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开题报告
毕业设计(论文)开题报告
机电与信息工程学院电气工程与自动化专业
课题名称:
基于ARM的多通道试验数据
采集系统——数据采集部分
毕业设计(论文)起止时间:
2008 年 2月 16日~ 6月 14日(共 18 周)
学生姓名:
学号:
指导教师:
报告日期:
2008年3月16日
1、本课题所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述
我的毕业设计所涉及的问题是基于ARM的实验材料机中的数据采集。
材料试验机是检测材料及其制品在各种环境和模拟状态下的机械性能、工艺性能、结构抗振强度以及材料与构件内外表面缺陷的重要科学测试仪器与设备。
它广泛应用于交通运输、冶金建筑、汽车、宇航与造船以及国防科技、高等院校等国民经济的各个领域和部门。
材料试验机作为一种精密测试设备,对于材料科学的快速发展、工业产品和工程结构的合理设计、有效地使用材料、改进工艺、减小产品的体积和重量、提高产品质量,以及保证安全可靠和提高使用寿命等,都具有极其重要的作用[]ll2]。
第一台材料试验机诞生在Sl世纪的法国,经过几个世纪的发展,特别是进入上个世纪70年代,随着电子与信息技术的发展,试验机的面貌发生了翻天覆地的变化。
目前国际上普遍认可的英国NISTRON公司和日本岛津公司的产品体现着试验机行业的先进技术水平。
[10]
以往国外生产的万能试验机主要包括机械式、液压式和电子式三种。
七十年代初期又发展了电液伺服万能试验机。
机械式万能试验机的生产,己处于停滞状态。
液压式万能试验机,仍在成批生产,其控制系统主要分电液伺服式和电液比例式两种类型。
而电子万能试验机是近年来发展较快的一种万能试验机。
其发展初期,主要采用电子测力装置以及控制横梁作等速运动。
目前国外生产的电子万能试验机,大多可以控制横梁移动的速度、加荷率和应变率。
后两项是现代材料试验所需要的,也是机械式、液压式和旧式电子万能试验机所不具备的两种非常有用的测试功能。
国外电子万能试验机经过四十多年的发展,先后推出了四代产品,即第一代为电子管与晶体管时代,第二代为集成电路模拟时代,第三代为数字时代,第四代为计算机时代[13]。
比较有代表性的厂家有英国的英斯特朗公司和日本的岛津制作所。
英斯特朗公司的第一代产品是1110系列,第二代产品为1190系列,第三代产品为noo、6000系列,第四代产品是4500系列(精密型)和40以)(4200、4300)系列(标准型)。
岛津制作所的第一代产品是SI系列,第二代产品是DSS系列,第三代产品是AG一A、B、C系列,第四代是AG一E系列。
国外电子万能试验机的发展也推动着我国电子万能试验机的发展,在六十年代,我国最早开发的电子万能试验机是由长春试验机研究所开发的定型产品WD系列,先后移植给宁夏青山试验机厂、广州试验仪器厂。
但是由于我国在工艺设备手段、元器件品种质量、开发设计的技术水平等多方面条件制约,我国在这种技术复杂、质量要求高的高科技产品的开发与研制方面与国外有较大差距。
目前,电子万能试验机是一种先进的用户极易操作的精密万能试验机,它利用计算机经调速系统控制伺服电机转动,经减速系统减速后通过滚珠丝杠副带动移动横梁上升、下降,完成试样的拉伸、压缩、弯曲等力学性能试验。
在试验过程中,材料的力学指标是通过计算机显示出来的,由于试验机系统的惯性很小,基本上可以忽略不计,所以测出来的力学指标和材料的实际指标要更接近一些。
此外,与传统的液压万能材料试验机相比,电子万能试验机具有体积小,示值精确度高、使用微机操作、试验速度控制准确可靠、自动记录绘图及打印试验数据等优点,因此这种试验机普遍受到用户的好评,而且也必将成为今后试验机发展的一个总的趋势。
电子万能试验机惯性小,精度高,加载力范围大。
[10]大部分都是采用定制的专用集成电路或者用DSP的方式来进行系统硬件的配置,以专用集成电路的控制器,通过各生产厂家另配计算机及试验软件与其通讯的疲劳试验机。
使控制器有着较高的控制精度,稳定性及智能性,但其结构复杂,价格昂贵,对国内用户还存在着维护,维修等售后服务的困难,虽然目前还有大部分厂家在控制器上用DSP,因为DSP有着之前出现的处理器所不具备的优点,其在数据处理和高运行速度上的优势具有很大的优势,但随着嵌入式处理器的发展,这些优势完全被ARM,MIPS,或者PowerPC等目前比较流行的处理器所取代。
[8]
目前比较常用的嵌入式微处理器有:
ARM,PowerPC,MIPS等。
其中ARM处理器成本低,功耗低,功能强,在中低端便携式设备应用领域得到了广泛的使用。
ARM是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。
ARM微处理器有三大特点:
小体积、低功耗、低成本而高性能;16和32位双指令集;全球众多的合作伙伴。
目前,采用ARM技术知识产权(PI)核的微处理器,即我们通常所说的ARM微处理器,已遍及工业控制及仪表、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场,基于ARM技术的微处理器应用约占据了RISC微处理器75%以上的市场份额,ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方目前,ARM微处理器及其技术的应用几乎已经深入到各个领域1.工业控制领域:
作为32位的SC架构,基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额。
2.无线通讯领域:
目前己有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术,ARM以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。
3.网络应用:
随着宽带技术的推广,采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。
此外,ARM在语音及视频处理上进行了优化,并获得广泛支持。
4.消费类电子产品:
ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒、数码相机及游戏机等中得到广泛采用。
除此以外,ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域,并会在将来取得更加广泛的应用。
本课题基于ARM的材料试验机能很好的完成载荷及变形信号的采集、数据的处理与分析,且利用液晶显示器来实时绘制载荷-变形曲线,并且可进行存储数据,结果检测等功能,且综合性能比较高,具有很好的发展前景和市场使用价值。
2、设计(论文)要解决的问题和拟采用的研究方法
整个流程如下图所示。
首先是从试验机中传感器的电压信号采集,经过信号调理电路,输入A/D芯片数模转换;然后利用I2C总线接口将信号输入ARM系统;最后在ARM系统内部实现数据的显示和储存。
后续还可以输出信号,进行开放性的扩展,例如加上信号的判别、分析,用来控制信号灯或照相机等,以此来完善实验机的功能。
本毕业设计主要包括以下几个问题:
2.1试验机工作原理
电子万能试验机系统利用控制器,经直流电机伺服单元控制电机运转,经精密减速器减速后,通过反齿隙游移螺帽由电机带动双螺旋丝杠副,驱动动横梁上下移动,从而实现对试样的加载过程,完成试样的拉伸、压缩等力学性能试验.当做拉力试验或者其它试验时,由于试验机负荷传感器与试样在同一轴线上,试样所受的力与负荷传感器相同,使贴在传感器弹性体上的电阻应变片所组成的测量电桥失去平衡,电桥产生一个弱小的不平衡电压输出.该电压在一定范围内与作用力的大小呈线性正比例关系.而试样在负荷作用下引起的变形量则一般通过电子引伸计测量获得.负荷传感器和电子引伸计输出的小信号都经测量单元放大处理后,送给控制器进行数据处理,实现对各种材料的力学性能测试[14].
2.2、确定以ARM为核心的试验机,充分发挥ARM的优点
试验机设计方案主要有两种:
一种是以采用单片机为核心的技术方案,另一种是以现代通用CP微机为核心的技术方案。
第一种方案即是采用现代嵌入式单板微机结构,综合集成微电子技术,使之外形紧凑但是具有完整的计算机功能,甚至有的还具有丰富的联网测控功能,使用方便、功能齐全。
第二种方案即是利用现代PC微机的系列总线技术(如使用比较广泛的siA总线、CPI总线等),设计基于试验机系统的专用数据采集卡且安装于PC微机的主机插槽中。
它实际上是采用基于sIA总线或CPI总线等的万能试验数据采集卡和虚拟控制器软件,利用现代个人计算机和Windows系统,实现微机自动控制。
这种CP系统适合那些需要全自动微机控制试验过程或者强大数据处理能力的用户。
本测控系统的设计主要是采取第一种方
案,即以32位嵌入式微处理器ARM为核心,充分利用ARM芯片内部所集成的丰富资源,将万能试验机测控系统设计成简单、便携的测量与控制仪器。
和个人计算机相比,嵌入式微处理器ARM具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点;而相对于以往的8位单片机,32位嵌入式微处理器ARM不仅具有更为丰富的片上外设资源,而且有更强的实时性。
2.3、A/D芯片的选择与应用
在多路高速采样设备中,A/D芯片选用的恰当与否直接影响系统整体性能。
随
着数字信号处理技术的快速发展,对信号采集前向通道的器件要求也不断提高,
对器件的采样分辨率、采样速度以及采样通道数等参数的要求越来越严格。
根据
本系统的要求,通过广泛查找和选择,我们选定AD1110作为模数转换芯片。
ADS1110是精密的连续自校准模/数转换器,带有差分输入和高达16位的分辨率。
封装为小型SOT23-6片内2.048V的基准电压提供范围为+-2.048V的输入差分电压。
ADS1110使用可兼容的I2C串行接口。
在2.7V至5.5V的单电源下工作
ADS1110可每秒采样15、30、60或240次以进行转换。
片内可编程的增益放大器PGA提供高达8倍的增益,并且允许以高分辨率对较小的信号进行测量。
在单周期转换方式中ADS1110在一次转换之后自动掉电,在空闲期间极大地减少了电流消。
ADS1110为需要高分辨率测量的应用而设计。
在这种应用中,空间和电源消耗是首要考虑的问题,典型应用包括便携式仪器,工业过程控制和小型发送器。
3、本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路
我的毕业设计要解决的问题是基于ARM的多通道数据采集系统,主要完成采集部分的工作。
3.1、信号调理电路
信号调理电路是指为了使整个电路系统电气联系相互匹配,信号稳定可靠而设计的系统协调处理电路。
信号调理电路实现了将传感器输出的mV级电压信号转换成A/D转换器可以处理的电压信号的功能。
目前已经有了做好的采集器,包含了其中的信号放大、低通滤波电路。
只需要做的是将它的输出电压范围±20V转换为A/D芯片所支持的±2.048V。
通过学习与应用掌握Protel软件,完成电路设计。
3.2、I2C接口以及底层驱动程序的编写
I2C(inter-integratedcircuit)总线,是由菲利浦公司开发的一种同步串行总线协议,用于连接微控制器及其外围设备。
最初是为音频和视频设备开发的,如今I2C在各种电子设备中得到了广泛的应用。
嵌入式系统中常常使用这个总线连接RAM、EEPROM以及LCD控制器等设备。
IIC总线因为协议成熟、引脚简单、传输速率高、支持的芯片多,并且有利于实现电路的标准化和模块化,得到了包括Linux在内的很多操作系统的支持,受到开发者的青睐。
Linux内核中针对I2C的总线特性,其设备驱动使用了一种特殊的体系结构。
开发I2C总线设备驱动程序就必须理解Linux的I2C总线驱动的体系结构。
I2C总线是由数据线(SDA)和时钟(SCL)构成的同步串行总线,可发送和接收数据。
主要用于在处理器与被控芯片之间、芯片与芯片之间进行双向传送。
各种被控制电路均并联在这条总线上,每个电路和模块都有惟一的地址。
在信息的传输过程中,I2C总线上并接的每一模块既是主控设备或被控设备,又是发送器或接收器,这取决于它所要完成的功能。
主控设备发出的控制信号分为地址码和控制量两个部分:
地址码用来选址,即选择需要的控制电路,确定控制的种类;控制量决定该调整的类别及需要的数值。
这样就保证了各控制电路虽然挂在同一条总线上,却彼此独立,互不影响。
I2C总线在传送数据过程中共有3种类型信号,它们分别是开始信号、结束信号和应答信号。
I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。
由于接口直接在组件之上,因此I2C总线占用的空间非常小,减少了电路板的空间和芯片管脚的数量,降低了互联成本。
总线的长度可高达25英尺,并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。
I2C总线的另一个优点是,它支持多主控(multimastering),其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。
一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。
当然,在任何时间点上只能有一个主控。
ADS1110通过一个I2C(内部集成电路)接口通信。
I2C接口是一个2线漏极开路输出接口,支持多个器件和主机共用一条总线。
通过将I2C总线上的器件接地,只会使总线处于低电平,这些器件不能驱动,总线到高电平,故而,总线要通过上拉电阻拉高,因此,在没有器件使总线变低时,总线处于高电平。
这种方法可使两个器件不发生冲突,如果两个器件同时驱动总线,则驱动器不会发生冲突。
I2C总线上的通信通常发生在两个器件之间。
其中一个作为主机,另一个为从机。
主机和从机都能读和写。
但从机只能依主机的方向工作。
一些I2C器件既可作为主机又可作为从机。
但ADS1110只能作为从机。
一条I2C总线由两条线路组成SDA线和SCL线。
SDA传送数据,SCL提供时钟。
所有数据以8位为一组通过I2C总线传送。
为了在I2C总线上传送1位数据,须在SCL为低电平时驱动SDA线至适当的电平。
SDA为低则表明该位为0,为高则表明该位为1。
一旦SDA线稳定下来,SCL线被拉高,然后变低,SCL线上的脉冲以时钟将SDA位一位一位地移入接收器的移位寄存器中。
I2C总线是双向的:
SDA线可用来发送和接收数据。
当主机从从机中读取数据时,从机驱动数据线。
当主机向从机发送数据时,主机驱动数据线。
主机总是驱动时钟线。
ADS1110绝不会驱动SCL,因为它不能用作主机。
在ADS1110中,SCL只是一个输入端。
学习ARM板所带的说明指导书中的参考驱动程序,掌握其原理。
使用PB5.0软件,完成本驱动的编写。
4、完成本课题所必须的工作条件(如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等)及解决的办法
4.1、硬件设备包括:
ARM开发板PX270D,AD芯片(待选购),制作的电路板
4.2、软件工具包括:
Protel,PlatformBuilder(PB5.0),EVC4.0,VS2005
系统软件定制WindowsCE5.0
4.3、学习的书籍:
何宗键.WindowsCE嵌入式系统.北京:
北京航空航天大学出版社.
汪兵等.EVC高级编程及其应用开发.北京:
中国水利水电出版社.
4.4、参阅的论文:
[1]项雷军,郑力新.基于ARM的万能材料试验机控制器[J].北京:
机械与电,2007
(2):
23-25
[2]杨保亮,蒲 琪,代祥俊.基于TMS320F2812的材料试验机数据采集系统[J].北京:
现代电子技术,2007(17):
122-125
[3]季厌浮.液压万能材料试验机智能载荷采集系统的研究[J].北京:
煤矿机械,2006,27
(1):
132-135
[4]方文华.GYL-50型高速冲击试验机数据采集系统的改进[J].北京:
中国计量2008(3):
82-85
[5]黄猛,何秀军.万能材料试验机应用智能载荷采集[J].北京:
机械工程师2008(12):
15-17
[6]刘 森,慕春棣,赵明国.基于ARM嵌入式系统的拟人机器人控制器的设计[J].北京:
清华大学学报(自然科学版).2008,48(4):
482-486
[7]唐义号,杨建国,罗国仁,王永贵.复合材料冲击试验机的研制及相关试验[J].北京:
直升机技术,2008(4):
48-50
[8]王国锋.基于ARM的疲劳试验机数字控制器的研究[M].北京交通大学.2008.6
[9]杨卫辉.液压万能试验机数据采集系统研究与设计[M].吉林大学.2006.5
[10]项雷军.基于ARM的万能材料试验机测控系统的研究[M].浙江工业大学.2005.4
[11]肖祥云.基于ARM平台的存储卡系统设计与实现[M].电子科技大学.2008.4
[12]李林,郭翠霞.基于PLC和组态软件的拉力实验机测控系统设计[J].控制与检测.2006(8):
58-60
[13]第一机械工业部长春材料试验机研究所编.材料试验机和无损检测仪器[M].北京:
第一机械工业部技术情报所出版.1989.1-17
[14]杨宗英.万能材料试验机测量系统分析和设计[J].航空制造工程.1997(11):
37-38
5.设计(论文)完成进度计划
5-6周:
调研,资料检索,阅读相关书籍,完成开题报告
7-10周:
A/D芯片选型,电路设计与制版,熟悉ARM平台与软件界面
10-15周:
数据显示与底层驱动的编写,实验与调试
15-17周:
收集资料书写毕业论文
6.指导教师审阅意见
指导教师(签字):
年月日
7.系主任意见
系主任(签字):
年月日
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