一种新型电子拉力机系统的设计与实现

解涑转，李 杰，王欣伟

（1.国网山西省电力公司运城供电公司，山西 运城 044000；2.国网山西省公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

一种新型电子拉力机系统的设计与实现

解涑转1，李 杰2，王欣伟2

（1.国网山西省电力公司运城供电公司，山西 运城 044000；2.国网山西省公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

介绍了一种新型的电子拉力机，分析了系统硬件工作原理与软件结构。在原来机械结构的基础上，增加单片机控制模块来完成数据采集与控制。该系统能够满足拉力测试的要求，可操作性强，便于进行数据分析和质量管理，能够大幅度提高生产检验的准确性和生产效率。

电子拉力机；系统设计；数据采集

拉力测试系统在电力行业对电力金具机械试验中得到了广泛应用，在一定程度上可以代替人工操作，提高相关工具和材料的检验检测水平。但目前市面上的拉力机都是针对特定应用需求进行设计的，是具有特定功能的个体，其自动化水平较低，在具体应用上存在很多局限，主要表现在以下几个方面：自动化水平低，在试验过程中需要工作人员进行干预，浪费大量的时间和精力，实时性也较差；试验检测的结果单一，试验结果很难进行量化，往往只能给出一个简单的结论，缺乏对试验结果的定性分析。

1 系统设计

针对拉力机存在的一些问题，本文设计了一种新型电子拉力机系统，在尽量保持原来机械结构的基础上，增加微处理器控制模块，来完成数据采集与控制，系统结构如图1所示。

图1 电子拉力机系统图

电子拉力机系统主要由两部分组成：传统拉力机机械构造部分和微处理器控制模块。机械构造部分分为加力系统和测力系统，其中如何对测力系统完成自动化操作是设计的关键，拉力测试系统结构图如图2所示。

图2 测试系统结构图

从图2中可以看出，系统通过传感器和数据采集模块将拉力转换为电信号，并进行放大和滤波等预处理。微处理器控制模块用来完成数据采样量化、试验控制、信息分析存储等功能。最后通过串口通讯，将存储的分析结果进行实时显示。

2 系统的硬件实现

为了使传统拉力机具有自动化功能，需要对相关的机械结构部分进行改造，改造主要涉及以下部分。

a）根据具体应用情况配置放大倍数合适的A/D转换器，转换完成后通过信号处理模块对得到的信号进行滤波、平滑处理。可以选用12位逐次快速逼近型A/D转换器，例如采用AD1674，该芯片内置三态输出缓冲电路，可直接与微处理器相连，并且该芯片含有高精度时钟电路，可以在不需要外部时钟和电路的情况下完成A/D转换。

b）选择精度高、性能好的传感器。如可以选用恒压电桥类电阻应变式传感器，该类传感器具有线性好、精度高等优点，输出直流电压信号。

c）信号放大电路的设计。采用二级放大的方式。第一级采用差分电路，第二级采用加法电路。这样设计可以放大电路具有高共模抑制比，获得较高的输入阻抗，漂移小，对微弱电压也十分敏感，特别适合与传感器搭配使用。硬件设计框图如图3所示。

恒压传感器桥由4个应变电阻组成，其阻值随所受力的变化而变化，能够使电桥输出1个正比于力的电压信号，经放大电路处理后送入A/D转换器，用2个寄存器保存转换结果高8位和低4位，通过数据总线送入微处理器内部。

微处理器控制模块是系统设计的关键，需要处理的技术问题包括以下部分。

a）采样周期。采样周期的选取影响到采样数据的精度和测试曲线的变化。通过采用软件控制的方法，可以根据位移精度和试品的变形速度动态的计算采用周期。

b）消除由于零点漂移而带来的误差。在实际具体操作过程中，系统电路会不可避免地产生零点漂移，造成采样误差。我们可以通过增加重采样输入电路，消除零点漂移。

c）为了实现程序和数据存储功能，可以采用存储芯片2764和6264分别扩展作为外部程序存储器和外部数据存储器。

3 系统的软件实现

图3 硬件设计框图

系统的软件设计框图如图4所示。在数据采集过程中有个值得注意的问题，就是由于信道中干扰信号的存在，对于缓慢输入的拉力信号，如何进行准确采集。虽然在硬件设计环节已经采用滤波器对采用信号进行了模拟滤波，但仍不能保证将干扰信号全部去除。为此，在软件设计环节采用动态数据在线滤波算法来提高信噪比，采用最大值检测方法进行数据提取，以进一步减少采样数据误差，保证采样数据的准确性和实时性（见图5）。

在软件的具体实现上，根据微处理器的不同选型可以有不同的实现方法。如果选用单片机，则采用高级语言C51实现程序，应用MPLAB、KEIL C51完成程序编译。或者选用ARM直接构建片上系统，例如Freescale系列的高性能处理器，直接采用厂家提供的BSP开发包搭建开发环境，C语言实现程序功能，GCC通用编译器进行程序编译。两种方式都可以直接将算法程序编译后，烧录到外部程序存储器，提高软件设计效率。

根据传感器具体采集速率来选择数据的传输方式。数据传输方式有软件触发、中断和DMA。如果传感器的采集速率在每秒几千字节之内，可以用软件触发和中断的方式实现。如果采集速率要求比较高，则采用DMA直接完成数据传输，不需要CPU参与。采集得到的数据可以先存入自带FIFO缓冲区，经过DMA数据传输直接完成对采样数据的保存。

图4 测试系统结构图

图5 A/D转换子程序

4 系统程序设计

系统程序设计主要包括串口数据通信、拉力函数的实现和拉力数据的实时显示。串口通讯主要是编写串口函数实现与试验系统的通讯，包括完成串口扫描，波特率的设置等。拉力函数主要是通过确定受力与采样数据之间的关系，通过函数关系得出具体的拉力值用于实时显示。拉力数据的实时显示通过定时器或者软件中断来完成。目前的微处理器都提供多种精度的定时器，利用定时器每隔一段时间发送一条消息，系统捕获消息就调用拉力函数读取数据并进行显示。软件中断的原理类似，系统通过捕获中断信号，调用与其相关联的中断处理函数完成数据的实时显示。

5 具体应用

架空导线在入网挂线前，按照相关要求，需进行力值测试试验。新入网的架空导线进行力值测试时，导线一般采用钩挂式固定，因此必须在测试导线两端压接耐张线夹，以便于导线的钩挂和固定，测试结构如图6所示。

图6 测试结构示意图

在力值测试试验时，首先利用液压夹具对架空导线进行固定，通过电子拉力机的控制可以使液压夹具压力值保持在7 000 N/cm2的力值，保证导线和液压夹具连接可靠稳定。液压夹具的开合都由液压控制泵控制，不同规格的导线其拉力试验值也不同，通过电子拉力机控制液压控制泵来调节液压夹具的力值，从而避免了夹具对导线的损伤，保证了试验数据和试验结果的稳定可靠。

通过电子拉力机控制液压控制泵1和液压控制泵2将架空导线压紧，即可进行导线拉力试验，试验完成后，控制液压控制泵1和液压控制泵2进行松弛，全部试验完成。

The Design and Realization of a New Type of Electronic Tensile M achine

XIE Suzhuan1，LI Jie2，WANG Xinwei2
（1.State Grid Yuncheng Power Supply Company of SEPC，Yuncheng，Shanxi 044000，China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

In this paper，a new type of electronic tensilemachine is introduced.Theworking principle of hard-ware and software structureof the system are analysed.On thebasisof theoriginalmechanicalstructure，themicrocomputer controlmodule isadded to the electronic tensilemachine to complete the data acquisition and control.Itisproved that the system canmeet the requirementsof tensile testing system and carry outdataanalysisand qualitymanagementeasily.Thismachine can greatly improve the accuracy and production efficiency of the production test.

electronic tensilemachine；system design；data collection

TP358

B

1671-0320（2015）05-0025-03

2015-07-04，

2015-08-11

解涑转（1971），女，山西运城人，1999年毕业于华北工学院电气工程专业，工程师，从事输变电设备电气性能检测、诊断工作；

李 杰（1985），男，山西长治人，2013年毕业于北京科技大学控制科学与工程专业，博士，工程师，从事变电设备试验及控制理论研究工作；

王欣伟（1979），男，山西阳泉人，2009年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，硕士，工程师，从事配电线路研究工作。