環剪儀測控系統設計與實現

萬 琦， 張瑞鵬， 段清明

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

0 引言

大型高速環剪儀主要用于巖土力學參數測定，研究地質災害滑坡、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特性，對于邊坡穩定性分析、地質災害發生的力學機理研究及其邊坡漸進式破壞過程研究等具有重要的學術意義。作為一種主要用于研究土在大剪切位移條件下力學特性的土工試驗設備，環剪儀具有其獨特的設計構造和試驗功能［1］。隨著土工試驗設備加工技術的進步，環剪儀的制造趨于大型化和高度自動化。由于在儀器的開發過程中大量采用了高精度傳感器和自動機械控制裝置，因此現代環剪儀能夠進行模擬更加復雜應力條件下的土工試驗，并能夠保證試驗結果的準確性［2］。目前，由日本京都大學防災研究所研制的大型高速高壓動荷載環剪儀可以進行應力控制、位移控制、剪切速度控制等各種條件下的環剪試驗［3］。但是隨著現代環剪儀試驗系統日益復雜化和精密化，環剪儀的制造成本和維護成本逐漸增加，所以在現有儀器基礎上進行低成本系統替換具有重要經濟價值。吉林大學現有的大型高速環剪儀的測量系統及控制系統依舊采用DOS磁盤操作系統，這對于數據采集的控制、數據結果的顯示極為不便。本文設計與實現了在Windows視窗操作系統下的環剪儀測控系統，通過對控制系統、采集系統及上位機控制顯示系統三方面的設計，實現環剪儀的控制、數據采集及數據實時顯示。應用Windows系統下的環剪儀測控系統來替換現有環剪儀DOS系統中的測量系統及控制系統具有重要經濟與實用價值。

1 系統結構

環剪儀測控系統主要包括控制系統設計、采集系統［4］設計及上位機控制顯示系統設計。即替換了原來的控制輸出部分、采集部分、數據傳輸部分和上位機記錄部分。測控系統結構圖見圖1。

圖1 測控系統結構圖

2 系統設計

2.1 控制系統設計

環剪儀的控制量為模擬電壓量［5］。上位機設定的電壓確定值經過串口輸送到電壓控制單片機中，單片機將數據輸送到4路DA中，實現模擬電壓信號［6］輸出，以控制環剪儀工作。

設計采用16位數模轉換芯片，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 采集系統設計

由于外電路輸入的電壓是傳感器實際采集數據的電壓信號，所以采集時應經過電壓跟隨器使電壓能夠穩定的輸入到后續電路中。實際信號幅值可能比較大，超出AD轉換范圍［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轉換器的數據采集系統中，通常用模擬開關將多路被測信號分時送到AD轉換器進行轉換。

環剪儀共有6個傳感器采集不同數據需要儲存并顯示。實際工作時多個傳感器輸出信號通過模擬開關，使得信號依次循環輸送到AD中，雙通道AD采集芯片進行分時工作，將數字信號傳輸到數據采集單片機［8］中，單片機應用串口將數據上傳到上位機中。采集系統［9］結構如圖2所示。

圖2 采集系統結構

2.3 上位機控制顯示系統設計

上位機控制顯示系統包括控制電壓輸出部分和數據存儲成圖［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據，可以清晰判斷參數變化趨勢。

上位機程序在LabVIEW環境［11］中開發，由于使用串口通信，所以要設定通訊口、是否有校驗位、波特率以及數據位數參量。

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變為現在的雙極性±5 V范圍。輸出的模擬電壓信號［12］可用示波器顯示。這樣的轉換范圍可以滿足環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［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。上位機數據采集顯示界面見圖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可轉換的信號電壓范圍選－5～+5 V、－10～+10 V，這可以滿足環剪儀傳感器的采集需求。AD采集數據有4位精度，精確到mV數量級，可以滿足實際要求。

圖5 上位機數據顯示界面

4 結語

整體測試結果表明，設計與實現的環剪儀控制系統、采集系統、上位機控制顯示系統能夠代替原有的環剪儀系統測試控制部分，實現測控系統的應用要求。通過整體測試也能驗證設計的環剪儀測控系統具有快速、高效、穩定的工作模式，符合環剪儀工作的實際要求。

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