萬 琦， 張瑞鵬， 段清明

(吉林大學(xué) a.儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院;b.實驗室與設(shè)備管理處，吉林長春130026)

0 引言

大型高速環(huán)剪儀主要用于巖土力學(xué)參數(shù)測定，研究地質(zhì)災(zāi)害滑坡、泥石流等形成和運動機制及其防治。研究土在大剪切位移條件下力學(xué)特性，對于邊坡穩(wěn)定性分析、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的力學(xué)機理研究及其邊坡漸進式破壞過程研究等具有重要的學(xué)術(shù)意義。作為一種主要用于研究土在大剪切位移條件下力學(xué)特性的土工試驗設(shè)備，環(huán)剪儀具有其獨特的設(shè)計構(gòu)造和試驗功能［1］。隨著土工試驗設(shè)備加工技術(shù)的進步，環(huán)剪儀的制造趨于大型化和高度自動化。由于在儀器的開發(fā)過程中大量采用了高精度傳感器和自動機械控制裝置，因此現(xiàn)代環(huán)剪儀能夠進行模擬更加復(fù)雜應(yīng)力條件下的土工試驗，并能夠保證試驗結(jié)果的準確性［2］。目前，由日本京都大學(xué)防災(zāi)研究所研制的大型高速高壓動荷載環(huán)剪儀可以進行應(yīng)力控制、位移控制、剪切速度控制等各種條件下的環(huán)剪試驗［3］。但是隨著現(xiàn)代環(huán)剪儀試驗系統(tǒng)日益復(fù)雜化和精密化，環(huán)剪儀的制造成本和維護成本逐漸增加，所以在現(xiàn)有儀器基礎(chǔ)上進行低成本系統(tǒng)替換具有重要經(jīng)濟價值。吉林大學(xué)現(xiàn)有的大型高速環(huán)剪儀的測量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)依舊采用DOS磁盤操作系統(tǒng)，這對于數(shù)據(jù)采集的控制、數(shù)據(jù)結(jié)果的顯示極為不便。本文設(shè)計與實現(xiàn)了在Windows視窗操作系統(tǒng)下的環(huán)剪儀測控系統(tǒng)，通過對控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)及上位機控制顯示系統(tǒng)三方面的設(shè)計，實現(xiàn)環(huán)剪儀的控制、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)實時顯示。應(yīng)用Windows系統(tǒng)下的環(huán)剪儀測控系統(tǒng)來替換現(xiàn)有環(huán)剪儀DOS系統(tǒng)中的測量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)具有重要經(jīng)濟與實用價值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

環(huán)剪儀測控系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)設(shè)計、采集系統(tǒng)［4］設(shè)計及上位機控制顯示系統(tǒng)設(shè)計。即替換了原來的控制輸出部分、采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分和上位機記錄部分。測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

環(huán)剪儀的控制量為模擬電壓量［5］。上位機設(shè)定的電壓確定值經(jīng)過串口輸送到電壓控制單片機中，單片機將數(shù)據(jù)輸送到4路DA中，實現(xiàn)模擬電壓信號［6］輸出，以控制環(huán)剪儀工作。

設(shè)計采用16位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其輸出電壓值為

式中，D2N代表輸入值(0～65 535)。當UREF=5 V、R1=R2=10 kΩ時，其輸出電壓－5～+5 V。當輸入16進制值為0000時相當于輸出值的－5 V;當輸入16進制值為FFFF時相當于輸出值的+5 V，其輸出電壓公式可簡化為

2.2 采集系統(tǒng)設(shè)計

由于外電路輸入的電壓是傳感器實際采集數(shù)據(jù)的電壓信號，所以采集時應(yīng)經(jīng)過電壓跟隨器使電壓能夠穩(wěn)定的輸入到后續(xù)電路中。實際信號幅值可能比較大，超出AD轉(zhuǎn)換范圍［7］，在輸入端加上了幅值衰減器，如果輸入信號在－10～+10 V，選擇應(yīng)用衰減電路;信號在－5～+5 V，可直接連接電壓跟隨器。在多路被測信號共用一路AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常用模擬開關(guān)將多路被測信號分時送到AD轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。

環(huán)剪儀共有6個傳感器采集不同數(shù)據(jù)需要儲存并顯示。實際工作時多個傳感器輸出信號通過模擬開關(guān)，使得信號依次循環(huán)輸送到AD中，雙通道AD采集芯片進行分時工作，將數(shù)字信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集單片機［8］中，單片機應(yīng)用串口將數(shù)據(jù)上傳到上位機中。采集系統(tǒng)［9］結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 上位機控制顯示系統(tǒng)設(shè)計

上位機控制顯示系統(tǒng)包括控制電壓輸出部分和數(shù)據(jù)存儲成圖［10］部分?？刂撇糠帜軌虼_定電壓控制量值大小;采集部分存儲并成圖顯示接收到的每路采集數(shù)據(jù)，可以清晰判斷參數(shù)變化趨勢。

上位機程序在LabVIEW環(huán)境［11］中開發(fā)，由于使用串口通信，所以要設(shè)定通訊口、是否有校驗位、波特率以及數(shù)據(jù)位數(shù)參量。

3 整體測試

輸出電壓信號的值可達到－5～+5 V、－10～+10 V。由于在DA芯片的輸出端加了放大器使DA輸出的信號由原來的+5 V變?yōu)楝F(xiàn)在的雙極性±5 V范圍。輸出的模擬電壓信號［12］可用示波器顯示。這樣的轉(zhuǎn)換范圍可以滿足環(huán)剪儀對控制信號的需要。上位機控制部分界面見圖3，此時輸出波形見圖4。

圖3 上位機控制界面

圖4 輸出波形顯示

模擬6路采集信號輸入系統(tǒng)［13］，將同一路信號的各個值繪制成此路信號的波形圖［14］，表示信號的變化趨勢。上位機數(shù)據(jù)采集顯示界面見圖5。左下部分的框圖是6路信號值顯示，其值將存儲到計算機中。右下部分圖形是6路信號的波形顯示，每路信號［15］采用不同顏色的波形表示。AD可轉(zhuǎn)換的信號電壓范圍選－5～+5 V、－10～+10 V，這可以滿足環(huán)剪儀傳感器的采集需求。AD采集數(shù)據(jù)有4位精度，精確到mV數(shù)量級，可以滿足實際要求。

圖5 上位機數(shù)據(jù)顯示界面

4 結(jié)語

整體測試結(jié)果表明，設(shè)計與實現(xiàn)的環(huán)剪儀控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、上位機控制顯示系統(tǒng)能夠代替原有的環(huán)剪儀系統(tǒng)測試控制部分，實現(xiàn)測控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。通過整體測試也能驗證設(shè)計的環(huán)剪儀測控系統(tǒng)具有快速、高效、穩(wěn)定的工作模式，符合環(huán)剪儀工作的實際要求。

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