【正文】 概述 數(shù)據(jù)采集使用的是 PCI－ 818HG 型數(shù)據(jù)采集卡。該卡是用于 PC／ XT/AT 的高桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 17 頁 共 46 頁 增益、高性能多功能數(shù)據(jù)采集卡。它提供了 5 種理想的測量和控制函數(shù)．并有12位 A／ D轉(zhuǎn)換器和 D／ A 轉(zhuǎn)換器．最大 MD采樣頻率可達(dá) 100 kHz，具有數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出以及可編程計時／計數(shù)功能。此卡內(nèi)置一個 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 12 位連續(xù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換模擬輸入。板上 1 K 字節(jié)的 FIFO 數(shù)據(jù)緩沖器提供了在 Windows系統(tǒng)下高速的數(shù)據(jù)傳輸性能。自動通道掃描電路和板上的 SRAM 可以用 DMA或者在每個通道不同增益的情況下進(jìn)行多通道 A／ D 轉(zhuǎn)換。該卡的數(shù)據(jù)采集可以采用查詢方式、中斷方式和 DMA 方式。查詢方式和中斷方式往往會浪費大量的 CPU時間，難以滿足實時要求．只有 DMA方式采集數(shù)據(jù)最快。在 DMA 方式中采用的是雙數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)。當(dāng)采集卡進(jìn)行 MD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時。程序仍然可以訪問采集的數(shù)據(jù)。一般來說 A／ D轉(zhuǎn)換可以在后臺來完成。而數(shù)據(jù)可以通過 DMA控制器傳送到內(nèi)存中，從而節(jié)省 CPU 的時間，滿足實時測控的要求。 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程實現(xiàn)： 圖 高速數(shù)據(jù)采集模塊流程 該過程分為“初始化”、“高速采集”和“數(shù)據(jù)處理”等三大步驟?！俺跏蓟庇缮鲜鲈O(shè)置面板完成?！案咚俨杉毕弟浖诵牟糠?。整個采集過程均在內(nèi)存中通過工控機(jī)與采集前端 PCL818HG 之間的高速交互通信實現(xiàn)。采集周期可達(dá) 1 ms 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 18 頁 共 46 頁 以下。該模塊流程可見圖 “數(shù)據(jù)處理”分預(yù)處理和后處理。預(yù)處理由采集卡預(yù)處理功能完成 ；后處理則根據(jù)傳感器參量之間的關(guān)系和工程方程來實現(xiàn) 。 磨合試驗控制系統(tǒng)組成單元及其信號 根據(jù)控制系統(tǒng)實時多任務(wù)處理能力等整體性能特性要求，采用方案二。其控制單元由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集板卡 PCL818HG 及其擴(kuò)展卡、 Simotion D410 (PN)、傳感器、電磁離合器、磁粉制動器等部件組成。涉及到了數(shù)字量及模擬量的輸入 /輸出、頻率輸入 (計數(shù) )等信號形式 ,所有信號由工控機(jī)輔以數(shù)據(jù)采集板卡予以調(diào)度和操作。圖 。 圖 控制單元組成及信號流向示意圖 根據(jù)制訂的磨合工藝，控制單元和機(jī)械部件配合使用，完成磨合作業(yè)過程的數(shù)字化實時監(jiān)控，包括顯示累計時間、加載力、磨合次數(shù)等參數(shù)。 在主機(jī)測控軟件的控制下 , D/I 模塊采集開關(guān)輸入信號， PCL818HG 高速計數(shù)模塊采集扭矩傳感器的頻率信號， A/D 模塊采集拉壓力傳感器的電壓信號等數(shù)字信號，經(jīng) ISA總線提供給主機(jī)測控軟件；板卡的 D/O模塊負(fù)責(zé)數(shù)字量輸出，操作磁粉制動器、電磁離合器、控制指示燈等開閉動作，磁粉制動器的激磁電流由 D/A模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)磨合可變加載的閉環(huán)控制。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 19 頁 共 46 頁 控制 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu) 測控軟件包括 主機(jī)端的控制程序和從機(jī)端的運動程序。其體系架構(gòu)及組成模塊如圖 所示。主機(jī)的控制程序采用 .Net 平臺的 VisualC語言編寫，提供各種操作指令和數(shù)據(jù)的人機(jī)交互，如電機(jī)的啟?？刂啤⒛ズ蠀?shù)的輸入和顯示、加載和磨合進(jìn)度的實時顯示等。 由人機(jī)界面輸入控制參數(shù)，經(jīng)軟件算法處理后通過 TCP/IP 傳輸給伺服控制單元，完成電機(jī)的具體控制動作。從機(jī) D410 的運動程序則在 Simotion Scout軟件里編譯調(diào)試完成。 Simotion Scout 用于單元組態(tài)、參數(shù)配置、編程、測試、調(diào)試、故障診斷等 ， 提供了面向任務(wù)的編程語 言，如結(jié)構(gòu)化文本 ST、運動 圖 測控軟件體系結(jié)構(gòu) 圖表 MCC、梯形圖 LD、驅(qū)動控制圖表 DCC 等。運動程序使用 ST 編寫通信模塊(TCP/IP通信建立、數(shù)據(jù)發(fā)送 /接收等 )，使用 MCC編寫伺服電機(jī)的運動控制任務(wù)程序，使用 LD完成啟停、自動 /Jog任務(wù)的邏輯判斷及任務(wù)調(diào)度等。 3 個模塊最終形成完整的任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng) (execution system)。在 Simotion Scout 軟件里編譯調(diào)試完畢后，下載到 D410 的 Flash 存儲卡中；待系統(tǒng)上電后，即接收主機(jī)指令自動執(zhí)行相應(yīng)的控制任務(wù)。測控軟件程序流程 如圖 所示。經(jīng)手動磨合類型選擇、參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)入操作主界面，可顯示加載曲線、加載值、磨合進(jìn)度桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 20 頁 共 46 頁 等動態(tài)數(shù)據(jù)。磨合完成后，磨合參數(shù)及曲線圖像等自動保存成以時間命名的數(shù)據(jù)文件，并可方便地生成報表和查閱歷史數(shù)據(jù)。 圖 測控軟件程序流程圖 TCP/IP 通信模型 Simotion D410 與其他控制器 (如工控機(jī)、 PLC 等 )使用 TCP/IP 通信，有兩種方式：一是基于 SIMATICNET 平臺的 OPC 技術(shù)；二是傳輸數(shù)組序列的方式。前者提供了方便的變量訪問方式，但技術(shù)較復(fù)雜，開發(fā)難度較大；后者使用簡單，但可 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或變量不能太多。因為本系統(tǒng)工控機(jī)向 D410 傳輸?shù)淖兞坎欢?，所以使用?2 種方式。 鑒于磨合作業(yè)的連續(xù)性，將 D410 控制器作為服務(wù)器，上電后自動運行監(jiān)聽桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 21 頁 共 46 頁 端口；將工控機(jī)作為客戶端，給 D410 發(fā)送數(shù)據(jù)指令。當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)送連接請求后，服務(wù)器返回標(biāo)示本次連接的通信標(biāo)識 ConnectionId。在本磨合測控系統(tǒng)中只使用一個客戶端，其 TCP/IP 通信模型如圖 所示，連線的數(shù)字標(biāo)號代表所使用的通信函數(shù)。通信連接建立后，雙方都是對等的通信實體，均可接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，也可隨時關(guān)閉連接，中斷通信。通信數(shù)據(jù)包設(shè)定為 一個數(shù)組。該數(shù)組元素已定義為待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)指令，如啟停信號、電機(jī)速度、加速度等。通信雙方發(fā)送和接收此定義好的數(shù)組，再按順序從中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)或指令。 圖 單客戶端 TCP/IP 通信模型 通信流程如下 : 1）服務(wù)器打開端口 ,啟動監(jiān)聽 ,等待連接請求 (① )； 2）客戶端發(fā)送連接請求至服務(wù)器設(shè)定的端口 (② )； 3）接到連接請求后 ,服務(wù)器創(chuàng)建一個內(nèi)部通信端口 ,用于新的連接的建立及其后的數(shù)據(jù)通信 (③ )； 4）連接建立后 ,通信數(shù)據(jù)可通過此連接從客戶機(jī)端或服務(wù)器端發(fā)送或 接收 (④ )； 5）當(dāng)通信雙方不再接收 /發(fā)送數(shù)據(jù)時 (一定的通信延遲周期后 ),服務(wù)器或客戶端均可關(guān)閉連接 ,終止通信 (⑤、⑥ )。 磨合變加載的非線性修正 磁粉制動器、磁粉離合器通過磁粉來傳遞轉(zhuǎn)矩，其傳遞的轉(zhuǎn)矩與激磁電流 之間的關(guān)系是衡量磁粉制動器性能的最重要指標(biāo)，本系統(tǒng)可自動繪制磁粉制動器的轉(zhuǎn)矩與激磁電流關(guān)系曲線，自動記錄磁粉制動器跑合數(shù)據(jù)，輸出磁粉制動器測試桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 22 頁 共 46 頁 報告。 磁 粉制動器輸出的阻尼扭矩是其激磁電流的線性函數(shù)，可以通過改變其激磁電流的大小 便可輕易地控制其輸出轉(zhuǎn)矩， 實現(xiàn)載荷的連續(xù)可調(diào)。 一般情況下，在 5%至 100%額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，激磁電流與其輸出轉(zhuǎn)矩成正比例關(guān)系。 通過調(diào)試可以發(fā)現(xiàn) ,受傳動鏈非剛性因素以及傳動鏈本身的摩擦力矩等因素的影響 ,使得實際傳遞到待磨合機(jī)構(gòu)上的載荷發(fā)生了非線性的改變；同時注意到實際加載是激磁電流的遞增函數(shù) ，需要對加載值進(jìn)行修正標(biāo)定，以確定其激磁電流與實際載荷的真實函數(shù)關(guān)系。設(shè)計一個標(biāo)定試驗方案。取磁粉制動器的激磁電流值為自變量，實際載荷為因變量。在其他磨合工藝參數(shù) (如電機(jī)速度、磨合次數(shù)、時間等參數(shù) )不改變的條件下，分別設(shè)定一系列激磁電流值，通過多組變加載磨合試驗，檢測并記錄其實際加載值。試驗數(shù)據(jù)如表 所示。使用 Matlab 軟件進(jìn)行曲線擬合可得直線加載 F與激磁電流 I的函數(shù)關(guān)系： F =++ 同理可得 ,旋轉(zhuǎn)加載 T 與激磁電流 I的函數(shù)關(guān)系： T=10I2++ 表 變加載標(biāo)定試驗數(shù)據(jù) 這種關(guān)系考慮了傳動鏈上的固有摩擦力矩和隨加載變化等因素 ,綜合反映出激電流與實際加載的真實規(guī)律 ,便于對加載進(jìn)行精確測量和控制。 這種磨合試驗 測 控系統(tǒng)可以實現(xiàn)多型號某傳動機(jī)構(gòu)磨合作業(yè)的自動化控制 ,具有適應(yīng)產(chǎn)品型號變化能力強(qiáng)、操作簡便、磨合加載連續(xù)可控等優(yōu)點，可滿足不同型號傳動機(jī)構(gòu)的磨合需要。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 23 頁 共 46 頁 圖 磁粉制動器轉(zhuǎn)矩 激勵電流特性曲線圖 4 單片機(jī)模擬演示板模塊的設(shè)計 由于本次課題設(shè)計的給定時間、資金、技術(shù)、實驗器材設(shè)備等條件的有限性，無法完全按照設(shè)計方案內(nèi)容要求完全設(shè)計出控制系統(tǒng)的各個部分，本次課題設(shè)計是在論述多型號變加載磨合試驗裝置測控系統(tǒng)雙路傳動方案的基礎(chǔ)上，采用單片機(jī)制作實驗?zāi)M電路板，根據(jù)雙路傳動變加載的要求模擬顯示控制系統(tǒng)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)磨合、變轉(zhuǎn)速、時間計時、磨合方式選擇、串口通信與PC 機(jī)通信等功能特性。 單片機(jī)概述 單 片機(jī)結(jié)構(gòu) 單片機(jī)全稱為單片微型計算機(jī)（ Single Chip Microputer） ,又稱為微控制器（ Microcontroller Unit）或嵌入式控制器（ Embedded Controller）。它是將計算機(jī)的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機(jī)，通常片內(nèi)都含有CPU、 ROM、 RAM、并行 I/O、串行 I/O、定時器 /計數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及 系統(tǒng)總線等（如圖 所示）。隨著技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)片內(nèi)集成的功能越來越強(qiáng)大，并朝著 SOC（ System on Chip）方向發(fā)展。 單片機(jī)有著 體積小、功耗低、功能強(qiáng)、性能價格比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點，在自動化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信、家用電器等許多領(lǐng)域得桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 24 頁 共 46 頁 到日益廣泛的應(yīng)用。 圖 單片機(jī)結(jié)構(gòu) 單片機(jī)簡介 單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力 (如算 術(shù)運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理 )的微處理器 (CPU)，隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，只讀程序存儲器 (ROM)，輸入輸出電路 (I/O口 )，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口 (SCI)，顯示驅(qū)動電路 (LCD或 LED驅(qū)動電路 )，脈寬調(diào)制電路 (PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換器及 A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個最小 ,然而完善的計算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)。 由此來看，單片機(jī)有著微處理器所不具備的功能，它可單獨地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這是單片機(jī)最大的特征。 然而單片 機(jī)又不同于單板機(jī)，芯片在沒有開發(fā)前，它只是具備功能極強(qiáng)的超大規(guī)模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個最小的、完整的微型計算機(jī)控制系統(tǒng)，它與單板機(jī)或個人電腦 (PC機(jī) )有著本質(zhì)的區(qū)別，單片機(jī)的應(yīng)用屬于芯片級應(yīng)用，需要用戶了解單片機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計應(yīng)用程序，從而使該芯片具備特定的功能。 不同的單片機(jī)有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術(shù)特征均不盡相桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 25 頁 共 46 頁 同，硬件特征取決于單片機(jī)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用戶要使用某種單片機(jī)，必須了解該型產(chǎn)品是 否滿足需要的功能和應(yīng)用系統(tǒng)所要求的特性指標(biāo)。這里的技術(shù)特征包括功能特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產(chǎn)廠商的技術(shù)手冊中得到。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們熟悉的單片機(jī)的尋址方式，數(shù)據(jù)處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對電源的要求等等。開發(fā)支持的環(huán)境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件 (包含可支持開發(fā)應(yīng)用程序的軟件資源 )及硬件資源。要利用某型號單片機(jī)開發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng)，掌握其結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)特征是必須的。 單片機(jī)控制系統(tǒng)能夠取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可以 軟件控制來實現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化，現(xiàn)在單片機(jī)控制范疇無所不在，例如通信產(chǎn)品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。 誠然，單片機(jī)的應(yīng)用意義遠(yuǎn)不限于它的應(yīng)用范疇或由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計思想。是控制技術(shù)的一次革命，是一座重要的里程碑。 單片機(jī)的特點 單片機(jī)與通用微機(jī)相比較 ,在結(jié)構(gòu) ,指令設(shè)置上均有其獨特之處 ,其主要特點如下 : (1)、單片機(jī)的存儲器 ROM和 RAM是嚴(yán)格區(qū)分的 .ROM稱為程序存儲器 ,只存放程序 ,固定常數(shù) 及數(shù)據(jù)表格 .RAM則為數(shù)據(jù)存儲器 ,用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。這樣的結(jié)構(gòu)主要是考慮到單片機(jī)用于控制系統(tǒng)中 ,有較大的程序存儲空間 ,把開發(fā)成功的程序固化在 ROM中 ,而把少量的隨機(jī)數(shù)據(jù)存放在 RAM中。這樣 ,小容量的數(shù)據(jù)存儲器能以高速