【文章內(nèi)容簡介】 7808穩(wěn)壓芯片及ICL7660S構(gòu)成，信號反向器由OP07搭建。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為177。2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。圖35 信號反向電路結(jié)構(gòu)圖信號反向器實質(zhì)為增益為1的放大器，通過此環(huán)節(jié)是否接入電路來控制電機的正反轉(zhuǎn)，從而控制機械系統(tǒng)的上升與下降和拉壓力信號的變換采集。在軟件控制中，先假定上升為正方向，當(dāng)需要系統(tǒng)控制機械部分下降時便需要加入反向系統(tǒng)，從而改變電壓方向，控制電機的正反轉(zhuǎn)，從而控制其上升與下降。系統(tǒng)原始信號數(shù)據(jù)經(jīng)過放大器的放大后，一般為一負值，我們設(shè)定壓力方向為正方向，當(dāng)采集信號為壓力信號時，將電路開關(guān)連接在反向電路輸出端，這樣信號不經(jīng)過反向直接采集；而當(dāng)采集信號未拉力時，將電路開發(fā)連接在反向電路輸入端，將反向后的信號作為最終信號輸出，從而實現(xiàn)拉壓力信號的變換采集。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則對調(diào)了兩相的相序。控制電路有兩條，根據(jù)開關(guān)選擇接通不同的控制電路，來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。電機正反轉(zhuǎn)控制回路共用一條電源線，當(dāng)控制正轉(zhuǎn)信號的繼電器作用使開關(guān)K2接通，則控制正轉(zhuǎn)的電路導(dǎo)通，從而使電機正轉(zhuǎn)。相反，如果控制反轉(zhuǎn)信號的繼電器作用，則電機反轉(zhuǎn)。圖36 電機正反轉(zhuǎn)控制原理圖 SD卡存儲系統(tǒng)SD卡存儲系統(tǒng)負責(zé)剪切力數(shù)據(jù)的實時存儲。SD卡（Secrue Digital Memory Card）是一種基于 Flash的新一代存儲器,具有體積小、容量大、數(shù)據(jù)傳輸快、移動靈活、安全性能好、適用于手持設(shè)備等優(yōu)點,是許多便攜式電子儀器理想的外部存儲介質(zhì)[10]。SD卡共支持三種傳輸模式：SPI模式（獨立序列輸入和序列輸出），1位SD模式 （獨立指令和數(shù)據(jù)通道，獨有的傳輸格式）， 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）默認情況下的通信模式是SD模式, 單片機由于速度問題一般用SPI接口,該儀器采用SD模式。在實驗中，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開頭壓力文件以P 開頭。系統(tǒng)存儲穩(wěn)定，能滿足設(shè)計要求。為實現(xiàn)儀器便攜的目的，我們利用altium design軟件自行設(shè)計制作了單片機開發(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。將此開發(fā)板與電機驅(qū)動器、調(diào)速器集合放置于控制箱內(nèi)，體積小巧，便于攜帶。開發(fā)板電路圖如圖37所示，實物圖如圖38所示。圖37 自制開發(fā)板電路圖 圖38 自制開發(fā)板實物圖芯片集成度高，功能實現(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)品開發(fā)系統(tǒng)的一個新版本，也是業(yè)界第一款也是唯一一種完整的板級設(shè)計解決方案[12]。Altium Designer 是業(yè)界首例將設(shè)計流程、集成化PCB 設(shè)計、可編程器件（如FPGA）設(shè)計和基于處理器設(shè)計的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一起的產(chǎn)品，一種同時進行PCB和FPGA設(shè)計以及嵌入式設(shè)計的解決方案，具有將設(shè)計方案從概念轉(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；實時的、阻抗控制布線功能；SitusTM自動布線器等新功能以外，Altium Designer ：差分對布線，F(xiàn)PGA器件差分對管腳的動態(tài)分配， PCB和FPGA之間的全面集成，從而實現(xiàn)了自動引腳優(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象拷貝到原理圖當(dāng)中，比如一些網(wǎng)絡(luò)標號， 一頁圖紙的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，總線走線，自動網(wǎng)標選擇等！強大的前端將多層次、多通道的原理圖輸入、VHDL開發(fā)和功能仿真、布線前后的信號完整性分析功能。在信號仿真部分，提供完善的混合信號仿真,在對XSPICE 標準的支持之外，還支持對Pspice模型和電路的仿真。對FPGA設(shè)計提供了豐富的IP內(nèi)核，包括各種處理器、存儲器、外設(shè)、接口、以及虛擬儀器 。第三,在嵌入式設(shè)計部分，增強了JTAG器件的實時顯示功能，增強型基于FPGA的邏輯分析儀，可以支持32位或64位的信號輸入。Altium Designer ，在FPGA和板級設(shè)計中，同時支持原理圖輸入和HDL硬件描述輸入模式；同時支持基于VHDL的設(shè)計仿真，混合信號電路仿真、布局前/ Designer ，并且在PCB布線中采用了無網(wǎng)格的SitusTM拓撲邏輯自動布線功能；同時，將完整的CAM輸出功能的編輯結(jié)合在一起。 Altium Designer ，簡化了復(fù)雜板卡的設(shè)計導(dǎo)航功能，設(shè)計師可以有效處理高速差分信號，尤其對大規(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)計流程和更低的制造成本縮短上市時間。 PCB 板設(shè)計的工作流程(1)方案分析決定電路原理圖如何設(shè)計，同時也影響到 PCB 板如何規(guī)劃。根據(jù)設(shè)計要求進行方案比較、選擇，元器件的選擇等，開發(fā)項目中最重要的環(huán)節(jié)。(2)電路仿真在設(shè)計電路原理圖之前，有時候會對某一部分電路設(shè)計并不十分確定，因此需要通過電路仿真來驗證。還可以用于確定電路中某些重要器件參數(shù)。(3)設(shè)計原理圖組件Altium Designer 提供了豐富的原理圖組件庫，但不可能包括所有組件必要時需動手設(shè)計原理圖組件，建立自己的組件庫。(4)繪制原理圖找到所有需要的原理組件后，開始原理圖繪制。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。找到出錯原因并修改原理圖電路，重新查錯到?jīng)]有原則性錯誤為止。(5)設(shè)計組件封裝和原理圖組件庫一樣， Altium Designer 也不可能提供所有組件的封裝。需要時自行設(shè)計并建立新的組件封裝庫。(6)設(shè)計 PCB 板確認原理圖沒有錯誤之后，開始 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，在網(wǎng)絡(luò)表（簡單介紹來歷功能）、設(shè)計規(guī)則和原理圖的引導(dǎo)下布局和布線。（設(shè)計規(guī)則檢查）工具查錯。電路設(shè)計時另一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它將決定該產(chǎn)品的實用性能，需要考慮的因素很多，不同的電路有不同要求。(7)文檔整理對原理圖、 PCB 圖及器件清單等文件予以保存，以便以后維護、修改?？刂破靼婷嬗煞糯蟆w位、拉力、壓力、上升、下降等各種控制按鍵、存儲器清零鍵、傳感器清零鍵、復(fù)位鍵和調(diào)速器組成。為實現(xiàn)電機調(diào)速，在儀器機械系統(tǒng)部分安裝帶有20孔的轉(zhuǎn)盤，通過類似傳感器原理計算一分鐘所采集的孔的數(shù)目來測算儀器中電機的轉(zhuǎn)速。儀器還具有SD卡檢測功能。通過在文檔中寫入任意數(shù)據(jù)，然后觀察其是否具有讀功能來檢測是否帶有SD卡，方便快捷。 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計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)存儲和上位機通信等模塊組成。軟件程序包括主程序、壓力采集子程序、SD卡存儲子程序等。 鍵功能處理常用鍵盤接口分為獨立式鍵盤接口和行列式鍵盤接口。獨立式鍵盤電路需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。獨立式鍵盤接口有中斷方式和查詢方式等，一般都采用軟件消抖的方法來實現(xiàn)鍵功能處理。行列式鍵盤接口用于按鍵數(shù)目較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點上。行列式鍵盤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、運動方向控制鍵和圖像縮放鍵，所以我們選擇獨立式鍵盤接口。 數(shù)據(jù)顯示單片機對放大后的信號進行實時采集，處理后的數(shù)據(jù)由液晶屏以剪切力曲線的形式進行顯示。試驗中通過按壓拉/壓力傳感器來模擬真實實驗時的剪切運動，通過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并能進行實時顯示。玉米莖稈剪切力不僅可以與上位機進行通信進行顯示和SD卡存儲讀取顯示，還可以通過控制器進行實時顯示，圖41為三種數(shù)據(jù)顯示方式。上位機數(shù)據(jù)顯示 SD卡數(shù)據(jù)存儲顯示控制器數(shù)據(jù)顯示圖41 莖稈強度測定儀數(shù)據(jù)顯示方式 中斷處理所謂中斷，就是指CPU在執(zhí)行程序的過程中，由于某種外部或內(nèi)部事件的作用（如外部設(shè)備請求與CPU傳送數(shù)據(jù)或CPU在執(zhí)行程序的過程中出現(xiàn)了異常），強迫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，所以稱為中斷。相對被中斷的原程序來說，中斷處理程序是臨時嵌入的一段程序，所以，一般將被中斷的原程序稱為主程序，而將中斷處理程序稱為中斷子程序。中斷子程序一般存放在內(nèi)存中一個固定的區(qū)域內(nèi)，它的起始地址稱為中斷服務(wù)子程序的入口地址[15]。中斷系統(tǒng)是現(xiàn)代計算機中重要的組成部分，它可以使計算機完成如下操作： （1）故障檢測和自動處理。計算機系統(tǒng)出現(xiàn)故障和程序執(zhí)行錯誤都是隨機事件，事先無法預(yù)料。如電源掉電、存儲器出錯、運算溢出等，采用中斷技術(shù)可以有效地進行系統(tǒng)的故障檢測和自動處理。（2）實時信息處理。在實時信息處理系統(tǒng)中，需要對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)可以進行信息的實時處理。（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，可以實現(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）分時處理?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)具有多任務(wù)處理功能，使同一個微處理器可以同時運行多道程序，通過定時和中斷方式，將CPU按時間分配給每個程序，從而實現(xiàn)多任務(wù)之間的定時切換與處理。微機系統(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)利用上位機通過單片機串口中斷控制電機的啟動/停止、正傳/反轉(zhuǎn)。中斷程序主要進行電機控制，數(shù)據(jù)采集、存儲，上位機通信以及過載保護等。 A/D轉(zhuǎn)換最佳精度設(shè)計ADC的精度直接影響到整個系統(tǒng)的質(zhì)量和效率。要提高儀器測量數(shù)據(jù)精度需要了解誤差來源以及如何從硬件與軟件方面減小誤差，提高精度。 誤差來源與分析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)壓和模擬輸入信號噪聲。在實驗中，嚴重影響系統(tǒng)精度的誤差是電源噪聲、電源穩(wěn)壓方面。為此在改進儀器測定精度過程中，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誤差對于ADC自身相關(guān)誤差，多采用多次轉(zhuǎn)換做平均的方法來達到減小誤差的目的。但對于偏移和增益誤差我們可以簡單的采用STM32F103模塊的自校準功能補償。對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)過線性穩(wěn)壓器可以得到較為穩(wěn)定的信號輸出。為減小交流電源對輸出信號的影響，我們并不采用開關(guān)型電源而是采用線性穩(wěn)壓器為模擬部分供電。試驗中采用對模擬輸入信號的多次采樣和軟件計算取平均值來消除模擬輸入信號的噪聲。平均值法需要在一個相同的模擬輸入電壓上進行多次采樣，保證模擬輸入信號在轉(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。校正前后信號比較如圖43所示。信號未校正前信號校正后圖43 校正前后信號圖比較 軟件如何減小ADC誤差軟件濾波有很多種方法，主要是針對不同干擾信號采取不同的方法將其消除，實驗中綜合 各種濾波方法的優(yōu)缺點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]。具有對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻率較高的場合。由于莖稈測定儀的測量波動較高所以我們選用此方法作為濾波主要方式。但是在濾波過程中也存在一些缺點需要我們注意：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。 上位機通訊程序設(shè)計上位機數(shù)據(jù)采集接收界面通過Microsoft Visual C++++等編程語言設(shè)計開發(fā)而成，該界面可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)下載、曲線繪制等功能。通過串口與上位機進行實時通信。首先要對數(shù)據(jù)進行一定的計算Data=(rxdata[0]*255+rxdata[1])。Show =Date*200/4096。rxdata[0]，rxdata[1] — 由串口發(fā)給上位機的數(shù)據(jù)Data — 上位機換算后的數(shù)據(jù) Show — 供上位機顯示的數(shù)據(jù)然后進行剪切力曲線顯示、最大值采集、做功計算等操作。同時該軟件還可讀取SD卡存儲的數(shù)據(jù)，很好的再現(xiàn)測量時的壓力曲線并能進行數(shù)據(jù)處理 測量參數(shù)及其計算方法玉米莖稈強度可以通過玉米莖稈某一固定部位單位面積上的壓力來表示, 為此我們只要檢測到玉米莖稈某一固定部位單位面積上的壓力就可以計算出玉米莖稈的強度。在大量實際實驗中, 我們發(fā)現(xiàn)測試探頭向玉米莖稈深度方向變化過程中, 其壓力值也是變化的, 一般以玉米莖稈表皮的壓力為最大, 因此為了準確地反映玉米莖稈的強度, 我們僅取其最大值即可。 = Max式中　——綜合系數(shù)——每次測定的壓力值S ——受力面積 過載及做功程序設(shè)計當(dāng)壓力值大于設(shè)定的最大值時，系統(tǒng)通過蜂鳴器報警，同時電機按反方向運行，直到限位開關(guān)動作實現(xiàn)過載保護。由于在實際測量中測得的是“剪切力—時間”曲線，因此在做功計算前需計算出對應(yīng)的位移[16]。