一種平托盤抗壓試驗機的模塊化電控設計

蔣國文，張 翼，朱新華，汪指航

(中建材智能自動化研究院有限公司，杭州 310015)

平托盤包括紙托盤、木托盤、塑料托盤、金屬托盤、人造板托盤等，是物料堆碼、搬運的重要載體。平托盤抗壓試驗機是用于平托盤抗壓性能的專用檢測儀器，是平托盤產品質量控制的重要設備。

GB/T 4995—2014《聯運通用平托盤 性能要求和試驗選擇》規定了平托盤的產品種類和試驗內容，GB/T 4996—2014《聯運通用平托盤 試驗方法》則詳細說明了平托盤各項指標的試驗方法。在以上兩項國家標準的指導下，平托盤抗壓試驗機產業得到了長足的發展。傳統的平托盤抗壓試驗機多采用外部聯接電腦的方式進行運行控制和數據管理，但隨著生產管理需要，儀器不再是實驗室的專屬設備，環境較為惡劣的生產場所對儀器的需求大幅增加。采用嵌入式電子控制的可適用于車間等較復雜環境的平托盤抗壓試驗機成為一個可行的選擇。

該文研究了一種模塊化的、易于產品升級和功能擴展的平托盤抗壓試驗機嵌入式電控設計方案。該方案不但可以提供更高精度的傳感器數據采集能力、更精準的位置控制能力，還可以根據用戶需求提供友善的用戶交互界面、豐富的信息交互接口以及完善的數據管理功能，具有操作便利、成本較低、占用空間較小、環境適應性較強等優點。

1 方案說明

設計方案對平托盤抗壓試驗機電控部分的功能進行了整理和分割。根據功能分為與儀器基礎性能相關的數據采集和運動控制模塊，以及與產品功能相關的用戶交互和數據管理模塊。前者置于儀器內部較靠近傳感器的位置縮短傳感器到控制板的距離以降低信號干擾的影響，后者置于面板位置。兩個部分分別作為獨立的模塊完成各自的任務，通過CAN總線進行模塊間的數據交互，共同完成整體工作。該設計方案使用運算能力相對較弱同時價格低廉、穩定性高的工業級SOC芯片開發數據采集和運動控制模塊，在保證工作性能和穩定性的前提下，不會對產品功能部分造成瓶頸；使用高性價比高性能但抗干擾能力一般的SOC芯片開發用戶交互和數據管理模塊，可以提供優秀的用戶交互界面、強大的數據管理工具、完善的網絡通信協議以及豐富的外設接口，同時不會影響到儀器的基礎性能，也不易受電控信號的干擾。當原有的功能無法滿足用戶需求時，可以單獨升級該模塊，不會對產品性能以及測試結果一致性產生影響。

2 方案的技術實現

2.1 數據采集和運動控制模塊

如圖1所示，數據采集和運動控制模塊采用穩定性好抗干擾能力強的工業級SOC芯片作為核心，通過ADC和運放電路連接傳感器進行數據采集，通過SOC芯片內置的計數器連接編碼器獲取位移信息，通過SOC芯片內置的PWM模塊和外圍電路連接伺服電機驅動器控制伺服電機的動作,通過SOC芯片的I/O模塊連接限位保護裝置實現位移保護。以上設計使得數據采集和運動控制模塊可以獨立完成測試過程中的閉環控制。此外，通過SOC芯片內置CAN控制器連接CAN收發器并掛載到CAN總線，實現通過CAN總線進行模塊間數據交互。

在模塊間信息交互方面，數據采集和運動控制模塊接收的是數據請求、測試控制、壓板位移控制等指令，發送的是儀器工作狀態、壓板位置、實時采樣數據、試樣測試結果等數據。得益于CAN總線的多主通信特性，數據信息可由數據采集和運動控制模塊主動發送，也可以采用應答方式發送。

數據采集和運動控制模塊雖然主要受指令控制，但在測試過程中可在脫離外部控制的情況下獨立完成工作。即使在極端條件下失去與CAN總線上其他模塊的連接，亦可確保儀器不會因為壓力過載、行程超限等原因而損壞。

2.2 用戶交互和數據管理模塊

如圖2所示，用戶交互和數據管理模塊采用一片高性能高性價比SOC芯片作為核心，使用SRAM芯片和NAND FLASH擴展存儲容量，連接顯示屏、觸摸屏、鍵盤、打印機等設備進行與用戶的交互，還提供了豐富的數據導出接口和聯機接口。與數據采集和運動控制模塊一樣，SOC芯片通過內置CAN控制器連接CAN收發器，掛載到CAN總線實現模塊間互聯和通信。

用戶交互和數據管理模塊一方面識別用戶輸入信息并向數據采集和運動控制模塊發送指令，另一方面接收數據采集和運動控制模塊發送的數據信息加以處理，通過顯示屏、打印機向用戶輸出，并對格式化的數據進行存儲管理。

用戶交互和數據管理模塊可以根據用戶的需求擴展或修改功能，也可以通過改良硬件提高性能，而這些變動不會影響到儀器的基礎性能。

3 數據采集和信號處理

3.1 模擬電路設計

平托盤抗壓試驗機的量程上限通常需要達到100 000 N(約合10 t)及以上。通常滿量程10 t及以上的傳感器靈敏度在2 mV/V左右，當激勵電壓為5 V時，滿量程差分信號電壓值為10 mV左右，直接用于采樣過于微弱，因此需要設計高阻抗、高信噪比的放大電路進行電壓增益。為提高運放電路的信噪比，研究采用在運放前加一級單管電路構成低噪聲低偏置的JFET mos對管電路的辦法，并采用負反饋的方法抑制溫漂和參數離散化。

平托盤抗壓試驗機的分辨力通常應不大于1 N，而量程上限通常不低于100 000 N，故應選用18位及以上精度的ADC(模/數轉換器)。為保證采樣間隔足夠短，ADC的采樣速率應不低于100 SPS。該研究中，為更好地實現數字濾波，采用了采樣速率大于1 000 SPS的ADC。

3.2 信號數字濾波

數字濾波是采用程序處理的方法，對一系列數字化的采樣信號進行預處理，利用頻譜特征去除混雜在信號中的各種干擾，突出有效信號。平托盤受壓后的壓力有效采樣信號具有連續性特點，恒速壓縮測試下壓力變化速度和壓力值有顯著的相關性；干擾信號多為較低頻率的波動性干擾，在電壓穩定性較差的工作環境下可能會有尖峰型干擾。根據以上特點，該研究采用限幅平均濾波法，先根據當前壓力值、壓力變化速度和采樣數據序列對新的采樣信號數據變化幅度進行限制，然后將新的采樣信號數據加入序列(同時按照FIFO原則剔除序列中采樣時間最早的采樣數據)，再在去掉序列中最大和最小的采樣數據(不剔除出序列)后計算平均值。

4 運動控制處理

4.1 恒速控制處理流程

恒速壓縮測試法是使動壓板以恒定的速度運動，擠壓被測試樣的測試方法，是抗壓性能測試中較為常用的測試方法。恒速壓縮測試過程的軟件處理流程為SOC芯片發送控制信號給電機驅動器，使電機以指定的轉速帶動壓板運動，而連軸編碼器把電機實際轉動角度信號發送給SOC芯片以驗證實測速度是否與控制信號一致，組成一個閉環控制系統。同時，SOC芯片通過模/數轉換芯片得到傳感器測得的壓力值信號，當壓力值信號顯著下降時判定試樣被壓潰。當行程限位開關閉合時，SOC芯片控制電機停止。

4.2 應變控制處理流程

應變測試法中動壓板的速度并不是恒定的，而是根據當前壓力變化情況即時調整動壓板速度，保持以恒定的壓力增加速度直至試樣被壓潰。SOC芯片發送速度控制信號給電機驅動器，同時通過ADC得到傳感器測得的壓力值信號，通過連軸編碼器得到電機實際轉動角度信號，SOC芯片根據壓力變化和間隔時間計算加壓速度，并調整發送給電機驅動器的速度控制信號。當行程限位開關閉合時，SOC芯片控制電機停止。應變控制的軟件處理流程如圖3所示，其中A為設定的恒定壓力增加速度(通常為測試標準規定的加壓速度)，a為由相鄰兩次采樣測得的力值變化與采樣間隔時間計算得到的即時壓力增加速度。

4.3 恒載荷控制

恒載荷測試法是在指定的載荷時間內給試樣施加指定的載荷力并記錄試樣變形量的測試方法，多用于堆碼試驗，用于模擬長時間裝載一定質量貨物對平托盤的影響。SOC芯片控制電機運行使壓板對試樣施加壓力，當監控到傳感器測得的壓力值信號達到指定載荷力時停止電機，待壓力值下降到一定程度(此研究中為壓力值下降到指定載荷力的99%)時，控制電機以低速運行緩慢增加壓力至壓力值達到指定載荷力后停止，如此反復直至加壓時間達到指定的載荷時間。同時，通過計算連軸編碼器轉動的角度值，可以得到試樣的變形量。

5 基于CAN總線的模塊間通信

5.1 CAN總線概述

CAN即控制器局域網絡(Controller Area Network,CAN)，是國際上應用最廣泛的現場總線之一，使用差分信號傳輸，有較強的抗干擾和糾錯重發機制，廣泛應用于汽車、軌道交通、醫療、煤礦等行業。

5.2 硬件連接

該研究中，硬件連接遵循 ISO11898 標準的高速、短距離“閉環網絡”，在總線兩端各配置一個120 Ω電阻，各模塊通過CAN控制器和CAN收發器連接到CAN總線。這種連接模式下，當總線長度不超過40 m時通信速度最高可達1 Mb/s，很適合平托盤抗壓試驗機內部各模塊間物理距離較短、數據傳輸量較大、要求通信速度較高的特點。

5.3 軟件協議

CAN總線協議的多主工作模式使得每個模塊都可以發起數據通訊。該研究中將數據通信協議分為“詢問-答復”和“主動告知”兩類。

“詢問-答復”類型的通信為用戶交互和數據管理模塊發起的通信，除獲取數據信息外，另一個作用在于同步兩個模塊的工作狀態。用戶交互和數據管理模塊發送指令到數據采集和信號處理模塊，數據采集和信號處理模塊在收到指令后需要回送一個儀器工作狀態數據包作為應答，并按照協議規定發送數據信息。當用戶交互和數據管理模塊收到協議規定的全部數據信息后，再發送一個表示“數據接收完畢”的狀態數據包給數據采集和信號處理模塊，完成這一次的模塊間通信。

“主動告知”類型的通信則是數據采集和信號處理模塊發起的通信，主要為儀器的狀態信息，包括儀器狀態、采樣數據、位移數據、測試完成信息和異常信息(異常包括伺服電機異常信息、存儲器異常信息、限位開關觸碰信息、超量程報警信息等)。其中，儀器狀態、采樣數據、位移數據為周期性發送，為保證通信速度，不要求響應數據包；測試完成信息和異常信息則是在事件發生時發送，并要求用戶交互和數據管理模塊回送響應信息，以確保這些信息得到了有效處理。如果在一定時間內沒有響應信息，則需重新發送。

6 結 語

我國檢測儀器最早是少數科研單位和研究所使用，之后企業為加強產品品質控制在自建的實驗室里使用各種檢測儀器。如今越來越多企業為提高效率需要把檢測儀器搬到生產現場，因此對儀器的環境適應性要求越來越高。另一方面，用戶對于儀器性能和功能方面的要求也在不斷提高，不但要求精度更高數值更準確的測試結果，而且增加了對數據管理、分析、互聯方面的功能需求，同時還需要適應90后、00后等新生代操作人員的使用習慣。

該文研究的平托盤抗壓試驗機正是同時適應較惡劣工作環境和提供較完善產品功能的一種典型性儀器。該研究的設計考慮到了平托盤抗壓試驗機在各種應用場景中的不利因素，能夠滿足絕大多數用戶的實際使用需求，并兼顧了產品維護升級的便利性和成本，亦可用于萬能試驗機等類似結構的儀器設備，具有較廣泛的應用前景。