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1、基于 TMS320F2812 的电子万能试验机数据采集系统杨保亮 ，蒲琪， 代祥俊（ 山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049）摘要：为了实现电子万能试验机在试验过程中各种参数的实时的采集，本文介绍用于工业控制的高性能 DSP 芯片TMS320F2812 功能特点， 然后给出了基于此芯片的电子万能材料试验机的数据采集处理系统的软硬件设计的方法。用该方法设计的系统可以实现金属的材料的取负电荷拉压强度的等参数的自动测试，提高了试验的精确度和效率。关键词：TMS320F2812 电子万能试验机 数据采集与处理 DSPElectronic Universal Testing Mach
2、ine Data acquisition and Processing System Based on the TMS320F2812Yang Bao-liang , Pu Qi, Dai Xiang-jun(School of Transport and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)Abstract: In order to realize the Real-time sampling of different kinds of parameters in the pro
3、cess of Electronic Universal Testing Machine, this paper introduces the functions and features of TMS320F2812 firstly, then a data acquisition and processing of electronic Universal Testing Machine was proposed based on the TMS320F2812,and the design of hardware and software was given detailedly.The
4、 system thus designed can realize the automatic measuring of the parameters of yield points and the tensile strength of metallic materials to increase the quality and efficiency of the material test.Keywords: TMS320F2812, electronic universal testing machine, data acquisition and processing, DSP金属材料
5、的屈服点和拉压强度是衡量材料性能的重要指标，准确地测量这些参数，对于保证工程质量具有重要的意义。早期的万能材料试验机采用手动控制，模拟表盘力值显示，人工读数和人工计算，不能保证测量数据的可靠，也难保证试验质量。如果换成电子液压万能材料试验机费用又十分昂贵。因此，利用先进的电子测量技术和计算机技术开发新型的数据采集测量系统实现对金属材料的拉伸试验过程中的各种参数的自动测量与处理就有重要的使用意义。数字信号处理器 DSP(Digital Signal Processor)及其扩展应用技术的日臻成熟使得对高速信号的采集和处理能力迅速提高，本文就是采用 Ti 的最新推出的 32 位的高性能 DSP 芯
6、片 TMS320F2812 作为数据采集处理系统的核心，设计了新一代的电子万能试验机的数据采集系统，实践表明该系统具有实时性好，精确度高，能对材料试验过程中的各种参数实行自动的测量，低功耗，性价比高，抗干扰性强等特点。1 工作原理和系统结构力传感位移传感器变形传感器A/D TMS320F2812 SCI， CAN伺服系统人机交互（键盘，LCD）数据存储器打印机接口电源监测时钟日历电路等光电隔离系统的总体结构如上图所示，整个系统主要包括 DSP，数据采集电路，数据存储器，人机交互接口，打印机接口电路，伺服系统和计算机和其他控制器的数据通信接口电路。其中数据采集电路有 3 个测量通道组成，即系统可
7、以同时对力，变形，位移进行测量。数据通信接口主要有 SCI，CAN 等组成。系统工作时，力、变形由应变式桥路传感器转换成 mV 级的电压信号,再经过带有信号调理功能的 24 位高性能模数转换器 CS5534 进行信号放大、数字滤波,并转换成数字量送入 TMS320F2812 中,换算成实际力值和变形后,送入扩展的片外存储器中缓存; 位移通过光栅编码器转换成脉冲信号 ,经光电隔离后接入 TMS320F2812 的 XINT2 端进行计数,再依据每个脉冲当量值转换成实际的位移值,并存入到片外存储器中。另外为方便操作工在试验过程中进行观察,本系统扩展了 320 240 点阵式 LCD 显示器,使用方
8、便,具有背光功能,显示清晰直观,可对试验过程的拉力值、变形、拉伸速度、拉伸时间及最大力和断裂值等项内容进行显示。2：系统的硬件设计3.1 TMS320F2812的功能特点TMS320F2812 数字信号处理器是在F24X 的基础上开发的高性能定点芯片。能够运行24x 开发的代码程序,并且F2812 采用32bit 中央处理器大大提高了处理能力。它的主要特点如下:采用高性能的静态CMOS 技术,主频可以工作在150 MHz (时钟周期可达6. 67ns) ;高性能的32 位中央处理器,可以进行16 位16 位以及32 位32 位的乘且累加操作;片内大容量存储器,128 K16bit 的Flash
9、 和18 K16bit 的数据/ 程序存储器;高速外设接口,最多可扩展1. 5 M 16bit 存储器;3 个322bit CPU 定时器,其中CPU 定时器1和CPU 定时器2 被保留用作实时操作系统。CPU定时器0 可供用户使用,作为独立的,全局性的定时中断控制;具有12bit 的ADC 流水线变换时间最小60ns ,单变换200 ns ;可选择两个时间管理器触发功能;改进的eCAN 2. 0B 接口模块;多种串行通信接口(两个UART、1 个SPI 及1 个MCBSP) ;高性能低功耗,采用1. 8V 内核电压和3. 3V外围接口电压。3.2 数据采集电路该数据采集系统中采用的 A/D
10、是美国 CIRRUS LOGIC 公司推出的低噪声 24 位型 A/D 转换器CS5534。CS5534 芯片采用电荷平衡技术和极低噪声的可编程增益斩波稳定测量放大器，输出分辨率可达24 位。该数据采集系统选用的是CS5534内部有一个与SPI和Microwire 兼容的三线串行接口，所以我们直接和DSP的串行外设接口相连。AD片选 与SPI的从发送使能 相连，AD的串行数据输入SDI与SPI的CSSPITE从输出SPISOMIA相连，AD的串行数据输出SDO与SPI的从输入SPISIMOA 相连，AD的串行时钟输入和SPI的SPICLK相连。 其连接如上图所示。3.3 DSP主控制电路这里重
11、点对 DSP 主控电路进行介绍。该部分主要由 DSP 芯片 TMS320F2812、256 K16 位数据存储器CY7C1041V33 、时钟日历 12C887、CAN 驱动芯片 SN65HVD230 及 SCI 驱动芯片 MAX3491 等组成，电路原理图如图 2 所示。 TMS320F2812 作为本系统的核心,通过软件完成对力值和位移，变形的数据采集、数据处理和打印等工作。在拉样试验过程中,每根试样要记录断裂强力值、断裂伸长值、定负荷力伸长值及定伸长负荷力值等项数据,因此需要对拉样数据进行缓存,为此系统扩展了数据存储器 CY7C1041V33 ,该芯片容量为 256 K16 位,完全满足
12、系统要求。 ,外接键盘和 LCD 显示;扩展的 JTAG 接口,用于程序仿真与调试,通过该接口可把程序目标代码烧录到 TMS320F2812 片内 64 K FLASH 存储器中;为试验报表存档要求, 本系统扩展一片日历时钟芯片 12C887 作为系统的计时功能,将当前的年、月、日、时、分值直接打印在报表上。为加强系统的可靠性和抗干扰能力,系统还扩展了专用 P 监控芯片 X25045 ,它集看门狗定时器、复位控制器和串行 E2PROM 三种功能为一体,看门狗定时器对 DSP 芯片提供了独立的保护系统。一旦系统出现故障,在已选择的超时之后(典型值为 1. 4s) ,RESET 发出复位信号;VC
13、C 检测电路可使系统免受电压低状况的影响,当降到最小工作电压时,系统复位直到 VCC 返回到稳定为止; 其 4 096 位串口 E2PROM,采用简单的 3 线总线 SPI 接口 ,其存储数据保证 100 年不丢失,本系统用来保存用户设定的样品类型号、定负荷力点及定伸长点等项参数。4：系统软件设计DSP 的编程工具有 C 语言和汇编语言两种，一般时实性要求不是特别高的场合，采用 C 语言编程可以满足其要求。但是对于高速时实的应用，采用 C 语言和汇编语言结合编程的方法，能将 C 语言的优点和汇编语言的高效率有机的结合起来。 该采集系统采用 XDS510USB2.0 仿真器，它可以通过 USB
14、接口直接和 PC 机相连接，在 CCS3.1 集成开发环境下通过 JTAG 接口，调试、烧写程序。本系统的软件主要包括以下程序:(1) 主程序(TMS320F2812 系统初始化程序、液晶屏初始化程序，主流程控制等) 。(2) 试验力，形变，位移等数据采集子程序(CS5534 参数配置、启动转换、读取转换数据等) 。(3) 数据处理子程序(计算各采样点的强力值、延伸量、统计分析整组数的平均值、不匀率等) 。(4) 打印子程序( 将处理好的数据发送至打印机,输出报表) 。（5）数据通信子程序（通过 SCI， CAN 把试验数据送到上位机以便进一步的处理和组成网络等）这里仅对主程序做简要介绍。主程
15、序流程图如图 3 所示。主程序开始先 TMS320F2812 系统初始化,包括初始化系统控制寄存器、PLL、看门狗很时钟，设置 GPIO 的工作模式，禁止很清楚所有 CPU 中断，初始化 PIE 控制寄存器，初始化中断向量表，初始化所 SCI 和 CAN 控制寄存器等，其次对 LCD 液晶显示器进行初始化,显示初始工作状态:试验力= 0 ,变形值= 0 ,最大力 ,最后清工作单元和标志单元。初始化完成后,软件开始对键盘进行扫描,如有键按下,执行相应的键处理子程序,实现对各负荷力点、各定伸长点的参数设定,及日历时钟芯片的校时等功能。当系统检测用户按下开始键时，则试验开始,DSP 按事先设定的速度
16、的速率开始试验，这时候 A/ D 值进行采样,把所得到的数进行处理，如提取最大力，断裂值和当前的数据值等，同时把到的数据在 LCD 屏上同步显示。同时也可以根据用户的要求通过 SCI 或 CAN 把采集的数据直接送到上位机进行详细的出路，也可以通过打印输出试验报表等。TMS320F2812 系统初始化，LCD 初始化等清标志位，清缓存 按键扫描按键处理试验开始数据采集数据显示联机 数据发送是否打印打印子程序5：总结：本系统方案设计合理,适合于精度高、数据采集量大的应用场合。采用 TMS320F2812 作为 CPU ,提高了系统的可能性, 具有很高的实用价值。 参考文献:1 美国德州仪器公司。张卫宁译. TMS320C28X 系列 DSP 的 CPU 于外设（下）M 北京清华大学出版社 2004 2 苏奎峰 吕强 耿庆锋 等 TMS320F2812 原理与开发M北京 电子工业出版社 2005 3 TMS320F2812,DigitalSignalProcessor Data Man
