万能材料试验机嵌入式测控系统研究

1 引 言

    万能材料试验机是用来测定材料的各种机械性能、工艺性能、结构强度等特性的仪器，它广泛应用于各科技领域和工业生产质量保证体系。随着国际化的不断深入，试验方法及材料试验机都需符合国际标准，具本而言，国内外材料试验机发展主要呈现以下特点：

    （1）计算机化：随着计算机技术的提高和微型计算机的普及，许多新型材料试验机测控系统开始引入计算机^[1]。虚拟仪器技术、Visual Basic 和Visual C++等工具开发的测控软件，提供了更为全面的功能，使数据精确处理和控制自动化成为可能^[2]。

    （2）数据处理全面化：一方面，计算机的引入使得当前材料试验机测控系统数据处理能力空前强大，数据库技术和网络技术成为有力的工具[3]，材料试验机数据处理更加精确、快速和可靠。另一方面，ARM、DSP 等高性能嵌入式微控制器开始取代以前的单片机成为控制系统核心，使测控系统脱离计算机进行复杂数据处理成为可能。

    （3）控制精确化、数字化：伺服电机控制系统和伺服液压系统的引入，以及 PID 闭环控制算法的应用[4]，材料试验机控制精度有了很大的提高，保证了测试精度。

    从上面可以看出，当前万能材料试验机测控系统的开发具有一定的复杂性，在裸机上直接开发运行前后台系统的开发、维护和扩展都很困难。而且这样的系统本质上是一个程序超循环，根本无法保证测控系统实时性要求^[5]。万能材料试验机测控系统，不但要求系统能够及时响应随机发生的外部事件，对其快速处理，还需要同时执行多个任务，并对每个任务实时响应[6]。这样的应用，采用嵌入式实时操作系统作为应用软件的设计平台和运行平台是一个良好的选择。本文就是基于这样的背景，讨论一种基于 μC/OS2 实时操作系统的高精度万能材料试验机测控系统的实现。

2 材料试验机测控原理

    万能材料试验机控制器驱动伺服控制器或变频控制器，控制电机运转，经精密减速器减速后，带动双螺旋丝杠，驱动横梁上下移动，从而实现对试样的加载过程，完成试样的拉伸、压缩等力学性能试验。光电编码器安装在试验机的螺旋丝杆上，丝杆转动带动光电编码器从而输出一定数量的脉冲。力传感器一端固定在夹具上，另一端固定在机座上。当夹具上有负载时，传感器弹性体上的由电阻应变片所组成的测量电桥失去平衡，从而产生一个弱小的不平衡电压输出。其工作原理如图 1 所示。

    由于万能材料试验机需要按不同的标准进行加载，加载的方式包括定载荷、定位移、定速率等，且有些情况下要求精度很高，因此控制方式、控制精度会要求越来越严格，加之所需的功能也越来越多，如 USB 通讯、打印、复杂的数据显示及处理等，因此本文采用了基于 ARM 嵌入式微控制器为核心的系统结构。