【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 7808穩(wěn)壓芯片及ICL7660S構(gòu)成，信號(hào)反向器由OP07搭建。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為177。2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。圖35 信號(hào)反向電路結(jié)構(gòu)圖信號(hào)反向器實(shí)質(zhì)為增益為1的放大器，通過(guò)此環(huán)節(jié)是否接入電路來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而控制機(jī)械系統(tǒng)的上升與下降和拉壓力信號(hào)的變換采集。在軟件控制中，先假定上升為正方向，當(dāng)需要系統(tǒng)控制機(jī)械部分下降時(shí)便需要加入反向系統(tǒng)，從而改變電壓方向，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而控制其上升與下降。系統(tǒng)原始信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)放大器的放大后，一般為一負(fù)值，我們?cè)O(shè)定壓力方向?yàn)檎较?，?dāng)采集信號(hào)為壓力信號(hào)時(shí)，將電路開(kāi)關(guān)連接在反向電路輸出端，這樣信號(hào)不經(jīng)過(guò)反向直接采集；而當(dāng)采集信號(hào)未拉力時(shí)，將電路開(kāi)發(fā)連接在反向電路輸入端，將反向后的信號(hào)作為最終信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)拉壓力信號(hào)的變換采集。正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖如圖36所示。線路中采用了兩個(gè)繼電器，即正轉(zhuǎn)用的繼電器和反轉(zhuǎn)用的繼電器，它們分別由正轉(zhuǎn)按鈕K2和反轉(zhuǎn)按鈕K1控制。這兩個(gè)接觸器的主觸頭所接通的電源相序不同，K1按L1—L2—L3相序接線，K2則對(duì)調(diào)了兩相的相序?？刂齐娐酚袃蓷l，根據(jù)開(kāi)關(guān)選擇接通不同的控制電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制回路共用一條電源線，當(dāng)控制正轉(zhuǎn)信號(hào)的繼電器作用使開(kāi)關(guān)K2接通，則控制正轉(zhuǎn)的電路導(dǎo)通，從而使電機(jī)正轉(zhuǎn)。相反，如果控制反轉(zhuǎn)信號(hào)的繼電器作用，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。圖36 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理圖 SD卡存儲(chǔ)系統(tǒng)SD卡存儲(chǔ)系統(tǒng)負(fù)責(zé)剪切力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。SD卡（Secrue Digital Memory Card）是一種基于 Flash的新一代存儲(chǔ)器,具有體積小、容量大、數(shù)據(jù)傳輸快、移動(dòng)靈活、安全性能好、適用于手持設(shè)備等優(yōu)點(diǎn),是許多便攜式電子儀器理想的外部存儲(chǔ)介質(zhì)[10]。SD卡共支持三種傳輸模式：SPI模式（獨(dú)立序列輸入和序列輸出），1位SD模式 （獨(dú)立指令和數(shù)據(jù)通道，獨(dú)有的傳輸格式）， 4位SD模式 （使用額外的針腳以及某些重新設(shè)置的針腳。支持四位寬的并行傳輸）默認(rèn)情況下的通信模式是SD模式, 單片機(jī)由于速度問(wèn)題一般用SPI接口,該儀器采用SD模式。在實(shí)驗(yàn)中，模擬數(shù)據(jù)被保存在新創(chuàng)建的TXT文本中，其中拉力文件以S開(kāi)頭壓力文件以P 開(kāi)頭。系統(tǒng)存儲(chǔ)穩(wěn)定，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為實(shí)現(xiàn)儀器便攜的目的，我們利用altium design軟件自行設(shè)計(jì)制作了單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，板上集了RTC、24C02 E2PROM、485通信模塊、232串口通信模塊以及液晶屏接口。將此開(kāi)發(fā)板與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、調(diào)速器集合放置于控制箱內(nèi)，體積小巧，便于攜帶。開(kāi)發(fā)板電路圖如圖37所示，實(shí)物圖如圖38所示。圖37 自制開(kāi)發(fā)板電路圖 圖38 自制開(kāi)發(fā)板實(shí)物圖芯片集成度高，功能實(shí)現(xiàn)方便，部分電路圖如圖39所示。圖29 自制芯片功能電路圖 Altium Designer Protel軟件的高端版本Altium Designer ，它是完全一體化電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的一個(gè)新版本，也是業(yè)界第一款也是唯一一種完整的板級(jí)設(shè)計(jì)解決方案[12]。Altium Designer 是業(yè)界首例將設(shè)計(jì)流程、集成化PCB 設(shè)計(jì)、可編程器件（如FPGA）設(shè)計(jì)和基于處理器設(shè)計(jì)的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)功能整合在一起的產(chǎn)品，一種同時(shí)進(jìn)行PCB和FPGA設(shè)計(jì)以及嵌入式設(shè)計(jì)的解決方案，具有將設(shè)計(jì)方案從概念轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K成品所需的全部功能。首先：在PCB部分，除了Protel2004中的多通道復(fù)制；實(shí)時(shí)的、阻抗控制布線功能；SitusTM自動(dòng)布線器等新功能以外，Altium Designer ：差分對(duì)布線，F(xiàn)PGA器件差分對(duì)管腳的動(dòng)態(tài)分配， PCB和FPGA之間的全面集成，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)引腳優(yōu)化和非凡的布線效果。 其次，在原理圖部分，新增加“靈巧粘帖”可以將一些不同的對(duì)象拷貝到原理圖當(dāng)中，比如一些網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)， 一頁(yè)圖紙的BOM表，都可以拷貝粘帖到原理圖當(dāng)中。原理圖文件切片，多個(gè)器件集體操作，文本筐的直接編輯，箭頭的添加，器件精確移動(dòng)，總線走線，自動(dòng)網(wǎng)標(biāo)選擇等！強(qiáng)大的前端將多層次、多通道的原理圖輸入、VHDL開(kāi)發(fā)和功能仿真、布線前后的信號(hào)完整性分析功能。在信號(hào)仿真部分，提供完善的混合信號(hào)仿真,在對(duì)XSPICE 標(biāo)準(zhǔn)的支持之外，還支持對(duì)Pspice模型和電路的仿真。對(duì)FPGA設(shè)計(jì)提供了豐富的IP內(nèi)核，包括各種處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)、接口、以及虛擬儀器 。第三,在嵌入式設(shè)計(jì)部分，增強(qiáng)了JTAG器件的實(shí)時(shí)顯示功能，增強(qiáng)型基于FPGA的邏輯分析儀，可以支持32位或64位的信號(hào)輸入。Altium Designer ，在FPGA和板級(jí)設(shè)計(jì)中，同時(shí)支持原理圖輸入和HDL硬件描述輸入模式；同時(shí)支持基于VHDL的設(shè)計(jì)仿真，混合信號(hào)電路仿真、布局前/ Designer ，并且在PCB布線中采用了無(wú)網(wǎng)格的SitusTM拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線功能；同時(shí)，將完整的CAM輸出功能的編輯結(jié)合在一起。 Altium Designer ，簡(jiǎn)化了復(fù)雜板卡的設(shè)計(jì)導(dǎo)航功能，設(shè)計(jì)師可以有效處理高速差分信號(hào)，尤其對(duì)大規(guī)?？删幊唐骷系拇罅縇VDS資源。Altium Designer 充分利用可得到的板卡空間和現(xiàn)代封裝技術(shù)，以更有效的設(shè)計(jì)流程和更低的制造成本縮短上市時(shí)間。 PCB 板設(shè)計(jì)的工作流程(1)方案分析決定電路原理圖如何設(shè)計(jì)，同時(shí)也影響到 PCB 板如何規(guī)劃。根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行方案比較、選擇，元器件的選擇等，開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中最重要的環(huán)節(jié)。(2)電路仿真在設(shè)計(jì)電路原理圖之前，有時(shí)候會(huì)對(duì)某一部分電路設(shè)計(jì)并不十分確定，因此需要通過(guò)電路仿真來(lái)驗(yàn)證。還可以用于確定電路中某些重要器件參數(shù)。(3)設(shè)計(jì)原理圖組件Altium Designer 提供了豐富的原理圖組件庫(kù)，但不可能包括所有組件必要時(shí)需動(dòng)手設(shè)計(jì)原理圖組件，建立自己的組件庫(kù)。(4)繪制原理圖找到所有需要的原理組件后，開(kāi)始原理圖繪制。根據(jù)電路復(fù)雜程度決定是否需要使用層次原理圖。完成原理圖后，用 ERC （電氣法則檢查）工具查錯(cuò)。找到出錯(cuò)原因并修改原理圖電路，重新查錯(cuò)到?jīng)]有原則性錯(cuò)誤為止。(5)設(shè)計(jì)組件封裝和原理圖組件庫(kù)一樣， Altium Designer 也不可能提供所有組件的封裝。需要時(shí)自行設(shè)計(jì)并建立新的組件封裝庫(kù)。(6)設(shè)計(jì) PCB 板確認(rèn)原理圖沒(méi)有錯(cuò)誤之后，開(kāi)始 PCB 板的繪制。首先繪出 PCB 板的輪廓，確定工藝要求（使用幾層板等）。然后將原理圖傳輸?shù)?PCB 板中來(lái)，在網(wǎng)絡(luò)表（簡(jiǎn)單介紹來(lái)歷功能）、設(shè)計(jì)規(guī)則和原理圖的引導(dǎo)下布局和布線。（設(shè)計(jì)規(guī)則檢查）工具查錯(cuò)。電路設(shè)計(jì)時(shí)另一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它將決定該產(chǎn)品的實(shí)用性能，需要考慮的因素很多，不同的電路有不同要求。(7)文檔整理對(duì)原理圖、 PCB 圖及器件清單等文件予以保存，以便以后維護(hù)、修改。控制器版面由放大、歸位、拉力、壓力、上升、下降等各種控制按鍵、存儲(chǔ)器清零鍵、傳感器清零鍵、復(fù)位鍵和調(diào)速器組成。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，在儀器機(jī)械系統(tǒng)部分安裝帶有20孔的轉(zhuǎn)盤(pán)，通過(guò)類(lèi)似傳感器原理計(jì)算一分鐘所采集的孔的數(shù)目來(lái)測(cè)算儀器中電機(jī)的轉(zhuǎn)速。儀器還具有SD卡檢測(cè)功能。通過(guò)在文檔中寫(xiě)入任意數(shù)據(jù)，然后觀察其是否具有讀功能來(lái)檢測(cè)是否帶有SD卡，方便快捷。 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件嵌入式控制系統(tǒng)由主程序控制，鍵功能處理、數(shù)據(jù)顯示、中斷處理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上位機(jī)通信等模塊組成。軟件程序包括主程序、壓力采集子程序、SD卡存儲(chǔ)子程序等。 鍵功能處理常用鍵盤(pán)接口分為獨(dú)立式鍵盤(pán)接口和行列式鍵盤(pán)接口。獨(dú)立式鍵盤(pán)電路需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤(pán)適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。獨(dú)立式鍵盤(pán)接口有中斷方式和查詢(xún)方式等，一般都采用軟件消抖的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵功能處理。行列式鍵盤(pán)接口用于按鍵數(shù)目較多的場(chǎng)合，它由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上。行列式鍵盤(pán)接口有掃描法和線反轉(zhuǎn)法等[13 14]。由于儀器工作所需按鍵只有拉壓力選擇鍵、清零鍵、運(yùn)動(dòng)方向控制鍵和圖像縮放鍵，所以我們選擇獨(dú)立式鍵盤(pán)接口。 數(shù)據(jù)顯示單片機(jī)對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，處理后的數(shù)據(jù)由液晶屏以剪切力曲線的形式進(jìn)行顯示。試驗(yàn)中通過(guò)按壓拉/壓力傳感器來(lái)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)的剪切運(yùn)動(dòng)，通過(guò)剪切力曲線的顯示結(jié)果可以看到系統(tǒng)能正常采集剪切力信號(hào)并能進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。玉米莖稈剪切力不僅可以與上位機(jī)進(jìn)行通信進(jìn)行顯示和SD卡存儲(chǔ)讀取顯示，還可以通過(guò)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，圖41為三種數(shù)據(jù)顯示方式。上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示 SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示控制器數(shù)據(jù)顯示圖41 莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀數(shù)據(jù)顯示方式 中斷處理所謂中斷，就是指CPU在執(zhí)行程序的過(guò)程中，由于某種外部或內(nèi)部事件的作用（如外部設(shè)備請(qǐng)求與CPU傳送數(shù)據(jù)或CPU在執(zhí)行程序的過(guò)程中出現(xiàn)了異常），強(qiáng)迫CPU停止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去為該事件服務(wù)，待事件服務(wù)結(jié)束后，又能自動(dòng)返回到被中斷了的程序中繼續(xù)執(zhí)行。由于CPU正在執(zhí)行的原程序被暫停執(zhí)行，所以稱(chēng)為中斷。相對(duì)被中斷的原程序來(lái)說(shuō)，中斷處理程序是臨時(shí)嵌入的一段程序，所以，一般將被中斷的原程序稱(chēng)為主程序，而將中斷處理程序稱(chēng)為中斷子程序。中斷子程序一般存放在內(nèi)存中一個(gè)固定的區(qū)域內(nèi)，它的起始地址稱(chēng)為中斷服務(wù)子程序的入口地址[15]。中斷系統(tǒng)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中重要的組成部分，它可以使計(jì)算機(jī)完成如下操作： （1）故障檢測(cè)和自動(dòng)處理。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障和程序執(zhí)行錯(cuò)誤都是隨機(jī)事件，事先無(wú)法預(yù)料。如電源掉電、存儲(chǔ)器出錯(cuò)、運(yùn)算溢出等，采用中斷技術(shù)可以有效地進(jìn)行系統(tǒng)的故障檢測(cè)和自動(dòng)處理。（2）實(shí)時(shí)信息處理。在實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)中，需要對(duì)采集的信息立即做出響應(yīng)，以避免丟失信息，采用中斷技術(shù)可以進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)處理。（3）并行操作。當(dāng)外部設(shè)備與CPU以中斷方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)CPU與外部設(shè)備之間的并行操作,使系統(tǒng)更加有效地發(fā)揮效能，提高效率。（4）分時(shí)處理。現(xiàn)代操作系統(tǒng)具有多任務(wù)處理功能，使同一個(gè)微處理器可以同時(shí)運(yùn)行多道程序，通過(guò)定時(shí)和中斷方式，將CPU按時(shí)間分配給每個(gè)程序，從而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)之間的定時(shí)切換與處理。微機(jī)系統(tǒng)中，中斷可分為外部中斷（或硬件中斷）和內(nèi)部中斷（或軟件中斷）。該系統(tǒng)利用上位機(jī)通過(guò)單片機(jī)串口中斷控制電機(jī)的啟動(dòng)/停止、正傳/反轉(zhuǎn)。中斷程序主要進(jìn)行電機(jī)控制，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，上位機(jī)通信以及過(guò)載保護(hù)等。 A/D轉(zhuǎn)換最佳精度設(shè)計(jì)ADC的精度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和效率。要提高儀器測(cè)量數(shù)據(jù)精度需要了解誤差來(lái)源以及如何從硬件與軟件方面減小誤差，提高精度。 誤差來(lái)源與分析ADC自身相關(guān)誤差主要表現(xiàn)在偏移誤差、增益誤差和微分線性誤差[16]。其次是與環(huán)境相關(guān)的ADC誤差主要是電源噪聲、電源穩(wěn)壓和模擬輸入信號(hào)噪聲。在實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)重影響系統(tǒng)精度的誤差是電源噪聲、電源穩(wěn)壓方面。為此在改進(jìn)儀器測(cè)定精度過(guò)程中，在ADC模塊與電源之間增加電容成為必不可少的環(huán)節(jié)。 硬件如何減小ADC誤差對(duì)于ADC自身相關(guān)誤差，多采用多次轉(zhuǎn)換做平均的方法來(lái)達(dá)到減小誤差的目的。但對(duì)于偏移和增益誤差我們可以簡(jiǎn)單的采用STM32F103模塊的自校準(zhǔn)功能補(bǔ)償。對(duì)于由于電源噪聲引起的精度誤差，線性穩(wěn)壓器具有較好的輸出。市電經(jīng)降壓、整流、濾波，再經(jīng)過(guò)線性穩(wěn)壓器可以得到較為穩(wěn)定的信號(hào)輸出。為減小交流電源對(duì)輸出信號(hào)的影響，我們并不采用開(kāi)關(guān)型電源而是采用線性穩(wěn)壓器為模擬部分供電。試驗(yàn)中采用對(duì)模擬輸入信號(hào)的多次采樣和軟件計(jì)算取平均值來(lái)消除模擬輸入信號(hào)的噪聲。平均值法需要在一個(gè)相同的模擬輸入電壓上進(jìn)行多次采樣，保證模擬輸入信號(hào)在轉(zhuǎn)換完成之前保持在相同的電壓。否則模擬輸入的變化將會(huì)出現(xiàn)在結(jié)果數(shù)值中，從而引入新的誤差。校正前后信號(hào)比較如圖43所示。信號(hào)未校正前信號(hào)校正后圖43 校正前后信號(hào)圖比較 軟件如何減小ADC誤差軟件濾波有很多種方法，主要是針對(duì)不同干擾信號(hào)采取不同的方法將其消除，實(shí)驗(yàn)中綜合 各種濾波方法的優(yōu)缺點(diǎn)采用一階滯后濾波法。它是取a=0～1，本次濾波結(jié)果=（1a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果[16]。具有對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻率較高的場(chǎng)合。由于莖稈測(cè)定儀的測(cè)量波動(dòng)較高所以我們選用此方法作為濾波主要方式。但是在濾波過(guò)程中也存在一些缺點(diǎn)需要我們注意：它相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于a值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號(hào)。 上位機(jī)通訊程序設(shè)計(jì)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集接收界面通過(guò)Microsoft Visual C++++等編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)而成，該界面可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、歷史查詢(xún)、數(shù)據(jù)下載、曲線繪制等功能。通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的計(jì)算Data=(rxdata[0]*255+rxdata[1])。Show =Date*200/4096。rxdata[0]，rxdata[1] — 由串口發(fā)給上位機(jī)的數(shù)據(jù)Data — 上位機(jī)換算后的數(shù)據(jù) Show — 供上位機(jī)顯示的數(shù)據(jù)然后進(jìn)行剪切力曲線顯示、最大值采集、做功計(jì)算等操作。同時(shí)該軟件還可讀取SD卡存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，很好的再現(xiàn)測(cè)量時(shí)的壓力曲線并能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 測(cè)量參數(shù)及其計(jì)算方法玉米莖稈強(qiáng)度可以通過(guò)玉米莖稈某一固定部位單位面積上的壓力來(lái)表示, 為此我們只要檢測(cè)到玉米莖稈某一固定部位單位面積上的壓力就可以計(jì)算出玉米莖稈的強(qiáng)度。在大量實(shí)際實(shí)驗(yàn)中, 我們發(fā)現(xiàn)測(cè)試探頭向玉米莖稈深度方向變化過(guò)程中, 其壓力值也是變化的, 一般以玉米莖稈表皮的壓力為最大, 因此為了準(zhǔn)確地反映玉米莖稈的強(qiáng)度, 我們僅取其最大值即可。 = Max式中　——綜合系數(shù)——每次測(cè)定的壓力值S ——受力面積 過(guò)載及做功程序設(shè)計(jì)當(dāng)壓力值大于設(shè)定的最大值時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)電機(jī)按反方向運(yùn)行，直到限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。由于在實(shí)際測(cè)量中測(cè)得的是“剪切力—時(shí)間”曲線，因此在做功計(jì)算前需計(jì)算出對(duì)應(yīng)的位移[16]。