解涑轉，李 杰，王欣偉

（1.國網山西省電力公司運城供電公司，山西 運城 044000；2.國網山西省公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

一種新型電子拉力機系統(tǒng)的設計與實現

解涑轉1，李 杰2，王欣偉2

（1.國網山西省電力公司運城供電公司，山西 運城 044000；2.國網山西省公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

介紹了一種新型的電子拉力機，分析了系統(tǒng)硬件工作原理與軟件結構。在原來機械結構的基礎上，增加單片機控制模塊來完成數據采集與控制。該系統(tǒng)能夠滿足拉力測試的要求，可操作性強，便于進行數據分析和質量管理，能夠大幅度提高生產檢驗的準確性和生產效率。

電子拉力機；系統(tǒng)設計；數據采集

拉力測試系統(tǒng)在電力行業(yè)對電力金具機械試驗中得到了廣泛應用，在一定程度上可以代替人工操作，提高相關工具和材料的檢驗檢測水平。但目前市面上的拉力機都是針對特定應用需求進行設計的，是具有特定功能的個體，其自動化水平較低，在具體應用上存在很多局限，主要表現在以下幾個方面：自動化水平低，在試驗過程中需要工作人員進行干預，浪費大量的時間和精力，實時性也較差；試驗檢測的結果單一，試驗結果很難進行量化，往往只能給出一個簡單的結論，缺乏對試驗結果的定性分析。

1 系統(tǒng)設計

針對拉力機存在的一些問題，本文設計了一種新型電子拉力機系統(tǒng)，在盡量保持原來機械結構的基礎上，增加微處理器控制模塊，來完成數據采集與控制，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 電子拉力機系統(tǒng)圖

電子拉力機系統(tǒng)主要由兩部分組成：傳統(tǒng)拉力機機械構造部分和微處理器控制模塊。機械構造部分分為加力系統(tǒng)和測力系統(tǒng)，其中如何對測力系統(tǒng)完成自動化操作是設計的關鍵，拉力測試系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)結構圖

從圖2中可以看出，系統(tǒng)通過傳感器和數據采集模塊將拉力轉換為電信號，并進行放大和濾波等預處理。微處理器控制模塊用來完成數據采樣量化、試驗控制、信息分析存儲等功能。最后通過串口通訊，將存儲的分析結果進行實時顯示。

2 系統(tǒng)的硬件實現

為了使傳統(tǒng)拉力機具有自動化功能，需要對相關的機械結構部分進行改造，改造主要涉及以下部分。

a）根據具體應用情況配置放大倍數合適的A/D轉換器，轉換完成后通過信號處理模塊對得到的信號進行濾波、平滑處理?？梢赃x用12位逐次快速逼近型A/D轉換器，例如采用AD1674，該芯片內置三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與微處理器相連，并且該芯片含有高精度時鐘電路，可以在不需要外部時鐘和電路的情況下完成A/D轉換。

b）選擇精度高、性能好的傳感器。如可以選用恒壓電橋類電阻應變式傳感器，該類傳感器具有線性好、精度高等優(yōu)點，輸出直流電壓信號。

c）信號放大電路的設計。采用二級放大的方式。第一級采用差分電路，第二級采用加法電路。這樣設計可以放大電路具有高共模抑制比，獲得較高的輸入阻抗，漂移小，對微弱電壓也十分敏感，特別適合與傳感器搭配使用。硬件設計框圖如圖3所示。

恒壓傳感器橋由4個應變電阻組成，其阻值隨所受力的變化而變化，能夠使電橋輸出1個正比于力的電壓信號，經放大電路處理后送入A/D轉換器，用2個寄存器保存轉換結果高8位和低4位，通過數據總線送入微處理器內部。

微處理器控制模塊是系統(tǒng)設計的關鍵，需要處理的技術問題包括以下部分。

a）采樣周期。采樣周期的選取影響到采樣數據的精度和測試曲線的變化。通過采用軟件控制的方法，可以根據位移精度和試品的變形速度動態(tài)的計算采用周期。

b）消除由于零點漂移而帶來的誤差。在實際具體操作過程中，系統(tǒng)電路會不可避免地產生零點漂移，造成采樣誤差。我們可以通過增加重采樣輸入電路，消除零點漂移。

c）為了實現程序和數據存儲功能，可以采用存儲芯片2764和6264分別擴展作為外部程序存儲器和外部數據存儲器。

3 系統(tǒng)的軟件實現

圖3 硬件設計框圖

系統(tǒng)的軟件設計框圖如圖4所示。在數據采集過程中有個值得注意的問題，就是由于信道中干擾信號的存在，對于緩慢輸入的拉力信號，如何進行準確采集。雖然在硬件設計環(huán)節(jié)已經采用濾波器對采用信號進行了模擬濾波，但仍不能保證將干擾信號全部去除。為此，在軟件設計環(huán)節(jié)采用動態(tài)數據在線濾波算法來提高信噪比，采用最大值檢測方法進行數據提取，以進一步減少采樣數據誤差，保證采樣數據的準確性和實時性（見圖5）。

在軟件的具體實現上，根據微處理器的不同選型可以有不同的實現方法。如果選用單片機，則采用高級語言C51實現程序，應用MPLAB、KEIL C51完成程序編譯?；蛘哌x用ARM直接構建片上系統(tǒng)，例如Freescale系列的高性能處理器，直接采用廠家提供的BSP開發(fā)包搭建開發(fā)環(huán)境，C語言實現程序功能，GCC通用編譯器進行程序編譯。兩種方式都可以直接將算法程序編譯后，燒錄到外部程序存儲器，提高軟件設計效率。

根據傳感器具體采集速率來選擇數據的傳輸方式。數據傳輸方式有軟件觸發(fā)、中斷和DMA。如果傳感器的采集速率在每秒幾千字節(jié)之內，可以用軟件觸發(fā)和中斷的方式實現。如果采集速率要求比較高，則采用DMA直接完成數據傳輸，不需要CPU參與。采集得到的數據可以先存入自帶FIFO緩沖區(qū)，經過DMA數據傳輸直接完成對采樣數據的保存。

圖4 測試系統(tǒng)結構圖

圖5 A/D轉換子程序

4 系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)程序設計主要包括串口數據通信、拉力函數的實現和拉力數據的實時顯示。串口通訊主要是編寫串口函數實現與試驗系統(tǒng)的通訊，包括完成串口掃描，波特率的設置等。拉力函數主要是通過確定受力與采樣數據之間的關系，通過函數關系得出具體的拉力值用于實時顯示。拉力數據的實時顯示通過定時器或者軟件中斷來完成。目前的微處理器都提供多種精度的定時器，利用定時器每隔一段時間發(fā)送一條消息，系統(tǒng)捕獲消息就調用拉力函數讀取數據并進行顯示。軟件中斷的原理類似，系統(tǒng)通過捕獲中斷信號，調用與其相關聯的中斷處理函數完成數據的實時顯示。

5 具體應用

架空導線在入網掛線前，按照相關要求，需進行力值測試試驗。新入網的架空導線進行力值測試時，導線一般采用鉤掛式固定，因此必須在測試導線兩端壓接耐張線夾，以便于導線的鉤掛和固定，測試結構如圖6所示。

圖6 測試結構示意圖

在力值測試試驗時，首先利用液壓夾具對架空導線進行固定，通過電子拉力機的控制可以使液壓夾具壓力值保持在7 000 N/cm2的力值，保證導線和液壓夾具連接可靠穩(wěn)定。液壓夾具的開合都由液壓控制泵控制，不同規(guī)格的導線其拉力試驗值也不同，通過電子拉力機控制液壓控制泵來調節(jié)液壓夾具的力值，從而避免了夾具對導線的損傷，保證了試驗數據和試驗結果的穩(wěn)定可靠。

通過電子拉力機控制液壓控制泵1和液壓控制泵2將架空導線壓緊，即可進行導線拉力試驗，試驗完成后，控制液壓控制泵1和液壓控制泵2進行松弛，全部試驗完成。

The Design and Realization of a New Type of Electronic Tensile M achine

XIE Suzhuan1，LI Jie2，WANG Xinwei2
（1.State Grid Yuncheng Power Supply Company of SEPC，Yuncheng，Shanxi 044000，China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

In this paper，a new type of electronic tensilemachine is introduced.Theworking principle of hard-ware and software structureof the system are analysed.On thebasisof theoriginalmechanicalstructure，themicrocomputer controlmodule isadded to the electronic tensilemachine to complete the data acquisition and control.Itisproved that the system canmeet the requirementsof tensile testing system and carry outdataanalysisand qualitymanagementeasily.Thismachine can greatly improve the accuracy and production efficiency of the production test.

electronic tensilemachine；system design；data collection

TP358

B

1671-0320（2015）05-0025-03

2015-07-04，

2015-08-11

解涑轉（1971），女，山西運城人，1999年畢業(yè)于華北工學院電氣工程專業(yè)，工程師，從事輸變電設備電氣性能檢測、診斷工作；

李 杰（1985），男，山西長治人，2013年畢業(yè)于北京科技大學控制科學與工程專業(yè)，博士，工程師，從事變電設備試驗及控制理論研究工作；

王欣偉（1979），男，山西陽泉人，2009年畢業(yè)于太原理工大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，工程師，從事配電線路研究工作。