摘要：本文对光缆冲击试验机以及MAX543乘法转换器进行了介绍，并重点对MAX543D/A转换器在光缆冲击试验机中的应用作出了较为详细的分析。
关键词：单片机，乘法型D/A转换器，MAX543，光缆冲击试验机
中图分类号：TP368.1 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2012.01.020
引言
光缆冲击试验机是一种能瞬时测定和记录材料在受冲击过程中的特性曲线的一种新型冲击试验机。本机通过更换摆锤和试样底座，可实现简支梁和悬臂梁两种形式的试验。被冲击的试样在受锤冲击的瞬间，通过高速负荷测量传感器产生信号，经高速放大器放大后，由A/D快速转换成数字信号送给计算机进行数据处理，同时通过检测角位移信号送给计算机进行数据处理，精确度高。在冲击锤冲击光缆试样前后及过程中微机控制光学测量仪器测量光缆中被检测光纤传输功率，根据附加损耗判断光缆产品试样冲击性能是否达到标准要求。而变频器是调节电动机转速的关键，根据电动机的转速来调节冲击锤，本文采用MAX543乘法D/A转换器来实现对变频器的调节，进而调节电动机的转速，以达到实际应用的要求。
1试验机系统的介绍
整个光缆冲击试验机的系统主要是由：微机系统、光纤测量系统、光缆冲击试验机、光缆试样、打印机等部分组成的。在对试样多冲击试验的时候，需要检测的参数一般包括：光纤的损耗程度、光纤应变的大小、光缆应变的大小等。
光缆冲击试验机是一种能够实时检测并且记录光缆试样在受冲击过程中的特性曲线的光缆机械性能检测试验设备。试验的具体过程就是：通过冲击电动机的控制，不断的更改冲击锤和试样的位置，在光缆试样被冲击的瞬间，通过试验机里面的传感器产生一个信号，然后经过相应的放大器之后，再由A/D转换器转换成数字信号传给电脑进行处理。本实验机还安装了力检测传感器和放大器，均符合国家的标准。试验机还能显示一些特性曲线并且能够实现数据的存储和试验报告的打印。
光缆冲击试验机的工作原理图如图1，各序号的意义如下：
1.机座、2.夹具、3.冲击锤、4.链轮、5.电动机、6.控制箱、7.链条、8.升降机。
试验开始的时候，操作人员通过试验机上面的操作面板输入试验参数和一些控制的指令，在控制箱里面的STD总线就会根据相应的指令来控制电动机的运转，电动机转动以后，通过机械传动系统来控制冲击锤，当锤子到了一定的高度以后，提升机构就会自动放开冲击锤，接着冲击锤就会做自由落体运动并且开始冲击光缆试样，当冲击次数达到了实验时输入的数值以后，控制箱里面的STD再继续控制电动机停止运转，就这样，第一次冲击试验圆满完成了，在整个试验的过程中，微机控制试验机里面的光学测量仪去测量光缆中的被测光纤的传输功率大小，最后再根据附加的损耗来判断光缆试样是否满足抵抗冲击性能的标准要求。
试验机的主要参数介绍：
1.试验类型：分为A和B，A——例行试验，它的特点是对光缆只施加长期允许拉力和短暂允许拉力这两种拉力值，即[加力点数Test points]为2。B——研究性试验，它的特点是[加力点数Test points]为n，加力点数n最多为10，常用n≤5。现在不使用。
2.重锤重量：重锤重量是指对光缆施加冲击力的重锤重量，不加配重时重锤的重量为450g，每加一个配重重量增加50g，试验时加的重物重量按试验标准确定。
3.试验时间：包括估计的冲击使用时间和移动光缆试样的时间。
4.冲击次数：在每一个冲击点实现冲击的次数。
5.冲击点数：试验要求一般取冲击点数m=5或m=10。若取m=5，其含义是在光缆试样一个位置上冲击要求的次数n后，平行移动光缆试样0.5m，在新的点上再冲击n次，总计在5个点上各冲击n次。如果试验要求冲击试验做5个点，每点在互相垂直的方向上各冲击n次，则取m=10。其含义是在光缆试样每一点的互相垂直的位置上各冲击n次，相邻两点间隔为0.5m，总计在5个点位置上共计冲击10个循环，每个循环冲击n次。特殊情况按企业标准或合同技术要求进行。
6.冲击频率：在做冲击试验时一般不要调节冲击速率。特殊要求时，可以用控制箱面板上旋钮来调节冲击速率。转动旋钮后，在钢块上安一根废光缆，按半自动操作方式输入冲击次数(n=10)及其它参数，模拟冲击试验，计时后计算冲击速率。重复操作多次，直到速率符合标准要求为止。注：如果速率太小，运行一定时间后会自动停机，并且显示错误。如果速率太大，运行时会出现重锤还未完全落到冲头上又被提起，无法进行冲击试验情况。
7.冲击点间距：如果有多个冲击点，在做完一个冲击点后需移动光缆的距离，一般取值为0.5m。
试验机的具体操作步骤如下：
1.准备实验；
2.开显示器、打印机和微机电源，启动光缆机械性能试验软件。
3.在控制软件的初始画面选择试验项目，然后输入试验参数和类型，具体界面如图2：
4.确认试验参数输入完毕且无错误以后，单击“OK”按钮进入试验过程。
5.进入试验运行阶段，第一次鼠标左键按“RUN”，检测光缆是否加紧，接着再按一次“RUN”，控制程序就会做出一个“落高一时间”示意图，如果有多个冲击点，在完成一个冲击点的冲击试验后，程序能自动计时，等待用户再次点击“RUN”。
通过上位机可以选择全自动和半自动的工作模式，在半自动的工作模式下，首先在触摸屏上输入试验参数，微机测控系统会根据输入的参数，对采样得到的实时数据进行一个比较系统的加工和处理，最后得到了一组信号控制量，这些信号控制量是通过单片机里面的D/A转换器来转换成模拟量来控制变频器的，变频器再控制电动机的转速来满足试验机的要求，电动机的控制是通过继电器和变频器一起来控制的，通过继电器对方向的调节和变频器对电动机速度的调整，最后就可以用来进行光缆冲击试验。
在试验机的全自动模式下，主要的工作流程和半自动模式下是一样的，虽然这个时候参数的设定是由上位机来完成的，但是整个系统的控制还是由下位机来完成，一方面系统会把收集到的数据发送给上位机去分析，另一方面下位机也会对数据进行一些处理得到一些控制信号，最后这些信号的处理过程和半自动的过程是一样的。
为了更好的设计单片机，将单片机分为了好几个模块来进行研究，一方面是为了研究的方便，另一方面也是为了调试单片机的方便，根据整个下位机的操作流程，将单片机分为以下几个模块：CPU模块、D/A放大电路模块、各接口的模块、控制电动机方向模块、电源模块等。在F340单片机上，集合了中央处理器(CPU)、存储器、D/A数模转换程控放大器、RS232和RS485接口、电源等模块，这是整个试验机系统的核心。
2单片机内部各模块的设计
2.1cPu模块
该器件使用CIP-51微控制器内核，该内核几乎含有标准
的8051所有的外设部件，它的原理框图如图4.2，在CIP-51的内核还有外设等方面，C8051F340都有了很大的改进和优化。它的指令速度比标准的8051要快几倍，CIP-51内核包括4个16位的定时器/计数器、一个增强型的SPI接口、4352字节的内部RAM和差不多40个I/0引脚。
CIP的指令多达111条，能够处理很多的命令，下面的1表格列出了指令的数量和需要执行周期数之间的关系。
2.2内部存储器
存储器作为单片机记忆信息的装置，就像一个大的资料库，不仅能存放数据和符号等信息，也能随机的取出这些信息提供给单片机里面的其他部件。该单片机内部包括256字节的数据RAM，RAM可以随机的、个别地对任意一个存储单元来进行读和写。
C8051F340内部的存储器包含64KB的FLASH，由于它是以512个字节作为一个扇区，所以并不需要特殊的变成电压就可以很方便的在系统内进行编程。
3MAx543乘法型D/A转换器的结构和特点
MAX543是MAXIM公司生产的CMOSl2位电流输出、乘法数模转换器。它包含一个12位的R-2R型DAC、一个串行输入并行输出位移寄存器、一个DAC寄存器和控制逻辑-电路组成。并且转换速率高，功耗低。三线的串行总线易与微处理器接口。适用于无总线结构型的小型单片机系统，具有5V~+15V宽工作电源范围及5000V以上的抗静电放电能力，其内部结构和引脚图如图4所示。管脚介绍见表2。
3.1MAx543的内部电路及工作原理分析
MAX543的工作时序如图5所示。从一个12位数据的最高位(MSB)开始，在每一个时钟脉冲的上升沿逐位输入到串行输入并行输出移位寄存器中，当最高位(LSB)被移入30ns后，通过使LOAD输入变低，数据被转换到DAC寄存器中，由lom输出。
4由MAx543和LM324J构成的程控放大器
传统的MAX543D/A转换器是采用的电流型输出，由于试验机变频器的电压需求，必须要输出一个0~10V的电压来满足变频器的电压要求，进而控制电机的转速，所以笔者对此进行了一些改进，采用MAX543的电压型输出。具体的电路原理图如图6所示，程控放大器由带有真差动输入的四运算放大器LM324J和D/A转换器MAX543组成，下面对其工作原理进行分析，VREF与运算放大器的反向输出端相连接，通过运算放大器之后输出一个0-10V的电压，这个电压可以由R1电位器来进行调节。最后达到控制变频器电压的目的。
5结束语
本文给出的MAX543电压输出模型来调节变频器，实际电路相对复杂，需要进行一些调试才能达到预期的结果，以MAX543为核心的A/D转换电路具有外围电路简单、与处理器并口兼容器好、时序控制简单易懂的特点，可靠性和性价比高。
参考文献
[1]高遵伯等，用MAX543实现DSP采样系统的量程自动转换[J].电子技术应用，2002，28(3)：30-32
[2]谢少伟.MAX543乘法型D/A转换器在汽车仪表校验仪中的应用[J].绍兴文理学院学报，2007，27(9)：42-45