一种基于C8051F040的高精度气压控制模态测试悬挂系统的制作方法

本发明涉及一种基于c8051f040的高精度气压控制模态测试悬挂系统，适用于机械领域。

背景技术：

随着航天航空技术的飞速发展，对航天器设计要求也越来越高，为了在设计航天器的过程中对结构体的物理参数进行准确分析，必须进行模态测试。模态测试的目的是测试航天器的动态特性，包括结构的固有频率、模态振型和阻尼、广义质量、广义刚度等。测试结果用于获得或验证航天器的动力学模型，验证结构的动态设计、进行力学环境预示、控制分系统设计及评定和故障诊断等，是结构动态模型修正及结构优化设计必不可少的环节，亦是新型号研制的重要保障。

目前，美国csa工程公司已经定型的模态测试悬挂系统，型号为60350-da，该系统最大悬挂重量621磅，垂直悬吊频率为0.1hz，该系统已为美国nasa兰利等研究中心所用。由于国内还没有这样的设备，缺少了必要的测试手段，对于新航天器的研制已经产生一定的影响，因此，尽快配置一套超低频悬吊装置系统，深入了解航天器结构系统的动态特性，尤为迫切。

气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩的空气为工作介质进行能量传递和信号传递的工程技术，是实现各种生产过程、自动控制过程的重要手段之一。具有结构简单、可靠性高、工作速度快、可贮存能量、远距离输送和工作介质取之不尽等优点。通过分析美国csa工程公司的气动磁悬浮悬吊装置的工作原理和现有的资料，总结研制模态测试悬挂系统的关键之一是设计一种高精度的气压控制系统。

该悬挂装置垂直方向上的固有频率最低要达到0.03hz，这在国内外都是首例，在分析计算中发现，要达到这个要求，气压波动必须小于20pa。采用特制的压力控制装置，气压波动也只能抑制在50~100pa。无法满足要求，成为核心难点。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于c8051f040的高精度气压控制模态测试悬挂系统，经过不断地调试和完善该控制器能够高精度、实时的提供稳定的气压控制，满足了用户的要求，并且具有很好的可操作性。

本发明所采用的技术方案是：

所述模态装置供气系统中，外部大气通过过滤器、空气压缩机、制冷干燥净化装置、自动排水和储气罐等后形成气源。模态装置对空气质量的要求很高，再采用过滤器进行过滤。

所述模态装置供气系统中，比例阀输出稳定的气压后，能保证气罐内的平均气压稳定在设定值。气缸-活塞装置通过大口径气管连接到外部储气罐，使得储气罐的容积和气缸容积相通，那么气缸的有效容积大大增加，气压波动产生的影响相对就小了很多。

所述气压控制的硬件结构主要包括气压信号采集部分、数据处理器以及气压控制部分。整个系统是一个复杂的串级控制系统。单片机d/a输出控制比例阀，比例阀通过a/d输入到单片机反馈阀门状态形成控制内环。气压传感器采集气压信号送入到单片机，处理器经过pid运算后由d/a输出到比例阀控制气压形成了外环。

所述气压信号采集部分主要包括气压传感器、max485收发器以及光耦隔离电路，由气压传感器将受力时产生的电压信号经max485收发器转换，再由6n137进行隔离和电平转换，最后送入单片机。

所述气压控制部分主要包括模拟信号a/d输入和d/a输出，单片机输出电压信号经过运放放大送到比例阀，控制比例阀的开度，从而控制气罐内的气压。同时，比例阀将阀门状态转换为电压信号经运放送到单片机，形成一个闭环控制。

本发明的有益效果是：该气动控制系统运行可靠，具有操作方便、精度高和实时性好等特点，且具有较高的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的模态装置原理图。

图2是本发明的气压控制硬件结构示意图。

图3是本发明的数据采样电路图。

图4是本发明的气压控制软件流程图。

图中：1.加速度、位移传感器；2.无摩擦气缸-活塞；3.力传感器；4.悬挂钢缆；5.高精度气压传感器；6.比例阀；7.长行程动圈作动器；8.功率放大器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，模态装置其由两个并行的子系统构成：一个是气动子系统；另一个是电磁子系统。气动子系统由无摩擦气缸-活塞、外部储气罐、比例阀等构成。电磁子系统由长行程动圈作动器和配套的功率放大器、位移传感器、加速度传感器、高精度压力传感器、力传感器、微处理器构成的控制器等构成。

试件的全部重力由仅在垂直方向随动的无摩擦气缸-活塞装置的活塞承受。把气缸通过大口径气管连接到储气罐，使得储气罐的容积成为气缸容积，从而气缸的有效容积大大增加。这样空气弹簧的刚度变得很小，同时保持承受大载荷试件的能力。比例阀使得气缸的平均压力稳定在设定值，间接的使得无摩擦气缸-活塞的悬挂力稳定。小容积变化时，气缸·活塞性能像线性弹簧申联阻尼装置。由于采用无摩擦气缸-活塞装置，使得活塞在气缸的垂直方向的任何位置，空气弹簧力总是和试件重力平衡。由于无摩擦和力的平衡使得试件浮动在行程范围内，并会逐渐运动到极限位置。这破坏了模态振动试验，必须引人电磁子系统。电磁子系统引人主要为了解决以下4个问题：垂直方向中心位置保持、调节悬挂高度、补偿压力波动和抑制附加质量影响。

外部大气通过过滤器、空气压缩机、制冷干燥净化装置、自动排水和储气罐等后形成气源。模态装置对空气质量的要求很高，再采用过滤器进行过滤。为了防止气压过大和基于安全方面的考虑，利用减压阀对压缩空气减压。比例阀输出稳定的气压后，能保证气罐内的平均气压稳定在设定值。气缸-活塞装置通过大口径气管连接到外部储气罐，使得储气罐的容积和气缸容积相通，那么气缸的有效容积大大增加，气压波动产生的影响相对就小了很多。两只单作用气缸-活塞作为气动执行元件，活塞与活动机架组成随动部件，随动部件下端通过钢丝绳悬吊测试件。

如图2，气压控制的硬件结构主要包括气压信号采集部分、数据处理器以及气压控制部分。整个系统是一个复杂的串级控制系统。单片机d/a输出控制比例阀，比例阀通过a/d输入到单片机反馈阀门状态形成控制内环。气压传感器采集气压信号送入到单片机，处理器经过pid运算后由d/a输出到比例阀控制气压形成了外环。

如图3，气压信号采集部分主要包括气压传感器、max485收发器以及光耦离电路，由气压传感器将受力时产生的电压信号经max485收发器转换，再由6n137进行隔离和电平转换，最后送入单片机。气压传感器选用的是keller公司的serie35x系列气压传感器。该传感器能精确到8pa，稳定性好，内部温度补偿范围广，最主要的是它属于数字气压传感器，直接以数字信号的形式反映当前所测的气压值，对模拟电路的设计非常有利。

为了提高系统的数据传输速率和长距离通讯性能，本研究采用了线路设计简单、控制方便的rs485串行总线传输标准。串口通讯芯片选用maxim公司生产的max485，为半双工通讯方式。max485芯片的接收使能信号/re和驱动器使能信号de通过光祸合器连接到单片机的p0.4管脚，该引脚置低使max485处于接收状态，该引脚置高使其处于发送状态。配置单片机端口i/o交叉开关寄存器xbr2.2位uartie为1，将单片机数字外设uart1的发送和接收端口配置到p0.2和p0.3引脚。同时，max485的驱动器输入di和接收器输出ro通过光藕合器分别连接到单片机的p0.2和p0.3引脚，构成一个简单的集散型控制系统，使得处理器可方便的与气压传感器进行通讯。

为了防止外部信号对单片机的干扰，在外部信号输送到单片机之前，本研究采用高速光藕合器6n137进行隔离。

cygnal公司的单片机c8051f04()具有与8051指令集完全兼容的cip-51内核。它的最高频率可达25mhz，内置64.kbflashr.am和4kb的数据存储器。c8051f040在一个芯片内集成了构成单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其它功能部件，包括adc、可编程增益放大器、dac、电压比较器、温度传感器、smbus/i2c、uart、spi、定时器、内部振荡器、看门狗电路以及can控制器等，这种高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠和高性能的测控系统提供了方便，同时也使测控设备整体成本能够降低。

模态测试悬挂系统电路设计较为复杂，涉及到2块单片机之间的通讯。为了方便单片机之间相互通讯，本研究采用了线路设计简单、控制方便的rs232串行总线传输标准。配置交叉开关xbr0.2位uartoeiv为1，将数字外设uarto发送和接收配置到p0.1和p0.2端口，同时引出232通讯接口。

如图4，系统初始化包括看门狗初始化、vo口初始化及交叉开关配置、晶振初始化、adc初始化、i1art初始化、定时器初始化等，气压值发送和pid参数设置给系统一个初始的状态。气压值传输出错由crc校验判定，pid运算采用增量型控制算法。a/d采样的速率由定时器2的溢出设置波特率时钟，这里设置的波特率为9600hz。整个软件的设置是一个闭环控制，一方面，经pid运算d/a输出控制比例阀来控制气罐内的气压;另一方面，利用气压传感器，控制器采集气罐内的气压值以便比较和循环控制。