一種平托盤(pán)抗壓試驗(yàn)機(jī)的模塊化電控設(shè)計(jì)

蔣國(guó)文，張 翼，朱新華，汪指航

(中建材智能自動(dòng)化研究院有限公司，杭州 310015)

平托盤(pán)包括紙托盤(pán)、木托盤(pán)、塑料托盤(pán)、金屬托盤(pán)、人造板托盤(pán)等，是物料堆碼、搬運(yùn)的重要載體。平托盤(pán)抗壓試驗(yàn)機(jī)是用于平托盤(pán)抗壓性能的專(zhuān)用檢測(cè)儀器，是平托盤(pán)產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要設(shè)備。

GB/T 4995—2014《聯(lián)運(yùn)通用平托盤(pán) 性能要求和試驗(yàn)選擇》規(guī)定了平托盤(pán)的產(chǎn)品種類(lèi)和試驗(yàn)內(nèi)容，GB/T 4996—2014《聯(lián)運(yùn)通用平托盤(pán) 試驗(yàn)方法》則詳細(xì)說(shuō)明了平托盤(pán)各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)方法。在以上兩項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，平托盤(pán)抗壓試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。傳統(tǒng)的平托盤(pán)抗壓試驗(yàn)機(jī)多采用外部聯(lián)接電腦的方式進(jìn)行運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)管理，但隨著生產(chǎn)管理需要，儀器不再是實(shí)驗(yàn)室的專(zhuān)屬設(shè)備，環(huán)境較為惡劣的生產(chǎn)場(chǎng)所對(duì)儀器的需求大幅增加。采用嵌入式電子控制的可適用于車(chē)間等較復(fù)雜環(huán)境的平托盤(pán)抗壓試驗(yàn)機(jī)成為一個(gè)可行的選擇。

該文研究了一種模塊化的、易于產(chǎn)品升級(jí)和功能擴(kuò)展的平托盤(pán)抗壓試驗(yàn)機(jī)嵌入式電控設(shè)計(jì)方案。該方案不但可以提供更高精度的傳感器數(shù)據(jù)采集能力、更精準(zhǔn)的位置控制能力，還可以根據(jù)用戶需求提供友善的用戶交互界面、豐富的信息交互接口以及完善的數(shù)據(jù)管理功能，具有操作便利、成本較低、占用空間較小、環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 方案說(shuō)明

設(shè)計(jì)方案對(duì)平托盤(pán)抗壓試驗(yàn)機(jī)電控部分的功能進(jìn)行了整理和分割。根據(jù)功能分為與儀器基礎(chǔ)性能相關(guān)的數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制模塊，以及與產(chǎn)品功能相關(guān)的用戶交互和數(shù)據(jù)管理模塊。前者置于儀器內(nèi)部較靠近傳感器的位置縮短傳感器到控制板的距離以降低信號(hào)干擾的影響，后者置于面板位置。兩個(gè)部分分別作為獨(dú)立的模塊完成各自的任務(wù)，通過(guò)CAN總線進(jìn)行模塊間的數(shù)據(jù)交互，共同完成整體工作。該設(shè)計(jì)方案使用運(yùn)算能力相對(duì)較弱同時(shí)價(jià)格低廉、穩(wěn)定性高的工業(yè)級(jí)SOC芯片開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制模塊，在保證工作性能和穩(wěn)定性的前提下，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品功能部分造成瓶頸；使用高性?xún)r(jià)比高性能但抗干擾能力一般的SOC芯片開(kāi)發(fā)用戶交互和數(shù)據(jù)管理模塊，可以提供優(yōu)秀的用戶交互界面、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理工具、完善的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議以及豐富的外設(shè)接口，同時(shí)不會(huì)影響到儀器的基礎(chǔ)性能，也不易受電控信號(hào)的干擾。當(dāng)原有的功能無(wú)法滿足用戶需求時(shí)，可以單獨(dú)升級(jí)該模塊，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能以及測(cè)試結(jié)果一致性產(chǎn)生影響。

2 方案的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制模塊

如圖1所示，數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制模塊采用穩(wěn)定性好抗干擾能力強(qiáng)的工業(yè)級(jí)SOC芯片作為核心，通過(guò)ADC和運(yùn)放電路連接傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)SOC芯片內(nèi)置的計(jì)數(shù)器連接編碼器獲取位移信息，通過(guò)SOC芯片內(nèi)置的PWM模塊和外圍電路連接伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)的動(dòng)作,通過(guò)SOC芯片的I/O模塊連接限位保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)位移保護(hù)。以上設(shè)計(jì)使得數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制模塊可以獨(dú)立完成測(cè)試過(guò)程中的閉環(huán)控制。此外，通過(guò)SOC芯片內(nèi)置CAN控制器連接CAN收發(fā)器并掛載到CAN總線，實(shí)現(xiàn)通過(guò)CAN總線進(jìn)行模塊間數(shù)據(jù)交互。

在模塊間信息交互方面，數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制模塊接收的是數(shù)據(jù)請(qǐng)求、測(cè)試控制、壓板位移控制等指令，發(fā)送的是儀器工作狀態(tài)、壓板位置、實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)、試樣測(cè)試結(jié)果等數(shù)據(jù)。得益于CAN總線的多主通信特性，數(shù)據(jù)信息可由數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制模塊主動(dòng)發(fā)送，也可以采用應(yīng)答方式發(fā)送。

數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制模塊雖然主要受指令控制，但在測(cè)試過(guò)程中可在脫離外部控制的情況下獨(dú)立完成工作。即使在極端條件下失去與CAN總線上其他模塊的連接，亦可確保儀器不會(huì)因?yàn)閴毫^(guò)載、行程超限等原因而損壞。

2.2 用戶交互和數(shù)據(jù)管理模塊

如圖2所示，用戶交互和數(shù)據(jù)管理模塊采用一片高性能高性?xún)r(jià)比SOC芯片作為核心，使用SRAM芯片和NAND FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)容量，連接顯示屏、觸摸屏、鍵盤(pán)、打印機(jī)等設(shè)備進(jìn)行與用戶的交互，還提供了豐富的數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口和聯(lián)機(jī)接口。與數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制模塊一樣，SOC芯片通過(guò)內(nèi)置CAN控制器連接CAN收發(fā)器，掛載到CAN總線實(shí)現(xiàn)模塊間互聯(lián)和通信。

用戶交互和數(shù)據(jù)管理模塊一方面識(shí)別用戶輸入信息并向數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制模塊發(fā)送指令，另一方面接收數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息加以處理，通過(guò)顯示屏、打印機(jī)向用戶輸出，并對(duì)格式化的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理。

用戶交互和數(shù)據(jù)管理模塊可以根據(jù)用戶的需求擴(kuò)展或修改功能，也可以通過(guò)改良硬件提高性能，而這些變動(dòng)不會(huì)影響到儀器的基礎(chǔ)性能。

3 數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理

3.1 模擬電路設(shè)計(jì)

平托盤(pán)抗壓試驗(yàn)機(jī)的量程上限通常需要達(dá)到100 000 N(約合10 t)及以上。通常滿量程10 t及以上的傳感器靈敏度在2 mV/V左右，當(dāng)激勵(lì)電壓為5 V時(shí)，滿量程差分信號(hào)電壓值為10 mV左右，直接用于采樣過(guò)于微弱，因此需要設(shè)計(jì)高阻抗、高信噪比的放大電路進(jìn)行電壓增益。為提高運(yùn)放電路的信噪比，研究采用在運(yùn)放前加一級(jí)單管電路構(gòu)成低噪聲低偏置的JFET mos對(duì)管電路的辦法，并采用負(fù)反饋的方法抑制溫漂和參數(shù)離散化。

平托盤(pán)抗壓試驗(yàn)機(jī)的分辨力通常應(yīng)不大于1 N，而量程上限通常不低于100 000 N，故應(yīng)選用18位及以上精度的ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)。為保證采樣間隔足夠短，ADC的采樣速率應(yīng)不低于100 SPS。該研究中，為更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，采用了采樣速率大于1 000 SPS的ADC。

3.2 信號(hào)數(shù)字濾波

數(shù)字濾波是采用程序處理的方法，對(duì)一系列數(shù)字化的采樣信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，利用頻譜特征去除混雜在信號(hào)中的各種干擾，突出有效信號(hào)。平托盤(pán)受壓后的壓力有效采樣信號(hào)具有連續(xù)性特點(diǎn)，恒速壓縮測(cè)試下壓力變化速度和壓力值有顯著的相關(guān)性；干擾信號(hào)多為較低頻率的波動(dòng)性干擾，在電壓穩(wěn)定性較差的工作環(huán)境下可能會(huì)有尖峰型干擾。根據(jù)以上特點(diǎn)，該研究采用限幅平均濾波法，先根據(jù)當(dāng)前壓力值、壓力變化速度和采樣數(shù)據(jù)序列對(duì)新的采樣信號(hào)數(shù)據(jù)變化幅度進(jìn)行限制，然后將新的采樣信號(hào)數(shù)據(jù)加入序列(同時(shí)按照FIFO原則剔除序列中采樣時(shí)間最早的采樣數(shù)據(jù))，再在去掉序列中最大和最小的采樣數(shù)據(jù)(不剔除出序列)后計(jì)算平均值。

4 運(yùn)動(dòng)控制處理

4.1 恒速控制處理流程

恒速壓縮測(cè)試法是使動(dòng)壓板以恒定的速度運(yùn)動(dòng)，擠壓被測(cè)試樣的測(cè)試方法，是抗壓性能測(cè)試中較為常用的測(cè)試方法。恒速壓縮測(cè)試過(guò)程的軟件處理流程為SOC芯片發(fā)送控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)以指定的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)壓板運(yùn)動(dòng)，而連軸編碼器把電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)發(fā)送給SOC芯片以驗(yàn)證實(shí)測(cè)速度是否與控制信號(hào)一致，組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)，SOC芯片通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片得到傳感器測(cè)得的壓力值信號(hào)，當(dāng)壓力值信號(hào)顯著下降時(shí)判定試樣被壓潰。當(dāng)行程限位開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，SOC芯片控制電機(jī)停止。

4.2 應(yīng)變控制處理流程

應(yīng)變測(cè)試法中動(dòng)壓板的速度并不是恒定的，而是根據(jù)當(dāng)前壓力變化情況即時(shí)調(diào)整動(dòng)壓板速度，保持以恒定的壓力增加速度直至試樣被壓潰。SOC芯片發(fā)送速度控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)通過(guò)ADC得到傳感器測(cè)得的壓力值信號(hào)，通過(guò)連軸編碼器得到電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)，SOC芯片根據(jù)壓力變化和間隔時(shí)間計(jì)算加壓速度，并調(diào)整發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的速度控制信號(hào)。當(dāng)行程限位開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，SOC芯片控制電機(jī)停止。應(yīng)變控制的軟件處理流程如圖3所示，其中A為設(shè)定的恒定壓力增加速度(通常為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加壓速度)，a為由相鄰兩次采樣測(cè)得的力值變化與采樣間隔時(shí)間計(jì)算得到的即時(shí)壓力增加速度。

4.3 恒載荷控制

恒載荷測(cè)試法是在指定的載荷時(shí)間內(nèi)給試樣施加指定的載荷力并記錄試樣變形量的測(cè)試方法，多用于堆碼試驗(yàn)，用于模擬長(zhǎng)時(shí)間裝載一定質(zhì)量貨物對(duì)平托盤(pán)的影響。SOC芯片控制電機(jī)運(yùn)行使壓板對(duì)試樣施加壓力，當(dāng)監(jiān)控到傳感器測(cè)得的壓力值信號(hào)達(dá)到指定載荷力時(shí)停止電機(jī)，待壓力值下降到一定程度(此研究中為壓力值下降到指定載荷力的99%)時(shí)，控制電機(jī)以低速運(yùn)行緩慢增加壓力至壓力值達(dá)到指定載荷力后停止，如此反復(fù)直至加壓時(shí)間達(dá)到指定的載荷時(shí)間。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算連軸編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值，可以得到試樣的變形量。

5 基于CAN總線的模塊間通信

5.1 CAN總線概述

CAN即控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，使用差分信號(hào)傳輸，有較強(qiáng)的抗干擾和糾錯(cuò)重發(fā)機(jī)制，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、軌道交通、醫(yī)療、煤礦等行業(yè)。

5.2 硬件連接

該研究中，硬件連接遵循 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)的高速、短距離“閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)”，在總線兩端各配置一個(gè)120 Ω電阻，各模塊通過(guò)CAN控制器和CAN收發(fā)器連接到CAN總線。這種連接模式下，當(dāng)總線長(zhǎng)度不超過(guò)40 m時(shí)通信速度最高可達(dá)1 Mb/s，很適合平托盤(pán)抗壓試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部各模塊間物理距離較短、數(shù)據(jù)傳輸量較大、要求通信速度較高的特點(diǎn)。

5.3 軟件協(xié)議

CAN總線協(xié)議的多主工作模式使得每個(gè)模塊都可以發(fā)起數(shù)據(jù)通訊。該研究中將數(shù)據(jù)通信協(xié)議分為“詢(xún)問(wèn)-答復(fù)”和“主動(dòng)告知”兩類(lèi)。

“詢(xún)問(wèn)-答復(fù)”類(lèi)型的通信為用戶交互和數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)起的通信，除獲取數(shù)據(jù)信息外，另一個(gè)作用在于同步兩個(gè)模塊的工作狀態(tài)。用戶交互和數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送指令到數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理模塊，數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理模塊在收到指令后需要回送一個(gè)儀器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)包作為應(yīng)答，并按照協(xié)議規(guī)定發(fā)送數(shù)據(jù)信息。當(dāng)用戶交互和數(shù)據(jù)管理模塊收到協(xié)議規(guī)定的全部數(shù)據(jù)信息后，再發(fā)送一個(gè)表示“數(shù)據(jù)接收完畢”的狀態(tài)數(shù)據(jù)包給數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理模塊，完成這一次的模塊間通信。

“主動(dòng)告知”類(lèi)型的通信則是數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理模塊發(fā)起的通信，主要為儀器的狀態(tài)信息，包括儀器狀態(tài)、采樣數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)、測(cè)試完成信息和異常信息(異常包括伺服電機(jī)異常信息、存儲(chǔ)器異常信息、限位開(kāi)關(guān)觸碰信息、超量程報(bào)警信息等)。其中，儀器狀態(tài)、采樣數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)為周期性發(fā)送，為保證通信速度，不要求響應(yīng)數(shù)據(jù)包；測(cè)試完成信息和異常信息則是在事件發(fā)生時(shí)發(fā)送，并要求用戶交互和數(shù)據(jù)管理模塊回送響應(yīng)信息，以確保這些信息得到了有效處理。如果在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有響應(yīng)信息，則需重新發(fā)送。

6 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)檢測(cè)儀器最早是少數(shù)科研單位和研究所使用，之后企業(yè)為加強(qiáng)產(chǎn)品品質(zhì)控制在自建的實(shí)驗(yàn)室里使用各種檢測(cè)儀器。如今越來(lái)越多企業(yè)為提高效率需要把檢測(cè)儀器搬到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，因此對(duì)儀器的環(huán)境適應(yīng)性要求越來(lái)越高。另一方面，用戶對(duì)于儀器性能和功能方面的要求也在不斷提高，不但要求精度更高數(shù)值更準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，而且增加了對(duì)數(shù)據(jù)管理、分析、互聯(lián)方面的功能需求，同時(shí)還需要適應(yīng)90后、00后等新生代操作人員的使用習(xí)慣。

該文研究的平托盤(pán)抗壓試驗(yàn)機(jī)正是同時(shí)適應(yīng)較惡劣工作環(huán)境和提供較完善產(chǎn)品功能的一種典型性?xún)x器。該研究的設(shè)計(jì)考慮到了平托盤(pán)抗壓試驗(yàn)機(jī)在各種應(yīng)用場(chǎng)景中的不利因素，能夠滿足絕大多數(shù)用戶的實(shí)際使用需求，并兼顧了產(chǎn)品維護(hù)升級(jí)的便利性和成本，亦可用于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等類(lèi)似結(jié)構(gòu)的儀器設(shè)備，具有較廣泛的應(yīng)用前景。