基于RENESAS32位单片机的材料试验控制系统的设计与研究

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摘 要
嵌入式系统（Embedded Systems）以其软硬件的可剪裁性来满足应用系统对功
能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性的要求。RENESAS 单片机以其高性
能和高可靠性在嵌入式系统的应用领域占据着高端市场的最大份额。高温材料试
验系统在基础工业的应用中具有极其重要的作用。材料试验结果的准确性，试验
设备的可靠性以及材料试验系统对不同试验要求的适应性是材料试验系统的基本
要求。针对高温材料试验系统的实际应用要求，论文提出了一种基于 RENESAS32
位单片机(SH7137)的设计方案。
为适应材料试验机对材料试验过程中试件形变、突变的精确、及时记录，设
计了一种具有 24 位分辨力，采样速度达每秒 40 千次的高精度数据采样通道。为
提高采样数据的平稳性,提出了一种随机平稳外延滚动滤波的数据处理(ERFRS)算
法。为降低数据处理造成可能的数据延迟，根据数据采集的连续性原则，提出了
一种数据趋势评估预测(DTAP)算法。实验结果显示，相应算法对数据随机干扰有
良好的抑制作用，同时对数据变化又具有很好的跟随性。确保了在有干扰条件下，
试验机数据采集的高精度和高稳定性。为满足试验机对试件负载控制的要求，运
用RENESAS 单片机的 PWM 控制功能实现了对负荷控制电机的直接变频控制。针
对试验系统试验时间长，数据量大的特点，论文采用扩大存储，压缩冗余及动态
指针三种基于数据存储的技术方案解决实时数据的快速高效存储。用扩展 SD 存储
技术，满足系统大容量数据存储的要求。在数据存储时，为了提高存储数据的效
率，采用一种动态冗余剔除技术，提高数据存储的有效性。当数据存储溢出时，
运用动态指针技术实现循环存储，以保障最大限度地保持最新有效数据，确保大
容量数据存储的快速、有效。
关键词:嵌入式系统 材料综合试验系统 ERFRS 算法 DTAP 算法
实时数据存储
ABSTRACT
Embedded systems meet rigor and synthesis needs of the application system to
function, reliability, cost, size, power consumption for its hardware and software can be
tailored. RENESAS MCU is most applied in high-end market in the embedded systems
application areas because of its high-performance and high reliability. High-temperature
materials testing system plays an extremely important role in the basic industrial
applications. The accuracy of the results of material testing, the reliability of test
equipment, as well as applicability of material testing system test to different testing
requirements are the fundamental requirements. The design based on RENESAS MCU
(SH7137) is proposed to meet the requirements practical application to
high-temperature materials testing system in the thesis.
In order to meet the material testing machine for the accurate and timely records of
deformation and mutation of the test specimen in the material testing ，designed
high-precision data acquisition channel which is a 24-bit resolution ratio and sampling
speeds of up to 40 thousand times per second. Extent Rolling Filtering of Random
Smooth (ERFRS) algorithm is put forward to solve the data stability in data-acquisition.
In order to reduce data delay for process, Data Trend Assessment Prediction (DTAP)
algorithm is proposed on acknowledge of coherence of data- acquisition. Experimental
results show that the related algorithms have restraining effect for data random
turbulence and good following to data change, which ensure high-precision and super
stability to the test system of data-acquisition under high turbulence. To meet the
requirements of testing machine to the specimen load control, RENESAS MCU with
PWM control function directly controls to load control electric motor. Aimed at long
testing time and large amount of data of the test system, there designs of expand storage,
compression redundancy and dynamic pointer are put forward to solve the quick and
real-time storage. The expansion of SD storage technology meets the requirements of
high-capacity data storage system. In order to improve efficiency of data storage in the
data storage, dynamic removed redundant technology is presented. When the data
storage overflow, the use of dynamic pointer technology can enable the cycle storage to
maximum hold the newest data and ensure rapid and effective large-capacity data
storage.
Key Words: Embedded System, Material Synthesis Testing System,
ERFRS Algorithm, DTAP Algorithm, Real-time Data Storage
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题研究背景 ............................................... 1
§1.2 国内外研究现状 ............................................. 2
§1.3 论文的主要内容 .............................................. 3
§1.4 论文的组织结构 ............................................. 3
第二章 总体设计方案 .................................................. 5
§2.1 材料综合试验控制系统概述 .................................... 5
§2.1.1 材料综合试验控制系统简介 .............................. 5
§2.1.2 材料综合试验控制系统工作原理 .......................... 5
§2.2 材料综合试验控制系统方案设计 ................................ 6
§2.2.1 系统总体结构 .......................................... 7
§2.2.2 系统组成单元的具体方案设计 ............................ 8
§2.2.3 系统主要技术指标 ...................................... 9
§2.3 处理器 RENESAS 的功能分析 .................................... 9
第三章 系统硬件设计 ................................................. 12
§3.1 基于 SH7137 的系统主控制器设计 ............................. 12
§3.1.1 SH7137 处理器 ........................................ 12
§3.1.2 基于 SH7137 的硬件平台体系结构 ........................ 15
§3.1.3 大容量数据存储模块 ................................... 16
§3.1.4 外围通用接口模块 ..................................... 19
§3.1.5 人机交互接口模块 ..................................... 20
§3.1.6 其它部分 ............................................. 23
§3.2 系统测量单元的硬件选型与电路设计 .......................... 26
§3.2.1 传感器选型 ........................................... 26
§3.2.2 信号调理电路 ......................................... 28
§3.2.3 数模转换电路 ......................................... 31
§3.3 系统伺服驱动原理及 RENESAS 控制 ............................ 34
§3.3.1 伺服驱动单元的工作原理 ............................... 34
§3.3.2 伺服驱动单元的 RENESAS 控制 ........................... 35
§3.4 系统硬件抗干扰设计的研究 .................................. 37
第四章 数字滤波算法 ................................................. 39
§4.1 RFRS 算法 .................................................. 39
§4.2 DTAP 算法 .................................................. 40
第五章 系统软件结构设计 ............................................. 42
§5.1 软件总体结构设计 .......................................... 42
§5.2 主控制器的软件功能设计 ..................................... 44
§5.2.1 中断服务 ............................................. 44
§5.2.2 系统定时任务 ......................................... 45
§5.2.3 A/D 采集 ............................................. 45
§5.2.4 SD 数据存储 .......................................... 46
第六章 调试与试验 ................................................... 49
§6.1 硬件调控及分析 ............................................ 49
§6.2 软件调试 .................................................. 50
§6.3 试验及结果 ................................................ 51
第七章 总结与展望 ................................................... 53
§7.1 论文总结 .................................................. 53
§7.2 后期展望 .................................................. 54
参考文献 ............................................................ 55
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究背景
嵌入式系统[1,2]（Embedded Systems）是以应用为中心，以计算技术为基础，
软件硬件可剪裁的、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综
合性要求的专用计算机系统。硬件是支撑，软件是灵魂，几乎所有的嵌入式产品
中都需要嵌入式软件来提供灵活多样、而且应用特制的功能。它是一个技术密集，
资金密集，高度分散，不断创新的基于硅片的知识集成系统。今天的嵌入式系统
已普遍应用于国防电子、数字家庭、工业自动化、汽车电子、医学科技、消费电
子、无线通讯、电力系统等国民经济的主要行业。随着嵌入式技术的发展，嵌入
式系统将更广泛地应用于人类生活的方方面面[3.4]。
客观世界对嵌入式智能化装置轻、薄、短、小、微、低功耗、高可靠性的无
止境要求，使得近千种嵌入式微处理体系结构和近百种实时多任务操作系统并存
于世，就像生物世界中，物种多样性并组成生态链长期共存那样，嵌入式技术将
与时俱进，不断创新。
嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时
钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世
界嵌入式微处理器已经超过 1000 多种，体系结构有 30 多个系列，其中主流的体
系有 ARM、MIPS、PowerPC、X86 和SH 等。但与全球 PC 市场不同的是，没有
一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以 32 位的产品而言，就有 100 种以上的嵌
入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的[5]。
材料试验影响到国家基础及尖端科技领域。超高温环境下材料的物理性能测
试在航天，航空，飞行器，汽轮机等多种需要高温运行稳定性场合举足轻重。试
验机需要完成对各种试验数据的采集和处理。试验机的智能化程度，可从事的试
验项目，环境控制精度，数据采集和处理性能等决定了试验机的综合水平。如何
确保试验机数据采集和处理的性能是提高试验机性能的关键。
RENESAS 单片机以其高性能和高可靠性在嵌入式系统的应用领域占据着高
端市场的最大份额。高温材料试验系统在基础工业的应用中具有极其重要的作用。
材料试验结果的准确性，试验设备的可靠性以及材料试验系统对不同试验要求的
适应性是材料试验系统的基本要求。针对高温材料试验系统的实际应用要求，论
基于 RENESAS32 位单片机的材料试验控制系统的设计与研究
2
文提出了一种基于 Renesas32 位单片机(SH7137)的设计方案。
§1.2 国内外研究现状
目前，国外的万能试验炉控制系统主要采用的型式有：直流伺服电机控制、
电液伺服控制、油马达自动控制等等。而国内主要采用调频电机和电液比例控制
作为控制系统的主体。其实，自 20世纪 50年代中期以来，国外就先后开发了多
种控制形式的万能试验炉，如美国的 M T S 设备公司（MTS SYSTEM CORP），英
国的英斯特朗有限公司，德国的多利（DOLI）公司，日本的岛津公司和国际计测
器株式社（KOK）公司等都有自己的特色产品，其中创建于 1946 年的美国英斯特
朗有限公司还是全球第一台闭环控制电子万能材料试验炉的发明者。自 20 世纪 70
年代开始，他们又将计算机逐渐应用到试验炉上。目前在我国，对万能试验炉的
研制、生产、使用也都显得尤为积极。其中像长春试验炉研究所、济南试金集团
有限公司、深圳市新三思材料检测有限公司、天水红山试验炉厂、上海华龙测试
仪器厂等单位都有较强的开发能力，这些厂家生产的试验炉整体性能不错。这当
中，尤其以深圳市新三思材料检测有限公司生产的材料综合试验控制系统的性能
最为优越。
随着试验炉技术的发展，国内外材料综合试验控制系统，近年来已发展了四
种不同的控制方式。
第一种是采用松下电机及控制器只能实现等速模拟控制的材料综合试验控制
系统。该产品已满足不了新修订的国家标准 GB/T 228-2002 的要求。
第二种是多采用 8位MCS-51 系列单片机组成测量、控制单元，通过计算机
与其通讯实现模拟控制的材料综合试验控制系统。上述控制方式虽然实现了等速、
等应力、等应变控制，但在试验过程中各种控制方式及速率无法相互平滑切换，
因此不能满足新修订的试验法要求。
第三种是以 386 算机为内核的测量控制电箱（德国 DOLI 电箱） ，各生产厂
家另配计算机及试验软件与其通讯的材料综合试验控制系统。 该产品只能实现程
序控制，对实验员素质要求较高，试验效率及成功率较低，维修也很困难。
第四种是采用数字式脉冲调宽技术，全数字闭环多功能控制的电子万能试机。
目 前国内已有部分厂家生产的试验炉就是采用这种控制方式，其测量控制系统即
可实现程序控制又可实现随机控制试验。在试验过程中，各种控制速率及控制方
式均可互相平滑切换。
摘要：

摘要嵌入式系统（EmbeddedSystems）以其软硬件的可剪裁性来满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性的要求。RENESAS单片机以其高性能和高可靠性在嵌入式系统的应用领域占据着高端市场的最大份额。高温材料试验系统在基础工业的应用中具有极其重要的作用。材料试验结果的准确性，试验设备的可靠性以及材料试验系统对不同试验要求的适应性是材料试验系统的基本要求。针对高温材料试验系统的实际应用要求，论文提出了一种基于RENESAS32位单片机(SH7137)的设计方案。为适应材料试验机对材料试验过程中试件形变、突变的精确、及时记录，设计了一种具有24位分辨力，采样速度达每秒40千次...

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