嵌入式系統(tǒng)在液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

虞躍凌　胡瀟寅　康張宜/ 1.上海交通大學(xué)；.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

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嵌入式系統(tǒng)在液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

虞躍凌1,2胡瀟寅2康張宜2/ 1.上海交通大學(xué)；2.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

摘要新建5 MN液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)了液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的力值砝碼加卸載系統(tǒng)。利用嵌入式系統(tǒng)控制力值砝碼加卸載系統(tǒng)，從而滿足了對(duì)力傳感器或標(biāo)準(zhǔn)測力儀的特殊檢測要求，提高了力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作效率。

關(guān)鍵詞力值砝碼；加卸載系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

0　引言

在研制5 MN液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)時(shí)，利用液壓分流穩(wěn)壓保載原理，研發(fā)出一種新型自平衡液壓油缸專利技術(shù)。采用這種自平衡液壓油缸技術(shù)，改變了原先標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼依次加卸載的傳統(tǒng)工作方式；利用嵌入式系統(tǒng)，通過自由組合力值砝碼實(shí)現(xiàn)最佳的加卸載方式，大大提高了工作效率。

1　工作原理

液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)作為國家的基標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，是一種高準(zhǔn)確度等級(jí)的力值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，在量值傳遞系統(tǒng)中發(fā)揮著極其重要的作用。液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作原理如圖1所示。

圖1　液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作原理

砝碼（1）加載在測力活塞（2）上，使測力油缸（3）內(nèi)液體產(chǎn)生壓力，其壓力通過油管（4）傳遞到工作油缸（5）內(nèi)，使工作活塞（6）產(chǎn)生的力作用到被檢測力儀（7）上。

2　傳統(tǒng)液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)工作時(shí)存在的問題

傳統(tǒng)液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作方式是，按照砝碼排列順序依次加卸載。為了擴(kuò)展力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的測量點(diǎn)，會(huì)采用兩組大小不同的標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼組。F1作為初載荷，其產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)力值等于一級(jí)小砝碼產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)力值，F(xiàn)1與小砝碼組相加所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)力值等于一級(jí)大砝碼產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)力值；F1加上大、小砝碼組相加所產(chǎn)生的力值等于該力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的測量上限。

初載荷F1可用式（1）表示：

式中：F1—— 初載荷，kN；

W0—— 測力活塞及其砝碼加卸載機(jī)構(gòu)中的掛鉤、托盤等裝置的自重，kN；

W1—— 工作活塞及其上面的工作臺(tái)等的自重，kN；

W2—— 被檢測力儀的自重，kN；

h —— 工作活塞底面距測力活塞底面的高度差，mm，即工作時(shí)的動(dòng)態(tài)平衡位置；

r —— 工作油的比重，kN/cm3；

S1—— 工作活塞的有效面積，cm2；

S2—— 測力活塞的有效面積，cm2

工作活塞及其上面的工作臺(tái)等的自重W1達(dá)幾十千牛，而正是由于W1的存在，使用傳統(tǒng)的液壓技術(shù)無法平衡掉這么大的W1，所以由式（1）可知，對(duì)于液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)來說，不可避免地產(chǎn)生了一個(gè)初載荷F1。由于初載荷F1的存在，液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在檢定/校準(zhǔn)工作中帶來了以下問題：

1）被檢測力儀的自重W2一般是通過調(diào)整液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作活塞底面距測力活塞底面的高度差h來進(jìn)行平衡的。被檢測力儀自重W2的變化范圍很大并且無法控制，因此每次平衡的位置都不一樣。在大多數(shù)情況下，W2都會(huì)超出液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的自平衡范圍，因此需要通過在測力活塞上另加小砝碼來進(jìn)行平衡。所以，在實(shí)際工作中，需要對(duì)每一臺(tái)被檢測力儀進(jìn)行稱重，通過計(jì)算得到需要配重的小砝碼數(shù)值，由此增加了檢定的工作量。

2）當(dāng)被檢測力儀的測量范圍接近力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的滿量程時(shí)，由于初載荷F1的存在，只能按照砝碼排列順序從小到大依次加卸載，大大降低了工作效率。

3　新型自平衡液壓技術(shù)的采用和標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

如果可以設(shè)法消除初載荷F1的話，那么以上問題迎刃而解。液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作原理完全符合經(jīng)典的帕斯卡原理，其公式轉(zhuǎn)變?yōu)槭剑?）：

在籌建5 MN液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)時(shí)，針對(duì)初載荷F1做了大量的試驗(yàn)工作，力圖解決這個(gè)問題。隨著近年來液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，本項(xiàng)目利用液壓分流穩(wěn)壓保載原理，研發(fā)出一種新型自平衡液壓油缸技術(shù)。通過反復(fù)試驗(yàn)測試，利用該新技術(shù)制造的工作油缸及活塞系統(tǒng)完全可以自動(dòng)平衡重達(dá)幾十千牛的W1，并且其液壓缸的靈敏度、穩(wěn)定性以及油缸泄漏性都完全符合設(shè)計(jì)要求，取得了滿意的效果。而被檢測力儀自重W2相對(duì)于W1的自重，極限最大值也只有W1的10%，所以，在自動(dòng)平衡W1的同時(shí)，也可以將被檢測力儀的自重W2一并平衡掉。

由于初載荷F1可以被平衡掉，即可改變?cè)葮?biāo)準(zhǔn)力值砝碼依次加卸載的傳統(tǒng)工作方式，利用嵌入式系統(tǒng)，通過自由組合力值砝碼實(shí)現(xiàn)最佳的加卸載方式，大大提高工作效率。

4　力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼加卸載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

嵌入式操作系統(tǒng)采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。內(nèi)核只提供基本的功能，如任務(wù)的調(diào)度、任務(wù)之間的通信與同步、內(nèi)存管理、時(shí)鐘管理等。其他的應(yīng)用組件，如網(wǎng)絡(luò)功能、文件系統(tǒng)等均工作在用戶態(tài)，以系統(tǒng)進(jìn)程或函數(shù)調(diào)用的方式工作。因而系統(tǒng)都是可裁減的，用戶可以根據(jù)自己的需要選用相應(yīng)的組件。

嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對(duì)象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、任務(wù)設(shè)計(jì)和任務(wù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。砝碼控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能是基于ARM9 的控制系統(tǒng)，主要包括ARM9 核心控制模塊，LCD 觸摸屏模塊和砝碼加、卸載的動(dòng)作控制，另外還有砝碼位置的反饋檢測，出錯(cuò)報(bào)警及急停裝置和電源等模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。

圖2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型

其中ARM 是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，通過LCD觸摸屏及計(jì)算機(jī)收發(fā)控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)砝碼系統(tǒng)的加、卸載動(dòng)作的準(zhǔn)確監(jiān)控。

系統(tǒng)的具體功能包括：

1）砝碼加載及卸載動(dòng)作控制：根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置要求，通過光電位移傳感器準(zhǔn)確高效地對(duì)相應(yīng)的砝碼完成加載或卸載的動(dòng)作。

2）整個(gè)裝置的監(jiān)控：對(duì)所控制的砝碼系統(tǒng)進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)置和工作狀態(tài)的反饋檢測。

3）報(bào)警及急?？刂蒲b置：當(dāng)檢測到砝碼系統(tǒng)的異常動(dòng)作時(shí)自動(dòng)報(bào)警，可能造成整個(gè)裝置嚴(yán)重?fù)p壞和故障時(shí)自動(dòng)停機(jī)，確保設(shè)備安全。

系統(tǒng)硬件中的核心部件ARM9采用三星公司的S3C2440微處理器。S3C2440 是一款高性能32 位RISC 微處理器，采用了ARM920T 的內(nèi)核，0.13 μm 的CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元，最高主頻可以達(dá)到400 MHz，提供多款液晶屏配置。ARM920T 實(shí)現(xiàn)了MMU，AMBA BUS 和Harvard 高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16 kB指令Cache和16 kB數(shù)據(jù)Cache，每個(gè)都由具有8 字長的行組成。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，無需配置額外的組件，從而減少整體系統(tǒng)成本，為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。

根據(jù)5 MN液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，測量范圍為50 kN~5 MN，在標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼的組合方式上，改變傳統(tǒng)的大、小兩套砝碼組的組合方式，采用三套砝碼組形式。新型的力值砝碼組合方式在測量范圍內(nèi)是針對(duì)常見被檢測力儀或力傳感器的規(guī)格而設(shè)置的。具體砝碼規(guī)格和可實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)力值如表1所示。

表1　標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼組組合表

1）工作效率提高，故障率降低

結(jié)構(gòu)改變后，就不需要從小砝碼組開始加載，縮短了加載時(shí)間，提高了工作效率。在最常見的1 000 kN、2 000 kN和3 000 kN的檢測過程中，由于減少了小砝碼組的加載數(shù)量，整個(gè)液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的動(dòng)作減少，在實(shí)現(xiàn)工作效率提升的同時(shí)，也降低了液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)故障的概率。

2）避免了標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼加卸載過程中的“逆程”現(xiàn)象

傳統(tǒng)的液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是按順序依次加卸載標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼的，比如一臺(tái)2 MN的液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值的情況如表2所示。

表2　2 MN液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼組合方式及實(shí)現(xiàn)力值

根據(jù)表2可知，在檢定完200 kN后檢定300 kN時(shí)，就必須要卸載二級(jí)小砝碼，再加載一級(jí)大砝碼才能實(shí)現(xiàn)300 kN，并且對(duì)于檢測如500 kN、700 kN、900 kN、1 100 kN、1 300 kN、1 500 kN、1 700 kN、1 900 kN等測量點(diǎn)時(shí)都不可避免地出現(xiàn)大小砝碼組倒換情況。而根據(jù)規(guī)程JJG 144 - 2007 《標(biāo)準(zhǔn)測力儀》要求，在進(jìn)程檢定時(shí)，必須按負(fù)荷遞增順序逐級(jí)進(jìn)行檢定；在回程檢定時(shí)，必須按負(fù)荷遞減順序逐級(jí)進(jìn)行檢定。傳統(tǒng)的液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)就會(huì)出現(xiàn)“逆程”現(xiàn)象，無法完全滿足規(guī)程要求。

3）擴(kuò)展了測量點(diǎn)

通過算法，進(jìn)行排列組合，實(shí)現(xiàn)在整個(gè)測量范圍內(nèi)以50 kN為間隔的測量點(diǎn)進(jìn)行檢測，可以實(shí)現(xiàn)如2 050 kN、3 650 kN等特殊點(diǎn)的檢測，從而滿足客戶對(duì)力傳感器或測力儀的特殊檢測要求。

5　結(jié)語

控制系統(tǒng)的核心問題是在避免“逆程”現(xiàn)象的前提下，如何使力值砝碼的加卸載動(dòng)作最少，從而實(shí)現(xiàn)砝碼加卸載系統(tǒng)在最短時(shí)間內(nèi)完成檢測工作，實(shí)現(xiàn)工作效率的最大化。

隨著科技的不斷進(jìn)步，嵌入式控制的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)進(jìn)一步拓展。隨著研究和探索的不斷深入，對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)的使用將越來越成熟，因此必將在今后的課題研究中帶來不可限量的影響。

參考文獻(xiàn)

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The application of embedded system in the control system for HM force standard machine

Yu Yueling1,2，Hu Xiaoyin2，Kang Zhangyi2
（1. Shanghai Jiao Tong University；2. Shanghai Insititute of Measurement and Testing Technology）

Abstract:In the building of the HM force standard machine of 5 MN, the loading and unloading system of force weights was developed. The embedded system was adopted to control the loading and unloading system of force weights. The design meets special measurement requirements for force sensors and standard dynamometers, and improves the measurement efficiency greatly.

Key words:force weight; load and unload; embedded system; force standard machine