试验机微机监控系统的研制

摘要：本文介绍了一种液压传动的试验机微机监控系统的构成、硬件电路与软件的设计，讨论了实际应用中存在的问题及解决方案。

关键词：液压；传感器；监控系统

1 系统构成与监控原理

液压传动相对于电传动有自己的特色，若将微机监控技术与液压传动相结合，则为液压传动发挥优势创造了极为有利的条件。试验机微机监控系统的原理框图如图1 所示。

图1 试验机微机监控系统的原理框图

（1）系统设计要求及其工作过程

显然，试验机微机监控系统的核心和关键是。研究稳定性、可靠性高的资料自动采集子系统对于试验机微机监控系统具有决定性的作用。本文将重点介绍此子系统。同时考虑到实用中的要求，在软件上对传感器保护、被测试件的保护、液压调整等采取了一系列有效措施。

资料自动采集子系统主要有传感受器、数据采集模块、通讯接口模块等部分组成。如图2所示。外围驱动电路直接控制两个油泵配备的两只接触器，一只加荷及两只卸荷电磁接向阀动作。RS-232接口直接与微机串行口连接，实现监控资料的交换。

（2）监控原理

当油缸动作拉（压）动被测试件后传感器上产生拉（压）力信号，数据采集传送到微机内。控制任务主要有：选择开通分别为两个量程配备的大或小液压泵加压；选择开通适当的电磁阀，以决定高压油在油路中的流向，按相应的试验标准要求组合各种控制动作，形成动作程序。针对不同的试验对象和不同的实际油路系统，控制动作必然不同，拉（压）力试验过程其本质是油缸动作控制过程，这种控制的依据来源于对拉（压）力值的测试。实际程序设计与工作过程是紧密相关的。

图2 资料自动采集子系统原理图

2、系统硬件设计

(1)传感器

拉力、压力信号均采用97型压力传感器测试，其精度0.5级以上。该系列传感器（压阻式）封装在一个316不锈钢外壳内，316不锈钢膜片，将压力通过硅油传递给敏感组件。97型压力传感器采用标准1/4"NPT螺纹联接，不锈钢封装末端联接的激光刻蚀陶瓷基板用来进行温度补偿和零位校准。另外，此压力传感器还配有一个激光刻蚀电阻通过调节外部放大器的增益来校准传感器的压力灵敏度变化，从而在高电平输出时具有良好的互换性。考虑到现场干扰及传感器连接线较长的因素，传感器采用恒流源供电。

(2)信号变送电路

AM417是德国Analod Microelectronics 公司开发的一个低成本的用于处理可变电桥信号的比例电压转换接口集成电路（输出信号成比例地自动跟踪电源电压的变化，这点对于共享一组电源的控制系统来说非常必要）。这种电路对于处理来自于诸如硅压力传感器的差分输出信号是十分理想的。它是由一个用于换能器的比例输出电流源，一个用于处理差分输入信号的高精度前置放大器和一个电压输出级组成。其增益，偏置和输出电压范围（最大为0.4～0.5V）可以通过外接电阻来调整。电压输出级设计为开路集电极输出级，输出的电流可达10mA。用一个外接电阻就可以控制最大输出电流。

通过使用AM417的基本功能就能对传感器标准化所需要的所有重要参数进行调整，AM417具有微小的尺寸（SO8）和很低的成本，是一个理想的应用于传感器的接口集成电路。见图3。

图3 用AM417组成的传感器信号变送电路原理图

AM417是一个专门用于处理可变电桥输出信号（如硅压力传感器）的比例电压转换接口集成电路。利用电路中的比例电流源，可以较容易地解决在处理来自硅压力传感器差分输出信号时的温度补偿问题和传感器经过变换后的输出信号范围调整以及同步比例跟踪电源电压的变化等问题。

AM417比例电压转换接口电路内部由比例电流源、高精度线性放大器输入和开路集电极输出等三部分组成。图3是AM417的工作原理图其中比例电流源可用于传感器的激励电源，它的电流I_IB可以通过外接电阻R₁调节，式子如下：而高精度的线性放大器则主要用于处理差分电桥信号。AM417的开路集电极输出级的功能有：电压输出、电流限制以及输出电压的调整等。

3、 系统软件设计

（1）信号处理与显示部分

此部分的核心是89C52单片机。全程菜单驱动，根据选定的材料类型自动生成检测的样品组数、个数编号等；每检测完一组，自动向上微机发送，并送存机内环形数据存储单元以便备查，这些历史资料存储介质具有高可靠性的掉电保护能力，实验表明，此电路能承受恶劣的电源冲击。考虑到对动作控制的灵活性和通用性，单片机软件的任务是接收微机传递过来的控制命令，实现对各路输出的控制，包括采样信道切换和对外发送的开关量命令。具体的资料分析、判断、运算、计时等均由微机完成。对A/D的控制由单片机按固定要求完成。

由于压力变化的速度相对较缓慢，为了提高抗干扰能力，采用双积分A/D转换芯片ICL7315，完成A/D转换。量程根据精度需要选择，可为0-200mV、0-2000mV；转换速度一般为6-12次/S。

将键盘接口设计成与PC键盘兼容。从硬件接口、软件接口两方面，使CLK、DATA信号符合103键PC标准键盘的时序要求。

(2)通讯模块设计

采用RS232，程序设计的重点应保证通讯的可靠性。考虑到通讯线路较长可能成为尖峰的引入源，通过共同地线影响MCU、A/D 等到单元，将引起数据抖动，故必须对通讯接口光电隔离，通讯接口芯片可选用MAX3235E。

微机的通讯接口程序，用VB言的MSCOMM串行通讯控制等实现。

微机程序可利用Windows平台的多任务功能特，点直接挂不同的子程序块，以实现独立或综合的功能。如图4所示。

图4 主控程序框图

4、应用中存在的问题与解决方案

A/D转换的基准问题

A/D转换芯片ICL7135的基准直接影响转换的精度与稳定。可选用温度系数为10*10^-6/℃的精密基准MC1403。

（1） 弱信号传输的屏蔽问题

从试验机通过压力传感器将弱信号传送到采集与处理部分常有1米以上的距离，必须采取有效屏蔽措施，实验证明，把传感器与信号调理电路一起装入一个金属套筒，效果十分理想。另外，加上硬件滤波、和软件资料平滑措施，最终能有效消除粗大误差的出现。

（2） 保护程序

本系统用了两个量程不一的传感器，当设置的通道与传感器不符时，不能对小传感器的保护忽视，可采用软件保护，在每次加荷测试时，同时切换扫描大小两只传感器对应的两个模拟信道，得到一路力值上升的信号时，与设定参数进行比较，确认正确以后固定一路采集信号。

（3） 液压的自动调整

不同的试验对象，有不同油流量要求。实现流量的自动控制应在油路中设置比例调节阀或步进电机调节阀。考虑到压力或拉力值的上升速率及油压值，可以给出一个合理的阀开度来调整油的流量。针对油路流量控制对象众多参数的不确定性，可根据力值和油压值信号，在微机上编制模糊控制程序实现。