摘 要: 该文采用DSP控制技术和USB2.0接口，利用组态软件平台开发了一套应用于材料试验的CAT系统，实现了力-位移曲线的实时测量和图形动态显示、拖动机构计算机控制、采集数据汇总与报表输出。该系统具有一定的通用性，可应用于其他试验机。
关键词: 计算机辅助测试; 监控; 组态软件; 材料实验机
1 引言
组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，可以为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的通用软件工具，它能支持各种工控设备和常见的通信协议，实现实时控制、实时数据库、SCADA、通讯及联网、开放数据接口等内容，其组态方式灵活，易于构建一套最适合实际需要的应用系统。“组态王”软件是运行于Microsoft Windows 98/2000/NT/XP/2003操作系统下的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠，广泛地应用于工业控制和计算机辅助测试（CAT） 领域。本文利用组态软件平台开发了一套应用于材料试验的CAT系统，介绍了其实现的方法和过程。
2 模块化CAT系统的组成
材料试验机CAT系统采用模块化设计，分成权限管理模块、试验方案模块、试验模块、曲线分析模块、数据查询模块、标定模块等若干个模块，这样做的好处是方便升级，系统的组成如图1所示，各模块的主要功能如下：
权限管理模块是从安全性的考虑，为了方便分权限管理，设计了权限以及操作者识别功能;试验方案模块是帮助用户设计试验方案或检验用户的方案是否合理和优化;试验模块和标定模块用于试验项目与参数的设定，是针对不同的实验对象和实验内容开发的，以满足不同用户的需求;曲线分析模块可以对试验数据进行处理，绘制出力-位移曲线;数据查询模块允许用户查询与试验有关的各种数据。
图1 CAT系统的组成模块
3 CAT系统的硬件设计
材料试验机CAT系统的工作程序为：装夹试验件-电动缸作往复运动-按给定的加载速率进行加载至材料失效-停止运动-卸下试验件-电动缸返回指定位置—打印实验结果。因此必须完成试样夹紧、拖动、数据采集、计算机监控和故障诊断等功能，该系统该系统采用力控制系统，由用户试验项目及参数的设定，通过力传感器加载和检测力，并将检测值反馈给计算机进行实时处理和显示力-位移曲线。
为保证结构的简洁性，采用MCL-Z系列柱式拉压力传感器，这种类型的传感器结构兼顾于柱式和S式的优点，结构紧凑，测量精度高，抗偏能力强。位移量的检测采用NS-WY01型位移变送器。现场信号有模拟量和数字量输入/输出，使用I-7000系列工业I/O模块，通过RS-485//232转换器I-7520与工控机的RS-232口进行双向通讯，实现分布式采集。其硬件原理图如图2所示。
图2 CAT系统的硬件原理图
在进行系统硬件设计时，采用了全数字闭环测控系统，它具有许多先进的特性和技术创新，主要体现在：
1、实现了全数字闭环（力、位移）控制
试验机性能的高低主要取决于对试验过程的控制。系统采用先进的神经元自适应PID控制算法，可实现系统参数的在线辨识，控制量在线优化，控制环在线切换，实现了真正的闭环全数字控制，使得整机性能明显优越。
2、基于DSP的控制系统平台
DSP是RISC专用型CPU，其指令系统针对自动控制应用（如FFT运算）进行了大量的优化，集成了很多外设功能，适合实时工业控制与量测系统。本产品的控制芯片选用TI公司的DSP。该芯片具有40MIPS计算能力，32位定点，集矢量控制、位置捕获、A/D转换等多项外设功能于一体，是高端工控领域应用十分广泛的一款CPU，也特别适合试验机的控制要求。
3、采用USB通讯
USB是今后通讯发展方向的主流，具有通讯速率高，可靠，通讯方式灵活多样（有控制、中断、批量、实时等）等优点，正逐步成为通讯的主要方式。采用USB2.0通讯，具有54Mb/s通讯速率。其具有硬件校验、硬件应答等功能。
4、避免了误码、丢码等常见的通讯缺陷
由于USB通讯技术的采用，将大大增强PC机与试验机的数据传输能力，改善PC机的人机交互界面，提升试验机控制系统的整体综合性能。
5、8路高精准数据采集系统及3路光电编码器位置捕获模块
数据采集系统由8路高精准24位A/D转换通道组成。最高可达±4000000码，分辨率达1/300000，全程不分档。A/D转换速度和增益可在线编程。3路光电编码器位置捕获系统，允许正交码脉冲频率可高达5MHz，具有纠错、辨向、计数等功能。
4 CAT系统的软件设计
该试验机选择“组态王6.5”作为上位机组态软件开发平台，并利用其生成控制系统时的人机界面，作为系统的管理站和程序员终端用来开发和下装各种控制算法和数据，实现对生产过程的自动控制。操作员站通过组态软件，提供了实时数据通讯、系统状态显示、工况图形显示、历史趋势显示、实时控制曲线显示、控制参数修改、参数列表功能、报警管理功能、报表打印、操作员操作记录等功能。
4.1界面设计
界面设计首先应从美学和人机工程学考虑，使界面具有优良的布局和友好的操作性，同时还应尽量减少操作的次数和时间，提高输入的效率，为此本系统将主要监控对象、力-位移变化趋势曲线及其数值量、控制开关元件等各种操作集中放置在此界面上，并按功能相似性划分了五个区：图标菜单区、控制元件区、图形显示区、参数调节和显示区、按钮命令区。界面如图3所示。
图3 系统主界面设计
4.2力-位移曲线的生成
进行疲劳强度试验，载荷从零开始平缓地増加，在加载过程中，杆件各点的加速度很小，可以忽略不计，载荷加到最终值后不再变化，这也就是静载荷。对汽车座椅调角器的静强度试验是动、静载荷相结合的力作用，其过程中应力平均植可由下式计算：
δm=（δmax +δmin）/2 （公式1）
式中：δm为应力平均值;δmax为过程中最大应力值;δmin为过程中最大应力值。
以上计算过程通过组态王软件编程实现。同时，将位移量定义为X坐标，加载力作为Y坐标，对I-7017模块和拉力传感器采集的模拟信号进行动画连接，在计算机实时监控界面中的“XY趋势曲线图”中将实时的显示力-位移的变化情况。力-位移曲线的监控界面如图4所示。
图4 试验数据处理界面
4.3电机控制
该试验机对电机的控制主要包括电机启、停控制，正、反转控制，回原点控制，极限位置的行程保护，报警系统。考虑到操作的方便性，电机控制直接在主界面中显示。
4.4数据汇总及报表输出
在此界面中主要有报表和数据处理菜单的设计，在报表中对试验所需数据进行记录，并可由数据处理菜单对其进行处理，包括报表的页面设置、打印预览、立即打印、数据查询等功能。在报表中利用Date函数对实验日期进行显示和记录，利用Time函数对实验时间进行显示和记录。主要程序段如下：
if （MenuIndex==0） //对数据报表进行页面设置//
｛
ReportPageSetup（"数据报表"）;
｝
if （MenuIndex==1） //对数据报表进行打印预览//
｛
ReportPrintSetup（"数据报表"）;
｝
if （MenuIndex==2） //对数据报表进行打印操作//
｛
ReportPrint2（"数据报表"）;
｝
if （MenuIndex==3） //在报表中对所需数据进行查询//
｛
ReportSetHistData2（3,1）;
｝
为了用户的操作方便，在报表的右边特别设置了界面切换按钮，可实现在不同的界面中随意转换。
部分CAT系统存在数据量大的特点，此时可改用Access数据库进行CAT系统的数据管理。在系统ODBC数据源中添加mdb数据库，接着通过组态王中的SQL访问管理器建立与该数据库的联系，在组态王中调用SQL函数可实现查询、追加、删除、报表等操作[2]。
5 结束语
利用组态软件进行CAT系统的开发可大大缩短程序设计周期，加快工程开发速度。组态软件提供了灵活的工具和模块，人机交互界面友好，自动化程度高，系统功能易于实现和维护，具有易于扩展的优点。
本文作者创新观点：硬件设计基于DSP的控制系统，采用USB通讯，利用先进的神经元自适应PID控制算法，实现了真正的闭环全数字控制。软件设计采用组态软件进行CAT系统的开发，有效解决了用计算机语言如VC、VB进行开发所带来的上手困难、开发周期长、通用性差的问题。程序界面友好直观，便于用户进行更改和扩充升级，经过简单修改即可移植到其他CAT系统中。
参考文献
[1] 北京亚控科技公司.组态软件使用指南[Z].北京:北京亚控科技公司,2005.
[2] 孙明革,朱喜林.基于组态王软件下的SQL数据库技术[J]. 微计算机信息,2005,（7）（3-1）:109-111.
[3] 研华科技股份有限公司.ADAM4K-5K用户手册[Z].北京:研华科技股份有限公司,2004.