电子拉力试验机嵌入式测控系统研究

论文摘要

材料试验机是材料性能研究、检测的重要仪器设备,主要功能是对材料、零件、构件的力学性能和工艺性能进行测试。随着对材料性能要求的越来越严格,需要材料试验机具有多样的加载方式和测试方法以及更严格的测试精度,因此,要求与之对应的材料试验机测控系统具有更高的精度、更强的功能、更好的实时性以及更好的可靠性。对于新型材料试验机测控系统的开发,采用嵌入式实时操作系统作为设计基础和运行平台,无疑是一个较好的选择。基于以上背景,本文设计开发了一种新型材料试验机嵌入式实时测控系统。本论文在分析和比较国内外先进材料试验机的基础上,吸收先进的微电子技术和试验机控制技术,结合具体的工程应用背景,对电子拉力试验机的机械部分、测试流程、数据采集、电机控制、人机交互等进行了系统的分析与研究,在此基础上确定了基于32位ARM微处理器SEP3203和μC/OSⅡ嵌入式实时操作系统的高精度万能材料试验机测试系统的整体设计开发方案。本课题从电子拉力试验机的原理和需求出发,设计并开发了测控系统的硬件子系统和软件子系统。硬件子系统设计中,详细分析并设计了最小系统、信号采集、电机控制、触摸屏输入、显示输出等模块。软件子系统的设计中,详细分析了功能目标、任务划分、任务设计、人机交互等方面的内容,并介绍了力传感器信号采集程序的设计。最后,在样机上完成了橡胶试样的拉伸和撕裂试验,检验了本论文所研制的电子拉力试验机测控系统的有效性和可行性,证明了硬件选型、设计及软件编程上的正确性,达到了预期的控制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 课题来源与意义
• 1.3 试验机的发展状况及发展趋势
• 1.3.1 试验机发展状况
• 1.3.2 试验机的发展趋势
• 1.3.3 试验机测控技术的国内外发展状况
• 1.4 嵌入式技术系统开发概述
• 1.4.1 嵌入式系统定义
• 1.4.2 嵌入式系统的应用
• 1.4.3 嵌入式技术在试验机中的应用
• 1.4.4 嵌入式系统结构
• 1.4.5 嵌入式系统设计
• 1.5 研究内容
• 第二章 试验机测控系统总体方案设计
• 2.1 材料力学性能和测试
• 2.1.1 静拉伸试验
• 2.2 电子拉力试验机测控系统主要技术指标
• 2.3 电子拉力试验机测控系统组成与工作原理
• 2.4 拉力试验机测控系统工作过程分析
• 2.5 试验机测控系统设计要求
• 2.5.1 功能要求
• 2.5.2 非功能性设计要求
• 2.5.3 功能需求表格
• 2.6 测控系统总体结构设计
• 2.6.1 试验机测控系统体系结构
• 2.6.2 试验机测控系统硬件系统体系结构
• 2.6.3 试验机测控系统软件系统体系结构
• 2.6.4 系统的总体结构和方案设计
• 2.7 本章小结
• 第三章 新型材料试验机实时测控系统硬件电路设计
• 3.1 系统硬件电路设计要求
• 3.2 测控系统硬件电路设计方案
• 3.2.1 硬件设计结构方案
• 3.2.2 硬件设计实施方案
• 3.3 主控制板硬件电路设计
• 3.3.1 主芯片的选择
• 3.3.2 基于SEP3203的主板设计
• 3.3.3 电源电路的设计
• 3.3.4 复位、掉电保护电路的设计
• 3.3.5 JTAG调试接口
• 3.3.6 LCD显示接口电路的设计
• 3.3.7 触摸屏接口电路
• 3.3.8 系统测量单元的硬件选型与电路设计
• 3.4 电机控制板硬件电路设计
• 3.4.1 电机控制模块方案设计
• 3.4.2 电机控制模块结构
• 3.4.3 伺服电机的选择
• 3.4.4 伺服控制器的选择及连接
• 3.4.5 电机控制板电路设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 新型材料试验机实时测控系统软件设计方案
• 4.1 嵌入式软件开发方法
• 4.2 嵌入式实时操作系统μC/OSⅡ介绍
• 4.3 电子拉力试验机测控系统软件需求分析
• 4.3.1 系统对象模型分析
• 4.3.2 系统动态模型分析
• 4.4 万能材料试验机测控系统软件架构与任务划分
• 4.4.1 任务划分和设计原则
• 4.4.2 系统任务划分
• 4.4.3 系统任务接口定义
• 4.5 本章小节
• 第五章 新型材料试验机实时测控系统嵌入式软件设计
• 5.1 测控系统任务设计
• 5.1.1 系统初始化任务
• 5.1.2 测试任务
• 5.1.3 用户响应任务
• 5.1.4 传感器信号采集任务
• 5.1.5 触摸屏扫描任务
• 5.2 人机交互设计
• 5.2.1 GUI移植
• 5.2.2 μC/GUI界面设计
• 5.3 力传感器信号采集程序
• 5.4 本章小节
• 第六章 测试系统调试与实验
• 6.1 硬件调试及分析
• 6.2 软件调试与分析
• 6.3 测控系统的烧录
• 6.4 测控系统实验验证
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 后续展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文