新型高分子材料动态力学谱仪的软硬件设计与实现
摘要
高分子材料动态力学谱仪是测试高分子材料的分子运动、多重转变、固化及老化过程的一种重要测试仪器。该仪器基于高分子材料动态热机械自由衰减振动中的扭辫法测量材料在自由衰减扭转下的动态模量及力学损耗与温度的关系，反映不同温度下材料的粘弹行为如玻璃化转化、次级转变、结晶与熔融、晶型转变等力学性能。此仪器是研究共混物的组分间相容性最灵敏的方法之一。扭辫仪的基本原理是美国J.Gillham教授在六十年代提出的。吉林大学计算机科学与技术学院已相继研究出几代扭辩仪。新型高分子材料动态力学谱仪是在前几代扭辩仪的基础上，采用全新的体系结构，融合了USB通信技术、模糊控制技术等先进的计算机技术的最新一代扭辩仪。在很多方面都有了明显的改进和提高。
新型高分子材料动态力学谱仪系统是由四部分组成的：PC机、控制器、样品炉和打印机。PC机内装有控制软件----高分子材料动态力学谱仪试验系统（GDPES）对控制器进行控制，从控制器得到数据并进行整理、保存。PC机内还装有数据处理软件GDP-4型高分子材料动态力学谱仪数据管理系统（GDPDMS），对从控制器得到的数据进行分析处理，将结果以各种形式（文本、图象的显示、打印、文件保存等）输出。控制器接收由PC机通过USB接口传输过来的实验设置参数及其他控制命令，控制样品炉自动进行实验和测试，并从样品炉得到试验数据和结果交给PC机进行分析和处理。样品炉为试验样品提供试验环境，通过控制装置控制试验流程，通过传感装置得到试验数据和结果。打印机用于试验结果的输出，PC机内的数据处理软件可以将数据处理结果（数据或图像）通过打印机输出。
新型高分子材料动态力学谱仪的设计和实现过程中涉及到两个关键的技术：USB通信和模糊控制技术。新高分子材料动态力学谱仪系统中PC机与控制器之间的通信应用USB通信技术。USB（Univeral System Bus）接口是一种新型的接口标准。本系统中的控制器作为一种USB设备，采用USB1.1规范，通过一个默认的控制通道，一个输入通道和一个输出通道完成与PC机之间的数据传输和命令传输。新型高分子材料动态力学谱仪的控温系统应用模糊控制技术。本系统通过测温系统得到样品炉内的即时温度，通过可控硅控制样品炉内电炉丝的加热量，并用软件实现模糊控制器根据得到的即时温度对加热量进行模糊控制，形成了一个闭环的模糊控制系统。由于样品炉具有滞后特性（给样品炉一定的加热量之后，样品炉内的温度滞后一段时间才能反映出来），采用传统的模糊控制方法不
仅计算过程繁琐，隶属度表和控制规则表受到人的主观因素限制，而且对于得到的控制表还需要经过大量的试验进行调整，试验周期长，还不能得到很好的效果。这里采用一种快速生成模糊控制器控制表的方法，得到一张适用于本系统的控制表（每个系统的控制表之间可能会有微小的差别）。应用这张控制表可以较好的控制样品炉内的温度，得到较理想的控温曲线。
新型高分子材料动态力学谱仪系统的硬件设计和实现主要集中在控制器中，控制器采用双微控制器系统组成，一个是主控制器，用于协调整个控制器的动作、完成与主机的通信、完成试验过程及采样数据的处理等等，其外围电路主要有USB通信电路、数据采集电路、步进电机控制电路等。另一个作为辅控制器完成测温、控温等与温度相关的操作，构成了一个闭环的控温测温系统。其外围电路主要有温度采集电路、可控硅驱动电路等。两个微控制器各自有各自的系统总线、寻址空间等。系统内设有一块双端口随机存取存储器，两个系统都可以用自己的系统总线访问这块RAM，从而通过这块RAM完成两个系统之间的“通信”。
新型高分子材料动态力学谱仪系统的软件设计和实现存在于控制器和PC机中。按结构的相对独立性，可分为主单片机系统、辅单片机系统、PC机试验系统、PC机数据管理系统四部分。主单片机系统控制主微控制器及其外围电路，是控制器的核心部分。按功能可分为通信模块、数据采样模块、调度管理模块、测试模块。辅单片机系统用于控制辅微控制器及其外围电路。包括：控温模块、测温模块、温度较基模块、测试模块。PC机试验系统完成与新型高分子材料动态力学谱仪的控制器的通信。用户可以在此对实验过程进行设置，观察实验的结果，并将实验结果保存为的数据文件（ .gdp文件）。按功能分可分为通信模块、试验模块、输入输出模块等。PC机数据管理系统主要完成对新型动态力学谱仪实验系统所得到的数据文件（ .gdp文件）进行分析处理，最终可以将数据分析处理的结果直接显示到屏幕上，并且可以转存为文本文件（.txt文件）、图像文件（.bmp文件、.jpg文件）或直接打印。
本文给出了新型高分子动态力学谱仪的软硬件设计与实现。现在该系统已经基本完成，吉林大学化学学院的高分子专业师生正在试用。本系统在吉林大学化学学院高分子专业调试和试用过程中，受到师生的欢迎，达到了预期设计目标。开发过程中遇到了一些问题，有些问题得到了解决，有些问题在进一步的研究中。在今后的测试和使用过程中不可避免的还会出现一些问题和错误，这些都需要在实践过程中去发现、改进和提高，这些将是我们以后要完成的?
Torsional Braid Analyser（TBA） is an important analyser for testing molecular motion , many change , solidification and aging process of the high polymer materials. The analyser twists the braid on which is the high polymer materials to measure dynamic modulus and mechanical losing of free decaying vibration relations with temperature, reflect the viscidity and spring of the materials (glass transformation, secondary change, crystallization, melting, brilliant type change, etc) under different temperature. It is one of the most sensitive methods of studying the compatibility of component parts of mixture. Professor J.Gillham put forward the basic principle of TBA in the 1960s. The college of computer science and technology of Jilin University have already worked out several generations of TBA in succession. The new type TBA called GDP Four is the latest generation of TBA based on the previous generations which adopts new system architecture and merges many advanced computer technologies such as USB communication, fuzzy control, etc. There are obvious improvement and upgrading in many aspects of new one comparing with the previous.
The new type TBA is made up of four parts: PC, controller, sample stove and printer. The controlling software in the PC called GDP Experimental System（GDPES） can control the controller, get the datum from the controller to proceed and save the datum. The data processing software in the PC called GDP Datum Manager System（GDPDMS）can proceed the datum gotten from the controller and output the results with many forms (display, print and save the text and graph files). Controller can receive the parameters and other control commands from PC through USB interface and control sample stove to carry on experiment and test automatically, then it can receive experimental datum and results from sample stove and assign the PC to analyze and proceed it. The sample stove can offer the experimental environment for test specimen, control the experimental procedure through the control device, and receive experimental data and result through the sensing device. Printer can output the experimental data and result. The data processing software of PC can export the result (data or graph) through printer.
The new type of TBA comes down to two pivotal technologies: USB（Universal Serial Bus）communication and fuzzy control. The USB communication technology is used in communication between the GDPES
and Controller. As a new standard of interface, USB interface has a lot of benefits compared with previous generations such as low cost, high reliability, uniform interface, hot plug, agile usage and extensive supply for operate system and device vender and so on. USB 1.1 specification is the general standard on the computer and peripheral that support USB at present. USB2.0 specification is the latest standard of the Universal Serial Bus. As a USB device, the controller adopts USB 1.1 specification to complete the data transmission and command transmission with PC by a default control pipe, an input pipe and an output pipe. The fuzzy control technology is used in temperature control system. The TBA system has a closed fuzzy control system that composes of the fuzzy controller realized by software, a temperature measure system and a resistor in the stove. The fuzzy controller gets the current temperature from the temperature measure system and then gives the heat to the resistor with the temperature. We use a method that can create control table of fuzzy controller fast for the stove having lag. A control table applicable to this system can be achieved, which can control the temperature of the sample stove preferably and obtain a better time-temperature curve.
The design and realization of the new type TBA hardware system focuses mostly on the controller. The controller is made up with two MCU. The master MCU can harmonize the act of the whole controller, communicate with PC, do experiment and process the datum and so on. The periphery circuit is made up with USB communication circuit, collecting
新型高分子材料动态力学谱仪系统是由四部分组成的：PC机、控制器、样品炉和打印机。PC机内装有控制软件----高分子材料动态力学谱仪试验系统（GDPES）对控制器进行控制，从控制器得到数据并进行整理、保存。PC机内还装有数据处理软件GDP-4型高分子材料动态力学谱仪数据管理系统（GDPDMS），对从控制器得到的数据进行分析处理，将结果以各种形式（文本、图象的显示、打印、文件保存等）输出。控制器接收由PC机通过USB接口传输过来的实验设置参数及其他控制命令，控制样品炉自动进行实验和测试，并从样品炉得到试验数据和结果交给PC机进行分析和处理。样品炉为试验样品提供试验环境，通过控制装置控制试验流程，通过传感装置得到试验数据和结果。打印机用于试验结果的输出，PC机内的数据处理软件可以将数据处理结果（数据或图像）通过打印机输出。
新型高分子材料动态力学谱仪的设计和实现过程中涉及到两个关键的技术：USB通信和模糊控制技术。新高分子材料动态力学谱仪系统中PC机与控制器之间的通信应用USB通信技术。USB（Univeral System Bus）接口是一种新型的接口标准。本系统中的控制器作为一种USB设备，采用USB1.1规范，通过一个默认的控制通道，一个输入通道和一个输出通道完成与PC机之间的数据传输和命令传输。新型高分子材料动态力学谱仪的控温系统应用模糊控制技术。本系统通过测温系统得到样品炉内的即时温度，通过可控硅控制样品炉内电炉丝的加热量，并用软件实现模糊控制器根据得到的即时温度对加热量进行模糊控制，形成了一个闭环的模糊控制系统。由于样品炉具有滞后特性（给样品炉一定的加热量之后，样品炉内的温度滞后一段时间才能反映出来），采用传统的模糊控制方法不
仅计算过程繁琐，隶属度表和控制规则表受到人的主观因素限制，而且对于得到的控制表还需要经过大量的试验进行调整，试验周期长，还不能得到很好的效果。这里采用一种快速生成模糊控制器控制表的方法，得到一张适用于本系统的控制表（每个系统的控制表之间可能会有微小的差别）。应用这张控制表可以较好的控制样品炉内的温度，得到较理想的控温曲线。
新型高分子材料动态力学谱仪系统的硬件设计和实现主要集中在控制器中，控制器采用双微控制器系统组成，一个是主控制器，用于协调整个控制器的动作、完成与主机的通信、完成试验过程及采样数据的处理等等，其外围电路主要有USB通信电路、数据采集电路、步进电机控制电路等。另一个作为辅控制器完成测温、控温等与温度相关的操作，构成了一个闭环的控温测温系统。其外围电路主要有温度采集电路、可控硅驱动电路等。两个微控制器各自有各自的系统总线、寻址空间等。系统内设有一块双端口随机存取存储器，两个系统都可以用自己的系统总线访问这块RAM，从而通过这块RAM完成两个系统之间的“通信”。
新型高分子材料动态力学谱仪系统的软件设计和实现存在于控制器和PC机中。按结构的相对独立性，可分为主单片机系统、辅单片机系统、PC机试验系统、PC机数据管理系统四部分。主单片机系统控制主微控制器及其外围电路，是控制器的核心部分。按功能可分为通信模块、数据采样模块、调度管理模块、测试模块。辅单片机系统用于控制辅微控制器及其外围电路。包括：控温模块、测温模块、温度较基模块、测试模块。PC机试验系统完成与新型高分子材料动态力学谱仪的控制器的通信。用户可以在此对实验过程进行设置，观察实验的结果，并将实验结果保存为的数据文件（ .gdp文件）。按功能分可分为通信模块、试验模块、输入输出模块等。PC机数据管理系统主要完成对新型动态力学谱仪实验系统所得到的数据文件（ .gdp文件）进行分析处理，最终可以将数据分析处理的结果直接显示到屏幕上，并且可以转存为文本文件（.txt文件）、图像文件（.bmp文件、.jpg文件）或直接打印。
本文给出了新型高分子动态力学谱仪的软硬件设计与实现。现在该系统已经基本完成，吉林大学化学学院的高分子专业师生正在试用。本系统在吉林大学化学学院高分子专业调试和试用过程中，受到师生的欢迎，达到了预期设计目标。开发过程中遇到了一些问题，有些问题得到了解决，有些问题在进一步的研究中。在今后的测试和使用过程中不可避免的还会出现一些问题和错误，这些都需要在实践过程中去发现、改进和提高，这些将是我们以后要完成的?
Torsional Braid Analyser（TBA） is an important analyser for testing molecular motion , many change , solidification and aging process of the high polymer materials. The analyser twists the braid on which is the high polymer materials to measure dynamic modulus and mechanical losing of free decaying vibration relations with temperature, reflect the viscidity and spring of the materials (glass transformation, secondary change, crystallization, melting, brilliant type change, etc) under different temperature. It is one of the most sensitive methods of studying the compatibility of component parts of mixture. Professor J.Gillham put forward the basic principle of TBA in the 1960s. The college of computer science and technology of Jilin University have already worked out several generations of TBA in succession. The new type TBA called GDP Four is the latest generation of TBA based on the previous generations which adopts new system architecture and merges many advanced computer technologies such as USB communication, fuzzy control, etc. There are obvious improvement and upgrading in many aspects of new one comparing with the previous.
The new type TBA is made up of four parts: PC, controller, sample stove and printer. The controlling software in the PC called GDP Experimental System（GDPES） can control the controller, get the datum from the controller to proceed and save the datum. The data processing software in the PC called GDP Datum Manager System（GDPDMS）can proceed the datum gotten from the controller and output the results with many forms (display, print and save the text and graph files). Controller can receive the parameters and other control commands from PC through USB interface and control sample stove to carry on experiment and test automatically, then it can receive experimental datum and results from sample stove and assign the PC to analyze and proceed it. The sample stove can offer the experimental environment for test specimen, control the experimental procedure through the control device, and receive experimental data and result through the sensing device. Printer can output the experimental data and result. The data processing software of PC can export the result (data or graph) through printer.
The new type of TBA comes down to two pivotal technologies: USB（Universal Serial Bus）communication and fuzzy control. The USB communication technology is used in communication between the GDPES
and Controller. As a new standard of interface, USB interface has a lot of benefits compared with previous generations such as low cost, high reliability, uniform interface, hot plug, agile usage and extensive supply for operate system and device vender and so on. USB 1.1 specification is the general standard on the computer and peripheral that support USB at present. USB2.0 specification is the latest standard of the Universal Serial Bus. As a USB device, the controller adopts USB 1.1 specification to complete the data transmission and command transmission with PC by a default control pipe, an input pipe and an output pipe. The fuzzy control technology is used in temperature control system. The TBA system has a closed fuzzy control system that composes of the fuzzy controller realized by software, a temperature measure system and a resistor in the stove. The fuzzy controller gets the current temperature from the temperature measure system and then gives the heat to the resistor with the temperature. We use a method that can create control table of fuzzy controller fast for the stove having lag. A control table applicable to this system can be achieved, which can control the temperature of the sample stove preferably and obtain a better time-temperature curve.
The design and realization of the new type TBA hardware system focuses mostly on the controller. The controller is made up with two MCU. The master MCU can harmonize the act of the whole controller, communicate with PC, do experiment and process the datum and so on. The periphery circuit is made up with USB communication circuit, collecting
引文
[1] http://www.usb.org
[2] Jan Axelson，Universal Serial Bus Complete，中国电力出版社，2001
[3] Don Anderson，Universal Serial Bus System Architecture，中国电力出版社，2000
[4] 李士勇，模糊控制和智能控制理论与应用，哈尔滨工业大学出版社，1990
[5] David J.Kruglinski, ScotWingo, George Shepherd，Programming Visual C++ 6.0 技术内幕，北京希望电子出版社
[6] 曲富林，胡成全，李博，高分子材料动态力学谱仪的软硬件设计，仪器仪表学报，1991 第12卷 第3期
[7] 胡成全，曲富林，一种实用的Fuzzy控制器控制表的快速生成方法，电脑应用技术，28期，1992
[8] 李博，模糊控制器的研究开发及应用，吉林大学硕士学位论，1989
[9] 吕秀华，自动化动态力学谱仪，吉林大学硕士学位论文，1988
[2] Jan Axelson，Universal Serial Bus Complete，中国电力出版社，2001
[3] Don Anderson，Universal Serial Bus System Architecture，中国电力出版社，2000
[4] 李士勇，模糊控制和智能控制理论与应用，哈尔滨工业大学出版社，1990
[5] David J.Kruglinski, ScotWingo, George Shepherd，Programming Visual C++ 6.0 技术内幕，北京希望电子出版社
[6] 曲富林，胡成全，李博，高分子材料动态力学谱仪的软硬件设计，仪器仪表学报，1991 第12卷 第3期
[7] 胡成全，曲富林，一种实用的Fuzzy控制器控制表的快速生成方法，电脑应用技术，28期，1992
[8] 李博，模糊控制器的研究开发及应用，吉林大学硕士学位论，1989
[9] 吕秀华，自动化动态力学谱仪，吉林大学硕士学位论文，1988