蔡嘉欣

廣東省計(jì)量科學(xué)研究院 廣東廣州 510405

在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)水平不斷提升的背景下，工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)控與運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要性逐漸凸顯出來(lái)。其中，扭矩測(cè)量是設(shè)備測(cè)試與質(zhì)檢等環(huán)節(jié)必要的測(cè)量項(xiàng)目。在實(shí)際應(yīng)用中，扭矩會(huì)借助轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)形式動(dòng)態(tài)化地輸出，在轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸的同時(shí)動(dòng)態(tài)性地測(cè)量扭矩。一般來(lái)講，扭矩測(cè)量需借助傳感器技術(shù)完成，其測(cè)試系統(tǒng)也更具數(shù)字化、智能化和小型化特征。由此可見(jiàn)，深入研究并分析動(dòng)態(tài)扭矩檢測(cè)技術(shù)十分有必要。

1 動(dòng)態(tài)扭矩檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

1.1 設(shè)計(jì)基本原理

動(dòng)態(tài)扭矩檢測(cè)系統(tǒng)在啟動(dòng)以后，DSP 模塊與ARM 模塊就會(huì)自動(dòng)開(kāi)展初始化工作，對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。而扭矩傳感器信號(hào)與脈沖編碼器信號(hào)則會(huì)經(jīng)連接器與指示儀表的內(nèi)部電路連接，在信號(hào)處理后即可通過(guò)DSP 快速采集，在對(duì)所采集扭矩與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)實(shí)施數(shù)字濾波處理以后，即可向ARM 模塊傳輸，進(jìn)而結(jié)合用戶存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)操作，并經(jīng)觸摸屏顯示出來(lái)[1]。

與傳統(tǒng)儀表相比，此儀表的優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

首先，儀表扭矩傳感器的接口數(shù)量有三個(gè)，脈沖編碼器接口數(shù)量有一個(gè)且具備信號(hào)倍頻功能，能夠在線實(shí)時(shí)測(cè)量扭矩信號(hào)（3 路）與轉(zhuǎn)速信號(hào)（1 路），參考扭矩與轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)信息對(duì)實(shí)時(shí)功率加以計(jì)算，以達(dá)到在線實(shí)時(shí)測(cè)量多個(gè)通道與多個(gè)參數(shù)的目的。

其次，儀表選擇7 寸觸摸屏用于顯示與操作，而用戶可通過(guò)觸摸屏輸入并操作儀表所顯示的內(nèi)容，增強(qiáng)了人機(jī)交互的便利性。

最后，功能相對(duì)靈活。測(cè)量扭矩與轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，儀表還可以在線計(jì)算并顯示出來(lái)，能夠?qū)εぞ販y(cè)量值進(jìn)行自動(dòng)記錄，結(jié)合測(cè)量所得數(shù)據(jù)還可對(duì)測(cè)量所得平均值進(jìn)行計(jì)算，并在外部存儲(chǔ)設(shè)備中直接保存，為后續(xù)使用提供便利。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

此儀表選擇DSP 芯片與ARM 芯片，在協(xié)同作用下充分發(fā)揮其自身功能。儀表軟件部分包括DSP 處理器軟件與ARM 處理器軟件。前者選擇C 語(yǔ)言編程，而后者則選擇C++語(yǔ)言編程。

在啟動(dòng)上電程序后即可開(kāi)展程序的初始化，對(duì)DSP 運(yùn)行參數(shù)加以設(shè)置，對(duì)外部中斷、SCI、控制寄存器、CPU 定時(shí)器和程序運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)等進(jìn)行配置。完成初始化以后即可開(kāi)展主程序循環(huán)，各子程序執(zhí)行之前要對(duì)狀態(tài)標(biāo)志位加以判斷，進(jìn)而確定子程序執(zhí)行與否[2]。

脈沖信號(hào)是動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)傳感器輸出信號(hào)，通過(guò)外部中斷與定時(shí)器即可測(cè)量脈沖信號(hào)頻率，結(jié)合脈沖信號(hào)頻率與扭矩值對(duì)應(yīng)關(guān)系確定動(dòng)態(tài)傳感器轉(zhuǎn)軸扭矩的大小。輸入信號(hào)的頻率處于5-15 千赫茲，若在固定的采樣時(shí)間對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算脈沖頻率，必須經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間以增強(qiáng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，但會(huì)使儀表采樣的頻率下降，難以將扭矩?cái)?shù)值變化反映出來(lái)。為此，通過(guò)測(cè)量固定脈沖數(shù)間的時(shí)間間隔，即可對(duì)脈沖信號(hào)頻率進(jìn)行計(jì)算，不僅可確保測(cè)量的準(zhǔn)確，同樣也能夠增加儀表采樣的頻率，進(jìn)而增強(qiáng)動(dòng)態(tài)測(cè)量的效果。在EQEP 模塊中設(shè)置了可編程定時(shí)器，在計(jì)時(shí)的基礎(chǔ)上即可倍頻技術(shù)脈沖編碼器兩相輸入，在對(duì)單位時(shí)間內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)計(jì)算的同時(shí)即可獲取旋轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。

在啟動(dòng)ARM 程序后即可進(jìn)入主界面，可將扭矩當(dāng)前數(shù)值與峰值直接顯示出來(lái)，但用戶需手動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并開(kāi)展后期處理工作。用戶能夠結(jié)合接入傳感器數(shù)量與通道號(hào)的差異對(duì)界面進(jìn)行設(shè)置，并選擇所需顯示通道。對(duì)界面設(shè)置的過(guò)程中，需要單獨(dú)設(shè)置各通道參數(shù)，而設(shè)置界面則含括儀表自校準(zhǔn)功能與傳感器校準(zhǔn)功能兩種。

1.3 硬件原理

指示儀表硬件由數(shù)據(jù)交互接口、ARM 處理器、扭矩傳感器、觸摸屏、DSP 處理器等組成。其中，DSP 具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集與處理。而ARM 處理器的網(wǎng)絡(luò)通信、觸摸屏輸入、監(jiān)控和顯示等功能也更完善。為此，此儀表聯(lián)合運(yùn)用ARM 處理器和DSP 處理器。

DSP 處理器借助150 兆赫茲的時(shí)鐘頻率，可使得時(shí)鐘周期時(shí)間只有6.67 納秒，而控制器內(nèi)則有浮點(diǎn)處理單元集成，使得處理浮點(diǎn)數(shù)的效率顯著提升。與此同時(shí)，能夠?qū)斎胄盘?hào)的頻率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。扭矩傳感器的信號(hào)與脈沖編碼器信號(hào)可在處理信號(hào)調(diào)理電路以后向DSP 模塊輸入，進(jìn)而采集兩路信號(hào)，對(duì)輸入扭矩和主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算。

ARM 處理器能夠有效管理數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等多項(xiàng)功能，在實(shí)際運(yùn)行期間，可支持多個(gè)通信接口與電阻式的觸摸屏，使得用戶更好地控制并操作儀表。以ARM 處理器平臺(tái)為基礎(chǔ)，將LINUX操作系統(tǒng)嵌入其中，即可更好地開(kāi)發(fā)儀表的UI 界面，充分發(fā)揮儀表的功能[3]。

2 動(dòng)態(tài)扭矩檢測(cè)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

指示儀表在自校準(zhǔn)的過(guò)程中，借助精準(zhǔn)度較高的波形發(fā)生器可輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的方波信號(hào)。因扭矩傳感器信號(hào)的輸出范圍在5-15千赫茲之間，將波形發(fā)生器設(shè)置成5 千赫茲、10 千赫茲、15 千赫茲，并使用指示儀表對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行采集。接入扭矩傳感器以后，使用500N·m 的靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定傳感器。經(jīng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，此傳感器出廠標(biāo)稱的準(zhǔn)確度是0.3%，而示值的相對(duì)誤差不超過(guò)0.2%，具有良好的示值重復(fù)性。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)采集多個(gè)通道與多個(gè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)扭矩檢定儀器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，協(xié)同DSP 芯片與ARM 芯片，動(dòng)態(tài)化地測(cè)量扭矩，借助DSP 芯片采集運(yùn)算能力與ARM 芯片的人機(jī)交互等功能，同步測(cè)量轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角與三個(gè)扭矩信號(hào)，計(jì)算并保存測(cè)量所得的數(shù)據(jù)信息，與智能儀表發(fā)展需求相適應(yīng)，具有良好的重復(fù)性與穩(wěn)定性，且體積較小，實(shí)用價(jià)值突出。