摘 要：針對目前低檔液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)存在的問題，結(jié)合試驗(yàn)站的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)集中管理分散控制模式的技術(shù)改造方案。該方案使低檔液壓萬能試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及控制的自動(dòng)化，實(shí)踐證明該系統(tǒng)的測量精度達(dá)到±0.5%FS，完全滿足國家對試驗(yàn)機(jī)檢定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（測量精度±1%FS）要求。結(jié)合AD7705在萬能試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了AD7705與MCS51系列單片機(jī)的硬件接口設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題，給出單片機(jī)對AD7705實(shí)現(xiàn)讀、寫操作的源程序。本測控系統(tǒng)采用集散控制技術(shù)，充分利用系統(tǒng)的硬件資源；數(shù)據(jù)采集采用雙通道A/D轉(zhuǎn)換器AD7705，簡化了常規(guī)的信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)；A/D轉(zhuǎn)換；有效分辨率；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1617403

Application in Data Acquisition of Universal Testing Machine Using AD7705

LIU Junfu，LIU Jin′e

(Shijiazhuang Information Engineering Vocational College，Shijiazhuang，050035，China)

Abstract：In view of the problems with the current lowgrade hydraulic universal tester，incorporated with the actual situation of the experimental station，technological transformation schemes based on centralized management and distributed control are designed.Automatic data acquisition and automatic control are achieved for the modified testing machine.The measuring accuracy is ± 0.5% FS.It fully meets the National Verification technical standards (measuring accuracy of ± 1% FS).Incorporated with the application of AD7705 in the data acquisition of universal testing machine，the questions that should be noticed in the hardware interface between AD7705 and the MCS-51 series SCM software design are mainly introduced.The source program of SCM is given for reading writting AD7705.The key technical points of this measurement and control system:distributed control technology is used，the system's hardware resources are fully used;the dualchannel AD converter AD7705 is used in data acquisition，which simplifies the conventional signal conditioning link，thereby the reliability of this system is improved.

Keywords：universal testing machine;A/D conversion;peaktopeak resolution;data acquisition

目前，我國液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)按測量技術(shù)可分為低檔和高檔。高檔機(jī)以微機(jī)控制液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)為代表，但其價(jià)格昂貴。低檔機(jī)則是以測力油缸和杠桿擺錘測量力值系統(tǒng)的液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)。這類試驗(yàn)機(jī)的液壓和機(jī)械部分有很強(qiáng)的試驗(yàn)?zāi)芰?，但其控制系統(tǒng)都比較單一、自動(dòng)化程度低，其測控系統(tǒng)已成為阻礙其試驗(yàn)?zāi)芰妥詣?dòng)化程度提高的關(guān)鍵制約因素^［1］。石家莊市建設(shè)局2004年撥資金并立項(xiàng)“試驗(yàn)機(jī)智能控制器研究”，要求對這類材料試驗(yàn)機(jī)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行改造，以大幅度地提高試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)?zāi)芰Αz測精度和自動(dòng)化程度。

技術(shù)改造的關(guān)鍵是測量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集及加荷速度的自動(dòng)控制。為了提高系統(tǒng)精度，數(shù)據(jù)采集采用A/D公司推出的由緩沖器和增益可編程放大器、ΣΔ調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器等組成的16位雙通道A/D轉(zhuǎn)換器AD7705，它能夠直接將傳感器檢測到的微小信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)，適合于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中信號(hào)處理的需要。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

每個(gè)試驗(yàn)站一般都有多臺(tái)試驗(yàn)機(jī)，為了降低測控系統(tǒng)的成本，系統(tǒng)采用集中管理分散控制模式，即由1臺(tái)上位機(jī)(PC機(jī))、多臺(tái)下位機(jī)(單片機(jī))組成。下位機(jī)采用單片機(jī)技術(shù)，構(gòu)成智能式現(xiàn)場測量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集及加荷速度的自動(dòng)控制。微型計(jì)算機(jī)具有容量大，易于進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和輸出等特征。而單片機(jī)系統(tǒng)集成度高、功能強(qiáng)、成本低廉、體積小，恰到好處地彌補(bǔ)了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體積大、操作繁瑣、成本高、不宜推廣等缺陷。這種控制模式充分利用系統(tǒng)的硬件資源，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、下位機(jī)的優(yōu)勢互補(bǔ)，提高了系統(tǒng)性能價(jià)格比，符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)宗旨。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集通道設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要采集實(shí)驗(yàn)過程中壓力、位移（棒料實(shí)驗(yàn)）2個(gè)數(shù)據(jù)，經(jīng)研究及查閱相關(guān)資料，A/D轉(zhuǎn)換器確定采用AD7705，它具有2 個(gè)全差分輸入通道，16位無丟失代碼，0.003%非線性，可編程增益：1～2.7；串行數(shù)據(jù)接口包括5個(gè)：片選輸入口CS，串行施密特邏輯輸入時(shí)鐘SCLK，數(shù)據(jù)輸入口DIN，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出口DOUT，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒狀態(tài)信號(hào)輸出口DRDY^［2］。

每個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)只有1片AD7705，為了節(jié)省單片機(jī)的I/O線，CS端通常接低電平，配置成三線連接方式。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行速度DRDY輸出引腳接至CPU的INT0以中斷的方式讀取數(shù)據(jù)。由于MCS51系列單片機(jī)的串行接口用于與上微機(jī)的通信，因此，只能利用單片機(jī)的I/O口通過軟件模擬的方法，實(shí)現(xiàn)與帶有串行接口的I/O芯片的聯(lián)接。實(shí)現(xiàn)的方法是利用MCS51系列單片機(jī)的I/O口線，控制所連接芯片的串行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳送，操作過程由軟件控制數(shù)據(jù)傳送以及時(shí)序(即各過程的時(shí)鐘周期)。AD7705的SCLK端接AT89C52的P1.0管腳，數(shù)據(jù)輸入、輸出端DIN、DOUT一同接P1.1管腳， DRDY接單片機(jī)的INT0管腳，通過中斷方式實(shí)現(xiàn)對AD7705中寄存器數(shù)據(jù)的讀取。DRDY端也可接普通P1，P2口中未用的管腳，通過軟件查詢該管腳是否為低電平，實(shí)現(xiàn)對AD7705中寄存器數(shù)據(jù)的讀取。AD7705與單片機(jī)的連接如圖2所示。

單片機(jī)（AT89C52）的時(shí)鐘為11.059 2 MHz。AD7705的主時(shí)鐘(Y)取2.457 6 MHz，可編程的增益設(shè)置為64。AD7705的基準(zhǔn)電壓取自傳（位移、壓力）感器的供電電壓，如圖2所示，經(jīng)R₁，R₂（R₁=15kΩ，R₂=5.6 kΩ）分壓后給AD7705提供約1.3 V的基準(zhǔn)電壓，因此工作電壓的波動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)測量誤差^［3］。傳感器輸出的差分信號(hào)(滿量程值≤20 mV)可直接送到AD7705中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。省去常規(guī)的信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)，電路簡化，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用VB 6.0編程，主要由主控界面、系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集（與下位機(jī)的通信）、數(shù)據(jù)處理（計(jì)算、存儲(chǔ)）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告打印、系統(tǒng)幫助等5部分組成。

3.2 下位機(jī)軟件

下位機(jī)（單片機(jī)）的軟件包括主程序、初始化程序（中斷系統(tǒng)、AD7705、串行通信口等的初始化）等。本文只重點(diǎn)闡述單片機(jī)與AD7705數(shù)據(jù)交換部分的軟件。

AD7705共有8個(gè)片內(nèi)寄存器，它們是通信寄存器、設(shè)置寄存器、時(shí)鐘寄存器、數(shù)據(jù)寄存器以及幾個(gè)測試和校準(zhǔn)寄存器。這些寄存器的任何操作都必須先寫通信寄存器，然后才能對其他寄存器進(jìn)行操作。

在編寫單片機(jī)與AD7705的數(shù)據(jù)交換程序時(shí)，一定要注意AD7705的數(shù)據(jù)格式，AD7705串行輸入、輸出的數(shù)據(jù)MSB在前，對AD7705寄存器進(jìn)行配置之前必須將命令字按此順序?qū)懭?；同樣從AD7705數(shù)據(jù)寄存器中讀取到單片機(jī)時(shí)也要注意數(shù)據(jù)的排列順序。數(shù)據(jù)寄存器是一個(gè)16位只讀寄存器，它用來存放AD7705的最新轉(zhuǎn)換結(jié)果，它由2個(gè)8位存貯單元組成，因此必須分成2個(gè)8位分別進(jìn)行排序^［4］。另外，對AD7705寄存器進(jìn)行讀寫操作，必須嚴(yán)格按照其時(shí)序要求操作。AD7705的配置與設(shè)計(jì)的硬件緊密相關(guān)，只有在正確配置的情況下才能正常工作。下面分別給出AD7705的設(shè)置及讀、寫操作子程序。

3.2.1 AD7705初始化子程序

AD7705初始化子程序?yàn)椋?/p>

INIT7705:MOV A， #20H ;選時(shí)鐘寄存器

LCALL W7705

MOV A， #00H ;20 Hz轉(zhuǎn)換速率

LCALL W7705

MOV A， #10H ;選(1通道)設(shè)置寄存器

LCALL W7705

MOV A， #74H ;自校準(zhǔn)模式，增益為64

LCALL W7705

RET

通道2的初始化與此類似。

3.2.2 AD7705寫操作子程序

AD7705寫操作子程序?yàn)椋?/p>

; 寫入1 B數(shù)據(jù)子程序

W7705:CLR P1.0

MOV R7， #08H

W7705-1:MOV C， ACC.7

MOV P1.1， C

RL A

NOP

SETB P1.0

NOP

NOP

CLR P1.0

DJNZ R7， W7705-1

SETB P1.0

SETB P1.1

RET

3.2.3 AD7705讀操作子程序

AD7705讀操作子程序?yàn)椋?/p>

R7705:LCALL W7705 ;調(diào)用寫入子程序

MOV R7， #08H ;設(shè)置數(shù)據(jù)位數(shù)

MOV R1， #02H ;設(shè)置讀取字節(jié)數(shù)

R7705-1:NOP

CLR P1.0

NOP

SETB P1.0

NOP

MOV C， P1.1 ;將數(shù)據(jù)讀入C

RLC A

DJNZ R7， R7705-1

MOV @R0， A

INC R0

MOV R7， #08H

DJNZ R1， R7705-1

RET

3.2.4 INT0中斷子程序

INT0中斷子程序?yàn)椋?/p>

; 在中斷子程序中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果

INT0:PUSH ACC ;保護(hù)現(xiàn)場

PUSH PSW

SETB RS0 ;選1區(qū)工作寄存器

CLR RS1

MOV A， #38H ;1通道數(shù)據(jù)寄存器

MOV R0， #30H ;設(shè)存儲(chǔ)單元首地址

LCALL R7705 ;調(diào)讀數(shù)據(jù)子程序

MOV A， #39H ;2通道數(shù)據(jù)寄存器

MOV R0， #40H ;設(shè)存儲(chǔ)單元首地址

LCALL R7705 ;調(diào)讀數(shù)據(jù)子程序

POP PSW ;恢復(fù)現(xiàn)場

POP ACC

RETI ;中斷返回

4 結(jié) 語

AD7705以其本身的低價(jià)格、高精度、可編程增益、自校準(zhǔn)、小信號(hào)的轉(zhuǎn)換不需附加另外的器件，使得其在數(shù)據(jù)檢測領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。本系統(tǒng)應(yīng)用AD7705對壓力、位移信號(hào)的處理及數(shù)據(jù)采集，能夠在同一時(shí)刻采集到位移、壓力的數(shù)值，為數(shù)據(jù)的處理、分析帶來極大的方便，性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的效果。系統(tǒng)的造價(jià)低廉、性價(jià)比高、適合于各試驗(yàn)站的設(shè)備改造，與購置同樣功能的新設(shè)備相比，每臺(tái)可節(jié)約2～4萬元資金，更適合于我國的國情。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］張峰. 材料試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的測試自動(dòng)化［J］.馬鋼科研，1999(1):3340.

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［4］陳勇鋼，吳伯農(nóng).16位∑Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705及其校準(zhǔn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(7):124126.

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［6］胡志高.AD7705/06及其應(yīng)用［J］.電子產(chǎn)品世界，2000(10):3637.

［7］趙佩華.單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

作者簡介 劉俊伏 女，1968年出生，碩士、副教授。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制、機(jī)電一體化。