摘 要: 該文采用DSP控制技術和USB2.0接口，利用組態軟件平臺開發了一套應用于材料試驗的CAT系統，實現了力-位移曲線的實時測量和圖形動態顯示、拖動機構計算機控制、采集數據匯總與報表輸出。該系統具有一定的通用性，可應用于其他試驗機。

關鍵詞: 計算機輔助測試; 監控; 組態軟件; 材料實驗機

1 引言

　　組態軟件是數據采集與過程控制的專用軟件，可以為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的通用軟件工具，它能支持各種工控設備和常見的通信協議，實現實時控制、實時數據庫、SCADA、通訊及聯網、開放數據接口等內容，其組態方式靈活，易于構建一套最適合實際需要的應用系統。“組態王”軟件是運行于Microsoft Windows 98/2000/NT/XP/2003操作系統下的組態軟件，采用了多線程、COM組件等新技術，實現了實時多任務，軟件運行穩定可靠，廣泛地應用于工業控制和計算機輔助測試（CAT） 領域。本文利用組態軟件平臺開發了一套應用于材料試驗的CAT系統，介紹了其實現的方法和過程。

2 模塊化CAT系統的組成

　　材料試驗機CAT系統采用模塊化設計，分成權限管理模塊、試驗方案模塊、試驗模塊、曲線分析模塊、數據查詢模塊、標定模塊等若干個模塊，這樣做的好處是方便升級，系統的組成如圖1所示，各模塊的主要功能如下：

　　權限管理模塊是從安全性的考慮，為了方便分權限管理，設計了權限以及操作者識別功能;試驗方案模塊是幫助用戶設計試驗方案或檢驗用戶的方案是否合理和優化;試驗模塊和標定模塊用于試驗項目與參數的設定，是針對不同的實驗對象和實驗內容開發的，以滿足不同用戶的需求;曲線分析模塊可以對試驗數據進行處理，繪制出力-位移曲線;數據查詢模塊允許用戶查詢與試驗有關的各種數據。

3 CAT系統的硬件設計

　　材料試驗機CAT系統的工作程序為：裝夾試驗件-電動缸作往復運動-按給定的加載速率進行加載至材料失效-停止運動-卸下試驗件-電動缸返回指定位置—打印實驗結果。因此必須完成試樣夾緊、拖動、數據采集、計算機監控和故障診斷等功能，該系統該系統采用力控制系統，由用戶試驗項目及參數的設定，通過力傳感器加載和檢測力，并將檢測值反饋給計算機進行實時處理和顯示力-位移曲線。

　　為保證結構的簡潔性，采用MCL-Z系列柱式拉壓力傳感器，這種類型的傳感器結構兼顧于柱式和S式的優點，結構緊湊，測量精度高，抗偏能力強。位移量的檢測采用NS-WY01型位移變送器。現場信號有模擬量和數字量輸入/輸出，使用I-7000系列工業I/O模塊，通過RS-485//232轉換器I-7520與工控機的RS-232口進行雙向通訊，實現分布式采集。其硬件原理圖如圖2所示。

　　在進行系統硬件設計時，采用了全數字閉環測控系統，它具有許多先進的特性和技術創新，主要體現在：

　　1、實現了全數字閉環（力、位移）控制

　　試驗機性能的高低主要取決于對試驗過程的控制。系統采用先進的神經元自適應PID控制算法，可實現系統參數的在線辨識，控制量在線優化，控制環在線切換，實現了真正的閉環全數字控制，使得整機性能明顯優越。

　　2、基于DSP的控制系統平臺

　　DSP是RISC專用型CPU，其指令系統針對自動控制應用（如FFT運算）進行了大量的優化，集成了很多外設功能，適合實時工業控制與量測系統。本產品的控制芯片選用TI公司的DSP。該芯片具有40MIPS計算能力，32位定點，集矢量控制、位置捕獲、A/D轉換等多項外設功能于一體，是高端工控領域應用十分廣泛的一款CPU，也特別適合試驗機的控制要求。

　　3、采用USB通訊

　　USB是今后通訊發展方向的主流，具有通訊速率高，可靠，通訊方式靈活多樣（有控制、中斷、批量、實時等）等優點，正逐步成為通訊的主要方式。采用USB2.0通訊，具有54Mb/s通訊速率。其具有硬件校驗、硬件應答等功能。

　　4、避免了誤碼、丟碼等常見的通訊缺陷

　　由于USB通訊技術的采用，將大大增強PC機與試驗機的數據傳輸能力，改善PC機的人機交互界面，提升試驗機控制系統的整體綜合性能。

　　5、8路高精準數據采集系統及3路光電編碼器位置捕獲模塊

　　數據采集系統由8路高精準24位A/D轉換通道組成。最高可達±4000000碼，分辨率達1/300000，全程不分檔。A/D轉換速度和增益可在線編程。3路光電編碼器位置捕獲系統，允許正交碼脈沖頻率可高達5MHz，具有糾錯、辨向、計數等功能。

4 CAT系統的軟件設計

　　該試驗機選擇“組態王6.5”作為上位機組態軟件開發平臺，并利用其生成控制系統時的人機界面，作為系統的管理站和程序員終端用來開發和下裝各種控制算法和數據，實現對生產過程的自動控制。操作員站通過組態軟件，提供了實時數據通訊、系統狀態顯示、工況圖形顯示、歷史趨勢顯示、實時控制曲線顯示、控制參數修改、參數列表功能、報警管理功能、報表打印、操作員操作記錄等功能。

　　4.1界面設計

　　界面設計首先應從美學和人機工程學考慮，使界面具有優良的布局和友好的操作性，同時還應盡量減少操作的次數和時間，提高輸入的效率，為此本系統將主要監控對象、力-位移變化趨勢曲線及其數值量、控制開關元件等各種操作集中放置在此界面上，并按功能相似性劃分了五個區：圖標菜單區、控制元件區、圖形顯示區、參數調節和顯示區、按鈕命令區。界面如圖3所示。

　　4.2力-位移曲線的生成

　　進行疲勞強度試驗，載荷從零開始平緩地増加，在加載過程中，桿件各點的加速度很小，可以忽略不計，載荷加到最終值后不再變化，這也就是靜載荷。對汽車座椅調角器的靜強度試驗是動、靜載荷相結合的力作用，其過程中應力平均植可由下式計算：

　　δm=（δmax +δmin）/2 （公式1）

　　式中：δm為應力平均值;δmax為過程中最大應力值;δmin為過程中最大應力值。

　　以上計算過程通過組態王軟件編程實現。同時，將位移量定義為X坐標，加載力作為Y坐標，對I-7017模塊和拉力傳感器采集的模擬信號進行動畫連接，在計算機實時監控界面中的“XY趨勢曲線圖”中將實時的顯示力-位移的變化情況。力-位移曲線的監控界面如圖4所示。

　　4.3電機控制

　　該試驗機對電機的控制主要包括電機啟、停控制，正、反轉控制，回原點控制，極限位置的行程保護，報警系統。考慮到操作的方便性，電機控制直接在主界面中顯示。

　　4.4數據匯總及報表輸出

　　在此界面中主要有報表和數據處理菜單的設計，在報表中對試驗所需數據進行記錄，并可由數據處理菜單對其進行處理，包括報表的頁面設置、打印預覽、立即打印、數據查詢等功能。在報表中利用Date函數對實驗日期進行顯示和記錄，利用Time函數對實驗時間進行顯示和記錄。主要程序段如下：

　　if （MenuIndex==0） //對數據報表進行頁面設置//

　　｛

　　ReportPageSetup（"數據報表"）;

　　｝

　　if （MenuIndex==1） //對數據報表進行打印預覽//

　　｛

　　ReportPrintSetup（"數據報表"）;

　　｝

　　if （MenuIndex==2） //對數據報表進行打印操作//

　　｛

　　ReportPrint2（"數據報表"）;

　　｝

　　if （MenuIndex==3） //在報表中對所需數據進行查詢//

　　｛

　　ReportSetHistData2（3,1）;

　　｝

　　為了用戶的操作方便，在報表的右邊特別設置了界面切換按鈕，可實現在不同的界面中隨意轉換。

　　部分CAT系統存在數據量大的特點，此時可改用Access數據庫進行CAT系統的數據管理。在系統ODBC數據源中添加mdb數據庫，接著通過組態王中的SQL訪問管理器建立與該數據庫的聯系，在組態王中調用SQL函數可實現查詢、追加、刪除、報表等操作[2]。

5 結束語

　　利用組態軟件進行CAT系統的開發可大大縮短程序設計周期，加快工程開發速度。組態軟件提供了靈活的工具和模塊，人機交互界面友好，自動化程度高，系統功能易于實現和維護，具有易于擴展的優點。

　　本文作者創新觀點：硬件設計基于DSP的控制系統，采用USB通訊，利用先進的神經元自適應PID控制算法，實現了真正的閉環全數字控制。軟件設計采用組態軟件進行CAT系統的開發，有效解決了用計算機語言如VC、VB進行開發所帶來的上手困難、開發周期長、通用性差的問題。程序界面友好直觀，便于用戶進行更改和擴充升級，經過簡單修改即可移植到其他CAT系統中。

參考文獻

　　[1] 北京亞控科技公司.組態軟件使用指南[Z].北京:北京亞控科技公司,2005.

　　[2] 孫明革,朱喜林.基于組態王軟件下的SQL數據庫技術[J]. 微計算機信息,2005,（7）（3-1）:109-111.

　　[3] 研華科技股份有限公司.ADAM4K-5K用戶手冊[Z].北京:研華科技股份有限公司,2004.