基于LS7266R1的电子式万能材料试验机中的设计

  摘要:  针对材料试验机等设备中要求测量或控制材料拉伸或压缩的位移，一般采用光电轴角编码器检测位置信号，输出正交编码脉冲信号。若采用其他方法检测位置信号，必然导致电路设计复杂，可靠性降低。因此，提出一种基于LS7266R1的电子式万能材料试验机设计方案。给出了试验机中的控制器工作原理，LS7266R1与单片机的接口硬件设计，以及主程序软件流程图。巧妙地把力量传感器，位移传感器等机械运动状态的压力或拉力以及位置坐标，变成了电压信号和电脉冲数字信号，供A/D测量和LS7266R1计数，从而实现了独立完成材料试验控制或通过PC机串口命令完成材料试验控制。

　　电子式万能材料试验机是一种材料试验机测控装置，能够实现对材料拉伸、压缩、剥离、撕裂、抽出等力学性能试验的测试与控制。该试验机通过采集多通道压力信号，编码器输出的位移脉冲信号，并进行干扰抑制、模拟信号放大滤波和隔离变换等处理，利用键盘和显示模块人机接口，结合变频控制器技术实现机台断点停机控制、定荷重控制、定应力控制、定位移控制、定应变(延伸率)控制、力量保持控制、自动回归控制、限位控制、多段条件测试等功能。而针对实现上位移测量及定位移控制功能，提出一种利用光电轴角编码器的专用计数器LS7266R1来采集编码器输出的位移脉冲信号。

　　1 LS7266R1简介

　　双轴正交信号鉴相器LS7266R1是一款低成本、超高精度、24位双通道的求积计数器，4种可编程计数方式，3种求积方式和1种非求积方式，计数精度高，具有X和Y双通道计数，每路计数长度可达24位，且具有二进制／十进制计数二种可编程方式。特别重要的是它有方向标志功能，测量2路(X、Y)编码器的大小相等，但有2种方向情况，当2路(X、Y)编码器的符号标志S相同时，表示位移为正方向；当符号标志S相反时，表示位移为反方向。利用该功能可以通过光电轴角编码器转换，对电子式万能材料试验机中的材料拉伸、压缩的位移值实行加或减位移值的方向判断。另外，在3种求积方式下，对每路编码器还可实现8位独立的可编程数字滤波的功能。其内部寄存器的功能设置可参见LS7266R 1的数据资料。

　　2 光电轴角编码器

　　光电轴角编码器又称光电角位置传感器，有输出循环二进制码的绝对式光电轴角编码器和输出单列或相位差90°的两列光电脉冲信号的增量式光电轴角编码器3种。这里选用ZSP3．812-003G-3600BZ型增量式光电轴角编码器，该光电周角编码器采用电缆侧出，3 600 p／r，宽电压7～24 V，互补输出，集成模块，具有体积小，价格低，非接触等特点。它是一种集光、机、电为一体的精密数字测角装置，它把轴角信息转换成电脉冲数字信号，通过LS7266R1计数器与单片机等连接后可实现动态测量和实时自动控制。

　　3 电子式万能材料试验机

　　图1为试验机机台外型。该试验机是由机座(内放置了单相电机和变频器)，控制箱，力量传感器，位移传感器，以及机架等组成。控制箱内的控制器是其核心，由力量传感器、仪表放大器、多路开关、A／D构成试验机力量测量单元；由增量式光电轴角编码器，LS7266R1双轴积分式计数器构成试验机采集编码器输出的位移信号。利用光电方法，通过光电转换将输出轴的机械量。几何位移量转换成相应的电脉冲信号，从而获得机械运动状态，位置坐标及其变化量等信息。CPU根据上述这些信息，以D／A输出控制变频器实现变频技术与伺服控制技术，来调节或启停电机，实现马达的速度调节控制、位移量控制，力量保持控制等多种功能；利用算法实现了对力量传感器的分阶段校正、单位变换、多种保护，解决零点漂移，保证系统可靠稳定。试验机人机接口方便，系统的功能多、性价比高。

图1 试验机机台

　　4 LS7266R1的应用

　　4．1 硬件电路设计

　　图2为LS7266R1在电子式万能材料试验机中的硬件设计原理框图。采用华邦的W78E58B高性能单片机，24位ADC7710转换器，24位DAC1210转换器，24位LS7266R1计数器，8 KB Flash RAM存储器28C64，内置锂离子电池的DS12887时钟，串行接口芯片MAX232，带看门狗的非易失性存储器X25045等组成。通过三总线(数据、地址、控制)与LS7266R1求积计数器相连，输出2路脉冲分别送到X和Y通道计数。

图2 硬件原理框图

　　图2中，W77E58B 80C51系列的单片机，有40引脚，256字节的RAM和36 kB的Flash EPROM快闪存储器，可多次编程写入，有两个全双工串行口，有12个中断源，执行速度是标准8051的1．5～3倍。AD7710采用∑-△转换技术，可实现最高24位无失码性能，±0．001 5％非线性度。内有可编程增益控制器和数字滤波器处理器。是一款适合低频测量应用的完整模拟前端，可直接接受来自应变计或传感器的低电平信号，并产生串行数字输出。DAC1220是一种适合于过程控制场合的低功耗D／A转换器。它采用△-∑转换技术，实现了20位线性转换。通过内置的满度、零点和线性修正寄存器，可以自动进行校准功能，保证了转换的准确性。28C64RAM：8K字节的Flash RAM存储器，数据可长期保存MAX232标准RS-232通信器件，可连接两对收／发线，把UART的RXD和TXD端TTL／CMOS电平转换成RS-232电平。X25045是串行非易失性存储器，带有看门狗功能，可用于监控单片机是否正常运行，同时还具有上电复位、保存参数、电压监测的功能。DS12887为并行时钟接口芯片，内有锂电池，可保存100年的日历时钟，用于每分钟的数据更新。

　　4．2 系统软件设计

　　图3为主程序软件流程图。该系统软件主程序包括串口初始化、液晶显示初始化、24位AD771O初始化、LS7266R1初始化、读24位AD7710值、读24位LS7266R1计数器值、计算、处理、显示以及键扫描程序等。

图3 主程序软件流程图

　　4．3 接口软件设计

　　LS7266R1在电子式万能材料试验机应用中，首先要对LS7266R1进行初始化设置，初始化设置过程是这样的：写入控制字到XIOR或YIOR寄存器中，控制A／B输入停止工作；写入控制字到XRID或YRLD寄存器中，复位BT，CT，CPT，S，BP状态值；写入控制字到XBLD或YRLD寄存器中，复位E和CNTR状态值；写入计数器初始值#00H到XPR2 XPR1XPR0或YPR2 YPR1 YPR0预置寄存器，把初始值传送到CNTR计数器中；写入控制字到XIDR或YIDR寄存器中，使能INDEX位；写入控制字到XCMR或YCMR寄存器中，选择X1，Normal count工作方式；写入控制字到XIOR或YIOR寄存器中，控制A／B输入启动工作。其次读取LS7266R1计数器过程是这样的：写入控制字到XBLD或YRLD寄存器中，重新复位BP指针，读XFLAG或YFLAG标志寄存器；写入控制字到XRLD或YRLD寄存器中，传送XCNTR或YCNTR计数器值到XOL或YOL输出寄存器中，读取XOL或YOL输出寄存器的值到W78E58B单片机内的RAM单元中，然后进行运算处理。

　　5 试验机上位机软件设计

　　材料试验机系统带有功能强大的上位机软件，可实现独立完成材料试验控制或通过PC机串口命令完成材料试验控制两种方式。上位机采用面向对象程序设计VB语言进行设计，可以实现试品资料、数据显示、曲线显示、报表设置打印、多种测试方法、数据再分析等模块，实现打印、测试、统计、单位切换(F／X)、传感器通道切换、机台上行、机台停止、机台下行、回归位移零，多段校正等功能。通过上位机软件可实现机台的速度和位移控制，实时显示当前的压力数据、位移数据、力量及位移峰值。断点停机控制、定荷重控制、定位移控制、力量保持控制、自动回归控制等控制和测量方式。具有统计查询功能研究，记忆最近10次／个同一批次试样测试结果(力量、位移)，统计、查询每次测试结果。试验机软件实现功能画面之一如图4所示。

图4 试验机软件图

　　6 结束语

　　本文从LS7266R1结构原理入手，讲述了该芯片的功能特点，使用方法。重点以LS7266R1与单片机W78E58B的硬件接口电路和软件编程设计过程为例，讲述了LS7266R1在电子式万能材料试验机中的应用方法。本文的创新点是巧妙地把力量传感器，位移传感器等机械运动状态的压力或拉力以及位置坐标，变成了电压信号和电脉冲数字信号，供A／D测量和LS7266R1计数，从而实现了对电子式万能材料试验机的测量和控制。实现独立完成材料试验控制或通过PC机串口命令完成材料试验控制方式。