【正文】 型高科技產(chǎn)品，多數(shù)產(chǎn)品均屬于計(jì)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(yàn)設(shè)備以及材料試驗(yàn)方法，于是 拉力 試驗(yàn)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。第一臺(tái) 拉 力 試驗(yàn)機(jī) 誕生于 200 年前的西歐，采用的機(jī)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(qiáng)度試驗(yàn)。隨著材料科學(xué)和材料力學(xué)的研究，拉 力 試驗(yàn)機(jī)逐漸成為一種專門用于研究各類材料機(jī)械性能試驗(yàn)，工藝性能，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的工具。二戰(zhàn)以后，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，促進(jìn)了各國試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)改革。 拉 力 試驗(yàn)機(jī) 主要由機(jī)械部分，數(shù)據(jù)采集部分，私服驅(qū)動(dòng)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(yàn)機(jī)經(jīng)歷了機(jī)械式拉力試驗(yàn)機(jī)，電液伺服拉力試驗(yàn)機(jī) （如圖 ） ，到今天的微機(jī)控制 電子萬能 拉力試驗(yàn)機(jī)主要的三個(gè)階段。 圖 WAWD 系列 微機(jī)控制 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī) 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 8 隨著信息技術(shù)等科技的高速發(fā)展，拉力試驗(yàn)機(jī)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(jià)格越來越低，已被廣泛應(yīng)用于拉力試驗(yàn)機(jī)中，使得一些原本由硬件完成的功能，可以通過軟件來實(shí)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(yàn)機(jī)（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(yàn)、材料科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，都需要用它進(jìn)行材料的力學(xué)性能測試。他們就是利用計(jì)算機(jī)來控制試驗(yàn)機(jī)的測試過程，并用計(jì)算機(jī)來采集試驗(yàn)時(shí)的各種傳感器的數(shù)據(jù)，然后在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，在試 驗(yàn)結(jié)束后試驗(yàn)機(jī)可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，從而得到例如彈性模量、強(qiáng)度極限、屈服極限等材料參數(shù)，同時(shí)還可以通過計(jì)算機(jī)來進(jìn)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(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī) 設(shè)計(jì)的目的及意義 拉力 試驗(yàn)機(jī)廣泛應(yīng)于用工礦企業(yè)、計(jì)量、學(xué)校的現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到機(jī)械、冶金、建筑、航空、航天、軍工、交通、運(yùn)輸、 質(zhì)檢、計(jì)量、教育、醫(yī)療等各行各業(yè)。因此，試驗(yàn)機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)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(gè)國家工業(yè)發(fā)展的水平。試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)的研究具有重大意義的。 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 9 本次選題的意義 由計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jià)實(shí)現(xiàn)更為全面的功能，能夠完成復(fù)雜試驗(yàn)過程的控制系統(tǒng) 。 此外，計(jì)算機(jī)參與構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有試驗(yàn)結(jié)果的存儲(chǔ)和分析功能，從而使此類系統(tǒng)能為研究人員提供及時(shí)準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析，可以大大縮短試驗(yàn)周期，提高了試驗(yàn)效率。 因此， 開發(fā)拉力試驗(yàn)機(jī) PC 端軟件的 意義 主要體現(xiàn)在 以下 兩 方面 : 拉力試驗(yàn)機(jī)計(jì) PC 端軟件 可 以 充 分發(fā)揮最新計(jì)算機(jī)產(chǎn)品所帶來的海量的存儲(chǔ)空間、快速的 CPU 運(yùn)算速度所帶來的性能優(yōu)勢，進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，完成高速率的運(yùn)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(jī)交互界面，可以為試驗(yàn)人員提供一個(gè)友好、明晰的操作環(huán)境，通過該界面，試驗(yàn)操作人員能方便地選擇輸入試驗(yàn)控制參數(shù)，控制試驗(yàn)的開始和終止，實(shí)時(shí)觀察試驗(yàn)的進(jìn)程。在試驗(yàn)結(jié)束后，還可以由計(jì)算機(jī)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù) 繪制拉力曲線圖 ，并 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)， 試驗(yàn)人員可以調(diào)出以前的試驗(yàn)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(jìn)行處理 ， 在計(jì)算機(jī)的協(xié)助下，快速準(zhǔn)確的得到試驗(yàn)結(jié)果。 軟件設(shè)計(jì)的目的 本課題研究的主要目的在于結(jié)合現(xiàn)有的試驗(yàn)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(yàn)機(jī) PC 端 軟件，以改進(jìn)此類試驗(yàn)的控制手段。通 過計(jì)算機(jī)軟件 控制試驗(yàn) 的 過程、存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 繪制拉力曲線圖 ，達(dá) 到其 增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理 的能力 ，為試驗(yàn)人員提供高效精確的試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)，減輕試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短試驗(yàn)周期的目的，使拉力試驗(yàn)滿足工作的需求。 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 最早的 拉力試驗(yàn)機(jī)對試驗(yàn)過程的控制多數(shù)采用傳統(tǒng)的機(jī)電控制手段 實(shí)現(xiàn)，此類設(shè)備中操作過程煩瑣、試驗(yàn)精度不高、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存不便、處理不及時(shí)，在一定程度限制了試驗(yàn)機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的高精度、高性能提供了巨大動(dòng)力和發(fā)展空間 。 一臺(tái)基于 STD總線微機(jī)控制的拉力試驗(yàn)機(jī)的原理如下： 由力傳感器和位移傳感器把拉伸試驗(yàn)過程中采集到的電信號傳到 STD總線工業(yè)控制機(jī)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(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)又被二級放大 , 再經(jīng)由RS232C串行接口 , 傳入計(jì)算機(jī) , 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制。 如圖 1： 采用這種基于總線微機(jī)控制的拉力試驗(yàn)機(jī)，使得拉力試驗(yàn)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(yàn)機(jī)能很好實(shí)現(xiàn)基本功能以外，還具有以下的特點(diǎn)： 原始拉伸過程的再現(xiàn) ： 由于在拉伸過程中存儲(chǔ)了 6000多個(gè)原始拉伸采樣點(diǎn) , 從而可實(shí)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(jì) ： 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(gè)系統(tǒng)的運(yùn) 行時(shí)間。 目 前， 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，計(jì)算機(jī)硬件成本的降低和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，利用 PC機(jī)實(shí)現(xiàn)較高性能的拉力試驗(yàn)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(yàn)機(jī) 經(jīng)過一百多年的發(fā)展沉淀，拉力試驗(yàn)機(jī)的控制測量和記錄系統(tǒng) ， 廣泛采用了電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，使拉力試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)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(shí)代，第二代為集南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 11 成電路模擬時(shí)代，第三代為數(shù)字時(shí)代 ， 第四代為計(jì)算機(jī)時(shí)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(yàn)機(jī)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(jìn)口某些關(guān)鍵材料試驗(yàn)的儀器設(shè)備。所以，要發(fā)展中國的試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)業(yè)，就必須走自主創(chuàng)新的道路。 試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)的公司和企業(yè)已遍布全國各地，有代表性的試驗(yàn)機(jī)廠家是深圳新三思集團(tuán)有限公司、濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司、長春試驗(yàn)機(jī)研究所等。 它們 生產(chǎn)著幾百種規(guī)格、型號的試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品，有的試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)廠家的 PC 端拉力 試驗(yàn)機(jī)軟件，有自己開發(fā)的，有購買專門從事試驗(yàn)機(jī)軟件開發(fā)的公司的，也有引進(jìn)國外公司的。總體來說，各有千秋，有的功能簡單但操作方便，有的功能強(qiáng)大但操作復(fù)雜。其實(shí)我國的試驗(yàn)機(jī)軟件技術(shù)水平是相當(dāng)不錯(cuò)的，早在 1996 年 ，在上海多國儀器儀表展 覽會(huì)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(tái)下的試驗(yàn)軟件。我國的試驗(yàn)機(jī)從功能性、適用性等方面都緊隨國外試驗(yàn)機(jī)行業(yè)，如新三思集團(tuán)公司前兩年推出的 試驗(yàn)軟件，功能更強(qiáng)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(yàn)機(jī)的研發(fā)工程項(xiàng)目作為應(yīng)用背景，對拉力試驗(yàn)機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)的PC 軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。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(yàn)機(jī)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(jì)完成此次的軟件設(shè)計(jì)。接下來就劃分了各功能模塊，給出軟件設(shè)計(jì)的思路及實(shí)現(xiàn)方法； 第 三 章則詳細(xì)講了各功能模塊的實(shí)現(xiàn)，對其中的串口通信模塊的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了重筆墨的敘述。 第四章是軟件功能的實(shí)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(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(yàn)機(jī)系統(tǒng)所采用的是無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，運(yùn)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(gè) 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(dòng)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(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，而移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個(gè)基站 價(jià)值一般都在百萬元人民幣以上，而每個(gè) ZigBee“基站”卻不到 1000元人民幣。每個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(lán)牙跟 WiFi 的優(yōu)勢體現(xiàn)在： ①低功耗。在低耗電待機(jī)模式下， 2節(jié) 5號干電池可支持 1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作 6～ 24個(gè)月，甚至更長。這是 ZigBee 的突出優(yōu)勢。相比較 ， 藍(lán)牙能工作數(shù)周、 WiFi 只 可工作數(shù)小時(shí)。 ②低成本。通過大幅簡化協(xié)議 (不到藍(lán)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(diǎn)需要 32KB 代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至 4KB 代碼，而且 ZigBee 免協(xié)議專利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為 2南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。 ⑤短時(shí)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(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需 30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)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(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干 子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理 254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成 65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(kuò)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(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 15 Zigbee 應(yīng)用 本課題中，多臺(tái)拉力試驗(yàn) 機(jī)所測得的試驗(yàn)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(jìn)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(yàn)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對多臺(tái)拉力試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)的顯示，繪圖，保存等一系列的處理。從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了拉力試驗(yàn)的要求。本人畢業(yè)設(shè)計(jì)所要完成的工作就是對拉力試驗(yàn)機(jī) PC 端軟件的設(shè)計(jì)。整個(gè)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