù)很好地加以解決。 電子萬能試驗機（如圖 ） 就 是一種廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備，在各類材料的質(zhì)量檢驗、材料科學(xué)研究和實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，都需要用它進行材料的力學(xué)性能測試。他們就是利用計算機來控制試驗機的測試過程，并用計算機來采集試驗時的各種傳感器的數(shù)據(jù)，然后在計算機上實時顯示，在試 驗結(jié)束后試驗機可以將數(shù)據(jù)進行各種處理，從而得到例如彈性模量、強度極限、屈服極限等材料參數(shù)，同時還可以通過計算機來進行各種精確的閉環(huán)控制方式，例如位移控制、應(yīng)變控制、應(yīng)力控制等。 圖 微機控制電子萬能試驗機 設(shè)計的目的及意義 拉力 試驗機廣泛應(yīng)于用工礦企業(yè)、計量、學(xué)校的現(xiàn)場和實驗室，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到機械、冶金、建筑、航空、航天、軍工、交通、運輸、 質(zhì)檢、計量、教育、醫(yī)療等各行各業(yè)。因此，試驗機在國民經(jīng)濟中占有相當(dāng)重要的地位，它的發(fā)展水平在某種程度上反映了一個國家工業(yè)發(fā)展的水平。試驗技術(shù)和試驗機是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不可缺少的重要組成部分，所以對試驗機的研究具有重大意義的。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 9 本次選題的意義 由計算機參與的 控制系統(tǒng)是一種軟件和硬件相結(jié)合的控制系統(tǒng)，其優(yōu)勢相對于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)而言，是相當(dāng)明顯的。首先，它可以完成比較復(fù)雜的控制過程 。其次，隨著計算機產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，硬件產(chǎn)品的成本逐年下降，所以可以以較小的造價實現(xiàn)更為全面的功能，能夠完成復(fù)雜試驗過程的控制系統(tǒng) 。 此外，計算機參與構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有試驗結(jié)果的存儲和分析功能，從而使此類系統(tǒng)能為研究人員提供及時準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析，可以大大縮短試驗周期，提高了試驗效率。 因此， 開發(fā)拉力試驗機 PC 端軟件的 意義 主要體現(xiàn)在 以下 兩 方面 : 拉力試驗機計 PC 端軟件 可 以 充 分發(fā)揮最新計算機產(chǎn)品所帶來的海量的存儲空間、快速的 CPU 運算速度所帶來的性能優(yōu)勢，進行大量的數(shù)據(jù)存儲，完成高速率的運算處理，最大限度地保證了系統(tǒng)擁有高性能的硬件基礎(chǔ)。 高級語言開發(fā)出來的、易于操作的人機交互界面，可以為試驗人員提供一個友好、明晰的操作環(huán)境，通過該界面，試驗操作人員能方便地選擇輸入試驗控制參數(shù)，控制試驗的開始和終止，實時觀察試驗的進程。在試驗結(jié)束后，還可以由計算機處理試驗數(shù)據(jù) 繪制拉力曲線圖 ，并 將數(shù)據(jù)存儲， 試驗人員可以調(diào)出以前的試驗數(shù)據(jù)，以供研究，還可以根據(jù)研究的需要，編制相應(yīng)程序， 對有關(guān)數(shù)據(jù)進行處理 ， 在計算機的協(xié)助下，快速準(zhǔn)確的得到試驗結(jié)果。 軟件設(shè)計的目的 本課題研究的主要目的在于結(jié)合現(xiàn)有的試驗設(shè)備，開發(fā)出一種成本低、性能穩(wěn)定、操作簡明 的 拉力試驗機 PC 端 軟件，以改進此類試驗的控制手段。通 過計算機軟件 控制試驗 的 過程、存儲試驗數(shù)據(jù)， 繪制拉力曲線圖 ，達 到其 增強數(shù)據(jù)處理 的能力 ，為試驗人員提供高效精確的試驗監(jiān)控系統(tǒng)，減輕試驗人員的勞動強度，縮短試驗周期的目的，使拉力試驗滿足工作的需求。 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 最早的 拉力試驗機對試驗過程的控制多數(shù)采用傳統(tǒng)的機電控制手段 實現(xiàn)，此類設(shè)備中操作過程煩瑣、試驗精度不高、試驗數(shù)據(jù)的保存不便、處理不及時，在一定程度限制了試驗機的使用和發(fā)展。伴隨現(xiàn)場總線的問世，過程測控儀表發(fā)展歷程出現(xiàn)了重大轉(zhuǎn)折和難得機遇 。 現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，為儀器儀表的更新?lián)Q代、產(chǎn)品升級以及實現(xiàn)進一步的高精度、高性能提供了巨大動力和發(fā)展空間 。 一臺基于 STD總線微機控制的拉力試驗機的原理如下： 由力傳感器和位移傳感器把拉伸試驗過程中采集到的電信號傳到 STD總線工業(yè)控制機的前置放大電路 , 經(jīng)前置放大電路一級放大之后 , 傳送到模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 , 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 10 經(jīng)過模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 , 電信 號轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù) , 同時又被二級放大 , 再經(jīng)由RS232C串行接口 , 傳入計算機 , 實現(xiàn)計算機的自動控制。 如圖 1： 采用這種基于總線微機控制的拉力試驗機，使得拉力試驗的工作更加可靠，所得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。本系統(tǒng)相比普通拉力試驗機能很好實現(xiàn)基本功能以外，還具有以下的特點： 原始拉伸過程的再現(xiàn) ： 由于在拉伸過程中存儲了 6000多個原始拉伸采樣點 , 從而可實現(xiàn)拉伸過程的再現(xiàn) , 為日后的科研研究提供物質(zhì)基礎(chǔ) 。 代碼設(shè)計 ： 由于采用了標(biāo)準(zhǔn)碼輸入 , 從而簡化了漢字輸入 ,提高了整個系統(tǒng)的運 行時間。 目 前， 隨著計算機技術(shù)的普及，計算機硬件成本的降低和計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，利用 PC機實現(xiàn)較高性能的拉力試驗控制系統(tǒng)成為發(fā)展的方向。 國外的發(fā)展現(xiàn)狀 國外 拉力試驗機 經(jīng)過一百多年的發(fā)展沉淀，拉力試驗機的控制測量和記錄系統(tǒng) ， 廣泛采用了電子技術(shù)，計算機技術(shù)，使拉力試驗機的性能得到很大的提高。比較有代表性的是德國，美國，以及日本等一些企業(yè)。 而 電子萬能試驗機經(jīng)過四十年的發(fā)展，先后推出了四代產(chǎn)品 :第一代為電子管與晶體管時代，第二代為集南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 11 成電路模擬時代，第三代為數(shù)字時代 ， 第四代為計算機時代。比較 有代表性的是美國的英斯特朗 (Instron)公司，德國的茨維克 (Zwiek)公司、德國申克 (Schenck)公司和美國的 MTS 公司等。長期以來，試驗機一直是歐美對我國尖端科研課題限制出口的產(chǎn)品。 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 我國的國防科技工業(yè)和其它部門的科研院所不能直接進口某些關(guān)鍵材料試驗的儀器設(shè)備。所以，要發(fā)展中國的試驗機產(chǎn)業(yè)，就必須走自主創(chuàng)新的道路。 試驗機行業(yè)在我國已有五十多年的發(fā)展史，其發(fā)源地在我國的東北吉林省長春市。隨著各行各業(yè)對試驗機產(chǎn)品需求的增長，我國生產(chǎn)制造水平的不斷提高和測 試技術(shù)的飛速發(fā)展，目前生產(chǎn)試驗機的公司和企業(yè)已遍布全國各地，有代表性的試驗機廠家是深圳新三思集團有限公司、濟南試金集團有限公司、長春試驗機研究所等。 它們 生產(chǎn)著幾百種規(guī)格、型號的試驗機產(chǎn)品，有的試驗機產(chǎn)品已出口到國外，遠(yuǎn)銷到亞洲和歐美市場。 目前，國內(nèi)的試驗機廠家的 PC 端拉力 試驗機軟件，有自己開發(fā)的，有購買專門從事試驗機軟件開發(fā)的公司的，也有引進國外公司的?？傮w來說，各有千秋，有的功能簡單但操作方便，有的功能強大但操作復(fù)雜。其實我國的試驗機軟件技術(shù)水平是相當(dāng)不錯的，早在 1996 年 ，在上海多國儀器儀表展 覽會上，新三思公司和美國 MTS 公司在中國大陸同期推出基于 Windows 系統(tǒng)平臺下的試驗軟件。我國的試驗機從功能性、適用性等方面都緊隨國外試驗機行業(yè)，如新三思集團公司前兩年推出的 試驗軟件，功能更強大、操作更人性化，獲得了國內(nèi)廣大用戶的一致好評。 本文的結(jié)構(gòu) 本文以拉力試驗機的研發(fā)工程項目作為應(yīng)用背景，對拉力試驗機無線網(wǎng)絡(luò)的PC 軟件進行了設(shè)計。全文共分為五章，各章的主要內(nèi)容如下： 第一章扼要地介紹了拉力試驗機的 工業(yè)概念和它在國內(nèi)外的發(fā)展 、基本工作原理以及 本課題的研 究意義和目的 ； 第二章介紹了拉力測試系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分析了用戶需求并提出了用模塊化程序設(shè)計完成此次的軟件設(shè)計。接下來就劃分了各功能模塊，給出軟件設(shè)計的思路及實現(xiàn)方法； 第 三 章則詳細(xì)講了各功能模塊的實現(xiàn)，對其中的串口通信模塊的實現(xiàn)進行了重筆墨的敘述。 第四章是軟件功能的實現(xiàn)和調(diào)試，介紹了幾種常用的調(diào)試方法，用圖片的方南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 12 式詳細(xì)給出了軟件調(diào)試的過程和結(jié)果； 第五章總結(jié)了全文的研究工作。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 13 第二章 上位軟件的總體分析 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 本課題的拉 力試驗機系統(tǒng)所采用的是無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，運用的是無線網(wǎng)絡(luò)中目前比較流行的 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 Zigbee 簡介 Zigbee 是基于 協(xié)議 。根據(jù)這個 協(xié)議 規(guī)定 ，Zigbee 技術(shù)是一種短距離、低功耗的 無線通信 技術(shù)。與 移動通信 的 CDMA 網(wǎng)或 GSM網(wǎng)不同的是， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站 價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個 ZigBee“基站”卻不到 1000元人民幣。每個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的 傳感器 直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。 下圖為 Zigbee 的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖（圖 ）。 圖 Zigbee 的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖 ZigBee 網(wǎng)絡(luò) 相比于藍牙跟 WiFi 的優(yōu)勢體現(xiàn)在： ①低功耗。在低耗電待機模式下， 2節(jié) 5號干電池可支持 1個節(jié)點工作 6～ 24個月，甚至更長。這是 ZigBee 的突出優(yōu)勢。相比較 ， 藍牙能工作數(shù)周、 WiFi 只 可工作數(shù)小時。 ②低成本。通過大幅簡化協(xié)議 (不到藍牙的 1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以 8051的 8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要 32KB 代碼，子功能節(jié)點少至 4KB 代碼，而且 ZigBee 免協(xié)議專利費。每塊芯片的價格大約為 2南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 14 美元。 ③低速率。 ZigBee 工作在 20～ 250kbps 的速率，分別提供 250 kbps()、40kbps(915 MHz)和 20kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。 ④近距離。傳輸范圍一般介于 10～ 100m 之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到 1～ 3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。 ⑤短時延。 ZigBee 的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需 15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需 30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要 3～ 10s、 WiFi 需要 3 s。 ⑥高容量。 ZigBee 可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干 子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理 254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成 65000 個節(jié)點的大網(wǎng)。 ⑦高安全。 ZigBee 提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用訪問控制清單 (Access Control List, ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn) (AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。 簡單的說， ZigBee是一種高可靠的無線網(wǎng)絡(luò)，類似于 CDMA和 GSM網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò) 基站 。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的 75m 到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。下圖 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)模塊。 圖 Zigbee 無線模塊 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 15 Zigbee 應(yīng)用 本課題中，多臺拉力試驗 機所測得的試驗數(shù)據(jù)經(jīng)過 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)傳到系統(tǒng)中的無線接收模塊。無線接收模塊通過 USB 接口將得到的數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理模塊，再由數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進行一系列的處理，并通過串口將數(shù)據(jù)上傳到PC 端，通過 PC 端的拉力試驗監(jiān)控軟件實現(xiàn)對多臺拉力試驗機數(shù)據(jù)的顯示，繪圖，保存等一系列的處理。從而使整個系統(tǒng)達到了拉力試驗的要求。本人畢業(yè)設(shè)計所要完成的工作就是對拉力試驗機 PC 端軟件的設(shè)計。整個系統(tǒng)形象的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖