基于LabVIEW的串口通信燃?xì)庠罹咦詣?dòng)測(cè)試系統(tǒng)探究

戴奕藝，劉艷春，任雪潭，黃薇薇

（1.廣州市紅日燃具有限公司 510430；2.國(guó)家燃?xì)庥镁弋a(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，佛山 528225）

0 引言

灶具的能效性能是評(píng)估該產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)，家用燃?xì)庠罹邍?guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及能效和節(jié)能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則，對(duì)燃?xì)庠罹吣苄y(cè)試方法和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有嚴(yán)格要求[1,2]。灶具能效的試驗(yàn)需同時(shí)監(jiān)測(cè)和讀取溫度、壓力、流量和環(huán)境等多個(gè)參數(shù)，此外還要求長(zhǎng)時(shí)間的攪拌操作。過(guò)去灶具能效測(cè)試一般是手工操作，使用指針式壓力表、流量計(jì)及水銀溫度計(jì)等傳統(tǒng)儀器，精度不高。由于長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)觀測(cè)和人工攪拌，工作強(qiáng)度大效率低下，對(duì)人員依賴(lài)性大，容易造成誤差；人工測(cè)試缺乏自動(dòng)化采集，數(shù)據(jù)需后期整理才能知道結(jié)果，未能更直觀的評(píng)價(jià)灶具性能實(shí)況，不利于技術(shù)人員對(duì)測(cè)試的影響因素深入研究。目前國(guó)內(nèi)僅少數(shù)先進(jìn)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)開(kāi)始自動(dòng)化燃?xì)饩邫z測(cè)設(shè)備研究[,3,4,5]，落后的數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)方法與計(jì)算機(jī)信息化不相符合，檢測(cè)自動(dòng)化水平亟需提高。

鑒于此，我們研發(fā)一種燃?xì)庠罹咦詣?dòng)測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備由可編程數(shù)據(jù)采集模塊與傳感器構(gòu)成，軟件使用LabVIEW圖形化程序，采用串口通信的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)灶具檢測(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、結(jié)果運(yùn)算分析和自動(dòng)控制機(jī)械攪拌等功能。用以簡(jiǎn)便操作，減少誤差，提高精度和工作效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)和原理

系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示，由主控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集和控制模塊以及壓力/溫度/流量傳感器構(gòu)成。上層主控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）提供人機(jī)界面，控制系統(tǒng)初始化和運(yùn)作，接收處理數(shù)據(jù)和監(jiān)控各工位的測(cè)試狀況。次層為模擬量I/O采集模塊，包括壓力模塊、溫度模塊、流量模塊、燃?xì)忾y和氣缸動(dòng)作控制模塊等。所有I/O模塊均通過(guò)RS485總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)底層是各種測(cè)量參數(shù)的傳感器和閥門(mén)開(kāi)關(guān)控制器，傳感器的電信號(hào)輸出線與I/O模塊信號(hào)采集通道相連，傳感器測(cè)量端按標(biāo)準(zhǔn)連接到被測(cè)灶具上。系統(tǒng)使用壓縮空氣作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行攪拌動(dòng)作。此外，系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)留有充余擴(kuò)展COM口，可與服務(wù)器、打印機(jī)以及煙氣分析儀等設(shè)備連接。

測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制的原理如下：

以灶具熱效率試驗(yàn)為例，首先系統(tǒng)底層溫度、壓力傳感器將各物理量轉(zhuǎn)為模擬電信號(hào)；模擬電信號(hào)被模擬量采集模塊收集后，轉(zhuǎn)化為RS485數(shù)字信號(hào)后發(fā)送到總線上，再經(jīng)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成計(jì)算機(jī)可接收的RS232信號(hào)；上位機(jī)通過(guò)連續(xù)讀取串口即可獲得各物理參數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)運(yùn)行條件判斷程序，一旦滿(mǎn)足觸發(fā)條件，例如溫度達(dá)到預(yù)期值，程序向串口發(fā)出AscII碼指令傳到RS485總線上，數(shù)據(jù)采集/控制模塊執(zhí)行自己相應(yīng)的指令，獲取燃?xì)饬髁繑?shù)值、啟動(dòng)/關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)和控制機(jī)械臂進(jìn)行攪拌動(dòng)作。整個(gè)過(guò)程為計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，無(wú)須手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)和干預(yù)。

1.2 系統(tǒng)硬件模塊配置

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)按照燃?xì)庠罹邍?guó)標(biāo)規(guī)定的測(cè)試方法和儀器精度要求配置傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊等硬件。

溫度信號(hào)采集模塊使用ADAM-4015，具有六路熱電阻輸入通道，采樣速率10采樣點(diǎn)/秒，精度±0.1%。溫度傳感器選用鎧裝Ptl00鉑熱電阻，測(cè)量范圍：0℃～100℃，準(zhǔn)確度為±0.1℃。ADAM-4015負(fù)責(zé)環(huán)境溫度、燃?xì)鉁囟取⑺疁囟鹊榷鄠€(gè)溫度對(duì)象的監(jiān)測(cè)。需要更多數(shù)據(jù)輸入通道時(shí)，可并聯(lián)相同模塊來(lái)使用。 燃?xì)鈮毫ΡO(jiān)測(cè)使用ADAM-4018，ADAM-4018提供±20mA（外接125Ω電阻）輸入，壓力傳感器使用（0～10kPa）型的壓力變送器，電輸出信號(hào)4~20mA，精度±0.25%， 采樣點(diǎn)為流量計(jì)內(nèi)壓力和灶前壓力。燃?xì)饬髁繙y(cè)試：采用日本品川W—NK-5濕式氣體流量計(jì)，通過(guò)光電編碼器輸出脈沖信號(hào)，使用Adam-4080頻率采集模塊采集輸出的脈沖頻率獲得氣體流量值。閥門(mén)、機(jī)械攪拌器使用ADAM-4050模塊控制，該模塊可輸出多路數(shù)字信號(hào)，利用控制的閉合來(lái)控制燃?xì)夤苈冯姶砰y的開(kāi)閉以及攪拌器的機(jī)械動(dòng)作。

1.3 模塊連接和通信協(xié)議設(shè)置

系統(tǒng)各數(shù)據(jù)采集模塊的連接線路如圖2。ADAM-4520是RS232/ RS485轉(zhuǎn)換器，計(jì)算機(jī)的RS232串口通訊端口與ADAM-4520的通信口直接連接。ADAM系列的數(shù)據(jù)采集模塊和控制器模塊，采用菊花鏈的方式并行連接在RS485總線上。

使用Adam4000 Utility進(jìn)行I/O模塊與主控計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議設(shè)置，各個(gè)模塊均采用半雙工工作模式，各模塊按照十六進(jìn)制分配地址，模塊地址必須獨(dú)立不能重復(fù)，具體配置如下：在COM1下的485總線，地址范圍00h~FFh，本文中設(shè)置01h,02h,03h,04h…； 在相同的485總線上的所有模塊和主計(jì)算機(jī)通訊的波特率均相同，9600bps，取1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，無(wú)軟件握手協(xié)議。

2 系統(tǒng)軟件程序

2.1 前面板用戶(hù)界面

本系統(tǒng)軟件程序是基于labview環(huán)境進(jìn)行編寫(xiě)的，程序的前面板如圖3,它是測(cè)試系統(tǒng)的人機(jī)操作界面,負(fù)責(zé)程序運(yùn)行和停止、數(shù)據(jù)記錄顯示等功能。用戶(hù)界面有燃?xì)鈮毫Α⑷細(xì)饬髁俊h(huán)境溫度、加熱水溫度的實(shí)時(shí)顯示控件，可以動(dòng)態(tài)顯示各溫度、壓力等原始測(cè)量值，需復(fù)雜運(yùn)算熱負(fù)荷和熱效率等結(jié)果也能實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。人機(jī)用戶(hù)界面也提供了表格和曲線顯示功能，以便測(cè)試人員對(duì)檢測(cè)情況進(jìn)行分析。

2.2 Labview后臺(tái)編程

系統(tǒng)的后臺(tái)編程是由主程序和子程序構(gòu)成。主控程序是利用Labview的事件狀態(tài)機(jī)、循環(huán)、條件判斷等編程語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)互動(dòng)操作、參數(shù)輸入、命令下達(dá)、條件程序走向、動(dòng)作重復(fù)、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)的子程序包括溫度采集、壓力采集、氣體流量以及開(kāi)關(guān)控制子程序等，每個(gè)子程序控制各自對(duì)于的I/O模塊。子程序運(yùn)行流程大致相同如圖4，是利用Labview的VISA串口函數(shù)的通信功能，不斷循環(huán)地對(duì)串口發(fā)送AscII碼指令和不斷讀取串口信息，完成各種參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。

圖5是 AdAM-4015溫度采集模塊驅(qū)動(dòng)程序圖框。程序開(kāi)始時(shí)，打開(kāi)COM1串口，使用“VISA Write”函數(shù)對(duì)串口寫(xiě)入AscII碼命令：#02 01，采集模收到指令后向計(jì)算機(jī)串口傳送字符串格式的溫度值；使用“VISA Read”函數(shù)讀取串口接收到字符串，然后用“Fract/Exp string to number” 函數(shù)將字符串轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示或者被主程序調(diào)用進(jìn)行運(yùn)算分析；子程序結(jié)束時(shí)使用“VISA Close” 關(guān)閉串口釋放內(nèi)存。

圖4 Vi子程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)

為檢驗(yàn)燃?xì)庠罹咦詣?dòng)測(cè)試系統(tǒng)的有效性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，我們?cè)谙嗤膶?shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下對(duì)同一家用燃?xì)庠罹邩悠罚ㄐ吞?hào)JZT-A,左3.6kW右3.6kW）分別進(jìn)行熱負(fù)荷和熱效率測(cè)試比對(duì)試驗(yàn),數(shù)據(jù)表1。由比對(duì)結(jié)果可見(jiàn)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)連續(xù)兩次測(cè)量一致性較好，連續(xù)兩次測(cè)量偏差＜±0.5%。自動(dòng)測(cè)試采用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，避免人工操作和讀數(shù)帶來(lái)的誤差，提高了測(cè)試準(zhǔn)確度。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)

4 結(jié)論

基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)開(kāi)發(fā)的燃?xì)庠罹咦詣?dòng)測(cè)試系統(tǒng)，采用VISA串口通信函數(shù)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、燃?xì)饬髁康戎匾獏?shù)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和運(yùn)算分析。圖形化主程序界面友好，可實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果、監(jiān)測(cè)環(huán)境條件和自動(dòng)控制測(cè)試進(jìn)程。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)灶具自動(dòng)化測(cè)試，減少人為干擾因素，測(cè)試準(zhǔn)確度和一致性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)人工方式。

[1] GB 16410—2007，家用燃?xì)庠罹遊S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[2]《家用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ岛湍苄У燃?jí)》與節(jié)能產(chǎn)品惠與節(jié)能產(chǎn)品惠民工程概況，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，2012.4

[3]白云.基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2009-3-1.

[4]勞中建.基于PLC控制的熱水器能效自動(dòng)測(cè)試臺(tái)的研制[J].家用燃?xì)饩撸?009.5

[5]楊明軍.基于虛擬儀器的燃?xì)庥镁邫z測(cè)設(shè)備嵌入式軟件[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2011,3