摘要：針對材料試驗機測控系統要求精度高，實時性好的特性，提出一種基于32位的ARM微處理器SEP3203和實時操作系統μC／OS-Ⅱ的電子萬能試驗機測控系統開發方案。其中，觸摸屏與LCD合為一體，采用AC97+UCB1400的工作方式來完成圖形用戶界面的設計；利用24位的CS5530芯片來完成數據模擬量的采集。在硬件平臺基礎上，選用μC／OS-Ⅱ作為控制器的操作系統，完成軟件的結構化設計，通過移植μC／GUI，實現控制器的人機接口功能。
關鍵詞：萬能試驗機；ARM微處理器；μC／OS-Ⅱ；CS5530；SEP3203
0 引言
萬能材料試驗機是測定材料機械性能的基本設備之一，主要用作對金屬、橡膠、塑料、陶瓷和水泥等材料的拉伸、壓縮、彎曲和剪切等機械性能的試驗，可完成對材料的強度、塑性、彈性及韌性的檢測。隨著國際化的不斷深入，國內外材料試驗機的發展主要呈現出計算機化、數據處理全面化、控制精確化、全面化的特點。
當前萬能材料試驗機測控系統的開發具有一定的復雜性，要在盡可能小的空間中集成數據采集、處理，人機界面，串行通信等多個功能。傳統的單片機由于功能單一，往往無法滿足要求，或者即使可以實現，也需要使用大量的MCU協同工作，在信號連接、編程和減少體積方面，都會遇到不小的困難。在裸機上直接開發運行前后臺系統的開發、維護和擴展都很困難，而且這樣的系統本質上是一個程序超循環，根本無法保證測控系統的實時性要求。
萬能材料試驗機測控系統不但要求系統能夠及時響應隨機發生的外部事件，對其進行快速處理，還需要同時執行多個任務，并對每個任務實時響應。如果使用嵌入式系統技術，則可以使用單片嵌入式CPU，集成多種功能，逐步解決存在的問題。
本文就是基于這樣的背景，提出一種基于SEP3203處理器和實時操作系統μC／OS-Ⅱ的高精度萬能材料試驗機測控系統的實現。
1 系統工作原理
試驗機利用控制器，先經交流伺服單元控制電機運轉，再經精密減速器減速后，通過反齒隙游移螺帽由電機帶動雙螺旋絲杠副，驅動動橫梁上下移動，從而實現對試樣的加載過程，完成試樣的拉伸、壓縮等力學性能試驗。它的工作原理如圖1所示。在做拉力試驗或者其他試驗時，由于試驗機的負荷傳感器與試樣失去平衡，電橋產生一個弱小的不平衡電壓輸出。該電壓在一定范圍內與作用力的大小呈線性正比例關系。然而試樣在負荷作用下引起的變形量則通過電子引伸計獲得。負荷傳感器和電子引伸計輸出的小信號都經測量單元放大處理后，送給控制器數據采集輸入端進行數據處理，得到力和變形量值，同時繪制出力和變形等特征曲線。此外，動橫梁的位移則通過安裝在電機轉軸上的光電編碼器數字測量獲得。
2 測控系統硬件設計
根據試驗機的功能要求和工作原理，該系統硬件體系結構如圖2所示。
2．1 核心板和電源模塊
核心板上的處理器采用東南大學博芯公司的SEP3203。SEP3203處理器內嵌了英國ARM公司提供的ARM7TDMI處理器內核，內嵌20 KB片上零等待靜態存儲器；集成了支持黑白、灰度、彩色的LCD控制器；支持用于連接觸摸屏通信的SPI協議。一個通道實時時鐘模塊，85個通用I／O口和18個外部中斷源。
核心板中存儲器部分包括8 MB SDRAM和2 MBNOR FLASH。通過擴展插座引入核心板所用到的RESET和WAKEUP功能引腳；通過擴展插座將22位地址線和32位數據線以及未用的控制信號擴展到母板。
該系統要求多路電源供電，如ARM核心板需要3．3 V和5 V兩路電源；在系統的外圍部件中，LCD控制模塊需要5 V電源供電；A／D轉換模塊需要6 V電源同時供電；伺服驅動器則需要12 V電源供電，所以應該對輸入電源進行相應的穩壓、分路等設計。
2．2 外圍通用接口模塊
試驗機控制器的外圍通用接口模塊主要包含通用I／O口、USB接口、JTAG調試口等。在試驗機系統中，控制器除了要與上下層通信外，主要還涉及到傳感器測量參數的數據采集和伺服控制信號的輸出等。同時，開關量也是測控現場最簡單且使用較頻繁的信號之一，如試驗機動橫梁的限位開關、液晶顯示控制和指示燈的亮滅等。設計中采用SEP3203的通用I／口來實現這些信號的輸入／輸出。
SEP3203提供了85個通用I／O口和18個外部中斷源，無需擴展I／O口。使用端口功能時首先在程序里把引腳功能模式定義好，即將每個端口配置為輸入模式、輸出模式或中斷功能模式，每個復用引腳都有對應的寄存器位來選擇實際使用的功能模式。該設計中，I／O通道使用雙向緩沖器件74LVCH162245A，以增強總線驅動能力。
此外，系統中還添加了2個USB接口，用于測試結果的輸出或作為備用接口。
2．3 信號采集模塊
信號采集模塊包括多通道力值采集模塊和多通道變形信號采集模塊。
力值和變形是系統所采集的最主要信號。傳感器的電壓信號輸入到模／數轉換器CS5530中，CS5530的差動輸入端可以直接測量來自傳感器的毫伏信號，這簡化了與外圍電路的連接。可編程增益放大器能使放大倍數從1～32進行設定，大大提高了系統的動態特性。多級程控數字濾波器可使數據輸出速率得到選擇，范圍為7．5 Hz～3．84 kHz，方便了與外設的連接。另外，CS5530內部有一個完整的自校正系統，可以進行自校準和系統校準，從而可消除A／D本身的零點增益和漂移誤差，以及系統通道的失調和增益誤差。此外，由線性穩壓元件7806提供工作電壓，以確保信號采集精度。
2．4 人機交互模塊
為了使萬能試驗機測控系統具有更好的人機交互界面，便于用戶調試與操作，需要給其配置顯示裝置，如LCD液晶顯示屏以及信號燈提示等。另外．要進行人機交互，還得有輸入裝置，使用戶可以對ARM主控制器發出命令或輸入必要的控制參數等，該系統采用觸摸屏輸入。
根據系統的實際需要，液晶顯示模塊采用240×320黑白4級灰度顯示屏，兼容彩色7寸64K彩色TFT液晶屏，觸摸屏與LCD合為一體。觸摸屏采用AC97+UCB1400工作方式。UCB1400的小體積與低電壓(3．3 V)特性使其成為新一代PDA應用產品的理想選擇。它集成了先進的音頻編解碼、觸摸屏控制器以及電源管理等功能，并以標準、立即可用的產品形態提供客戶化功能。UCB1400控制器作為液晶顯示屏與ARM的接口，用來直接驅動液晶控制字符、漢字以及圖形的顯示。借助UCB1400，可以直接利用SEP3203的I／O口模擬液晶的讀／寫和控制時序，使得ARM對液晶的操作實際上變為ARM對液晶顯示控制器UCB1400的操作，從而簡化了接口電路的硬件連接和軟件編程。
3 測控系統軟件設計
μC／OS-Ⅱ是為嵌入式應用而設計的完全可剝離的實時操作系統，可以管理64個任務，其中留給用戶的應用程序最多可有56個任務。這種RTOS應用軟件的開發過程為：
(1)根據系統設計方案，明確應用軟件的功能；
(2)結合RTOS的并發特性(或準并發特性)，對應用軟件要實現的功能進行大小適當的劃分，也就是把應用軟件的功能按照一定的原則劃分為若干個任務模塊；
(3)對各個任務間的通信和時延進行仔細的確認。
在μC／OS-Ⅱ中，每個任務都是一個無限的循環，都可能處于以下5種狀態：休眠態、就緒態、運行態、掛起態和被中斷態。任務狀態之間的轉換如圖3所示。
3．1 測控系統軟件模塊分析
在該系統中，主要實現的功能是測試數據(包括力值、位移值)的采集、測試數據在LCD上面的顯示、伺電機的控制、人機交互以及數據通信等。由于力值和位移值是試驗機系統的2項關鍵數據，將直接表征被測試件的力學性能，對采集的實時性和精度要求都很高，所以就需要在測試過程中連續地將實時力值和位移值傳遞給主控制器。主控制器將憑借所獲取的力值和位移值來確定當前測試狀態，確定控制操作。如圖4、圖5所示。
依上所述，將系統劃分為若干任務模塊，將實時性要求高的任務，分配給高優先級；將實時性要求低的任務，分配給低優先級。該系統任務的具體劃分見表1。
表中，SysTaskstart的任務主要是完成系統硬件的初始化、用戶配置初始化、圖形界面GUI的初始化及其他任務的創建等工作。主測試任務TaskTest是整個材料試驗機測控系統的核心。該任務用來實現材料試驗機的測試邏輯，實時讀取力傳感器和位移傳感器的數值，判斷測試狀態，依據不同的狀態執行相應的控制操作，以完成測試，最后保存測試結果。
3．2 人機交互界面設計
人機界面是嵌入式系統的重要組成部分，它可以讓用戶方便地輸入參數，執行操作，并及時呈現出必要的信息提示用戶。用戶在測試材料時，需要頻繁地向控制器發出不同的操作命令或更改系統參數，因此友好的人機交互界面是必需的。該系統采用μC／GUI來進行人機界面的設計。μC／GUI是一個源代碼開放的GUI，可以實現Windows風格的圖形界面，微型是它的最大特點，同時它占用很小的系統資源，易于移植，功能強大；可以運行在μC／OS-Ⅱ操作系統中；采用了100％的ANSIC編寫，可以應用于任何LCD和CPU中；加上其源代碼開放的特點，使用起來非常靈活。
4 結語
該萬能材料試驗機測控系統，以SEP3203微處理器和μC／OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統為基礎，具有精度高，實時性好，界面友好等特點，其模塊化設計便于今后對故障的查找和系統的改造升級。