標簽耐磨度測試儀的設計與實現

何躍軍

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

各類標簽在使用過程中，由于受到各種摩擦的影響，其表面容易遭受不同程度的磨損，以致模糊不清，影響正常使用．為檢驗其質量，就需要對其耐磨度進行測試，但目前市場上，各類材料、涂層的耐磨度測試，一般都是根據材料的不同性質，采用專用設備進行測試．由于造價昂貴，超出了生產各類標簽的廠商所能接受的價格范圍，所以在標簽的耐磨度測試中，采用自動化設備進行測試的普及率很低，一般采用人工測試方法，但人工測試，費時、費力，且效果不佳．為彌補了以上不足，本文設計了一種成本低廉的標簽耐磨度測試儀，使用時可以根據測試的要求，事先選擇測試用的溶劑類型、摩擦力大小和摩擦次數，以進行耐磨度的定量測試．

1 測試儀的機械結構設計

測試儀的機械結構圖如圖1，它主要由底座、凸輪往復機構、驅動電機、計數開關、計數LCD顯示屏、復位彈簧、釹鐵硼強磁、砝碼等構成．其工作原理如下：

1）測試時，測試人員首先通過矩陣式鍵盤或上位機，設置標簽摩擦次數，單片機系統接收到啟動命令后，通過繼電器，控制驅動電機啟動運行．

2）驅動電機轉動 時，帶動凸輪機構一起轉動．當凸輪轉動前半圈時，擠壓一次復位彈簧和連桿，推動包有脫脂棉布的砝碼前進一次，摩擦一次測試的標簽．當凸輪轉動到后半圈時，彈簧反彈，通過連桿，回拉砝碼，再次摩擦一次待測的標簽，從而完成一次摩擦測試．

3）凸輪往復機構每前進一次，使得包有脫脂棉布的砝碼，摩擦標簽的同時，還通過連桿上的面板，擠壓一次計數開關，向微處理器發出一個脈沖信號．微處理器接收脈沖信號后，計數，并把計數值，在計數器LCD顯示屏上顯示出來．

4）當往復機構運行到預置的摩擦次數時，微處理器控制電機停轉，并發出聲光報警信號，凸輪往復運動機構不再運動，從而完成了標簽的定量測試．

本設備利用釹鐵硼強磁，連接直線往復機構的連桿和測試用的砝碼，簡化了設計，既保證耐摩試驗時，需要的向下的壓力，又避免了橫向的分力，保證了檢測儀器的準確性．包裹砝碼的脫脂棉布，根據測試的需要，可以粘上清水，汽油等測試溶劑，砝碼也可根據需要選擇不同的質量大小，以方便測試人員根據需要選擇不同的摩擦力大小．

圖1 測試儀機械結構圖

2 測試儀電氣系統設計

測試儀電路原理圖如圖2所示，采用單片機STC89C51，作為控制核心，既可單獨運行使用，又可作為下位機（從機），按照標準的MODBUS-RTU網絡接口協議，與上位機（PC機，主機）組成分布式控制系統，接收主機發出的控制命令，完成相應的功能[1-3]．此外，多個測試儀還可通過RS-485總線，組成MODBUS網絡，統一納入上位機監控平臺，實現網絡化控制．測試儀程序主要包括主控程序和通信程序兩部分．

2.1 主控程序的設計

主控程序主要包括主程序、初始化子程序、矩陣鍵盤掃描子程序、外中斷1子程序、外中斷0子程序等．

主程序：主要完成系統的初始化；矩陣式鍵盤的掃描；摩擦次數的設置、修改；LCD液晶顯示；驅動電機的啟、停；聲光報警等功能．

外中斷1程序：用于接收計數開關輸入的脈沖信號．當計數值與預置數相同時，單片機控制驅動電機停轉，凸輪往復機構也隨之停止摩擦標簽．

外中斷0子程序：為防止測試儀運行時，意外斷電，本系統，還利用STC89C51自帶的2KB字節的E2PROM，設置了斷電數據保護電路并編寫了外中斷0子程序．該電路圖如圖3，系統正常運行，比較器L358輸出低電平，三極管9013不導通．如運行時意外斷電，系統5V電源隨之消失，系統則可利用電解電容 C8的短暫儲能功能，維持短暫的4.3V供電，通過比較器，輸出高電平，控制開關管9013導通，引發一次單片機外中斷0中斷，外中斷0子程序則負責把系統斷電前，設定的標簽摩擦次數、機構實際摩擦次數等數據記錄到單片機的E2PROM中，供系統斷電復位時，繼續使用，從而提高了設備的運行效率．

2.2 測試儀通信程序的設計

通信程序主要包括串口接收中斷子程序和定時中斷子程序，主要完成對主機命令的接收、存儲、CRC 校驗和對主機的應答，

圖2 測試儀電路原理框圖

圖3 斷電數據保護電路

2.2.1 通信協議

通信采用標準的Modbus-RTU協議，它目前國際智能化儀表普遍采用的主流通信協議之一，它是一種問答方式的通信協議．每次通信均由主機發出數據請求信息，從機接收到正確消息后，就可以發送數據到主機以響應請求；主機也可以直接發信息修改從機的數據，實現雙向讀寫．主機和從機必須共同遵守約定的數據格式及通信參數．設計方案約定測試儀（從機）的地址設置為 2，波特率為9600bps、1位起始位、8位數據位、1位偶校驗位、1位停止位．

2.2.2 串口接收中斷子程序

串口接收中斷子程序用于接收上位機發送的數據幀數據．在程序中，首先對接收的字符的時間間隔進行判斷，如果一幀數據結束前，字符出現不連續的現象，即字符之間的時間間隔大于1.5個字符時間，則串口接收計數器被清0，清空接收緩沖，并假定下一字節是新消息幀的第一字節；否則，將串口接收到的數據保存至緩沖區中，以得到消息幀．根據我們通信協議，每個字符11位（1個起始位、8個數據位、一個奇偶校驗位、一個停止位），則 1.5個字符時間間隔為：1000*1.5*11/9600=2 ms．

2.2.3 定時器0中斷子程序

定時器0中斷子程序流程圖如圖4，它首先對上位機發出的數據的時間間隔進行判斷，如果時間間隔大于 3.5字符時間間隔，則認為一次MODBUS通信接收命令完成，隨即進行報文的解析、報文的打包和數據發送等工作；否則退出．本系統支持3種MODBUS功能碼，各功能碼說明如表1．單片機若收到主機發來的03碼，則將指定讀的數據打包，并以 RTU 的消息結構返回主機；若收到的是05碼或06碼，則單片機將接收到的數據存儲并將原消息返回主機．單片機的通信程序編寫完成后，可以使用 MODBUS串口測試軟件進行調試，以加快軟件開發速度．該軟件能仿照上位機軟件發送數據命令，且方便觀測單片機的回復數據是否正確．

圖4 定時0中斷子程序流程圖

表1 程序功能碼說明表

2.3 上位機監控軟件的設計

本系統中，與主機配套的監控軟件界面如圖5所示，它采用VB6.0軟件進編寫[4]，監控部分包括：設備電源的開啟（06碼命令）和設備的啟動（05碼命令），摩擦次數的設置（06碼命令）與顯示（03碼命令）等．主機和從機之間通信的內容包括主機對從機的讀取和寫入，按MODBUS規定，只有主機具有主動權，從站只能被動的響應，包括回答出錯信息[5]．

2.3.1 數據接收與發送

本系統采用的是VB中的MSComm控件的事件驅動方式[6]接收數據．事件驅動方式與查詢方式相比，其優點是程序響應及時，可靠性高．初始化完成后，如果有數據到達，則會觸發OnComm事件，以接收數據．

命令字的發送，則嚴格按MODBUS 協議所設計的幀格式和上、下位機在該協議基礎上所定義的通信協議進行．

2.3.2 串行通信的設置與初始化

圖5 測試儀監控軟件

程序運行后，首先對串口初始化，按MODBUS通信協議規定，上位機程序需設置與從機一致的數據格式與通信參數，即波特率為 9600bps、數據幀格式為 8位、1位偶校驗位、1位停止位．由于串行端口發送和接受的數據均為二進制格式，因而我們需將MSComm控件的InputMode屬性設定為1；MSComm1中的RThreshold屬性也設為1，使得接收緩沖區每收到一個字符都會使 MsComm1控件產生OnComm事件．

2.3.3 數據幀的判別與應答

在主機程序中，Timer1定時器事件是整個程序的核心，用于對接收到的數據幀，進行有效性判別和應答．定時掃描時間間隔，在程序中設定為1ms，其程序運行具體過程如下：

1）首先程序判斷時間間隔是否超過了3.5個字符時間間隔（4ms），如果超過，則認為數據幀接收結束，關閉接收事件，開始處理接收信息，否則退出．

2）從機返回的第一個數據是站號，第二個是命令碼．如果通信有誤，返回的命令碼則被加80H．因而在程序中，如判斷出接收的命令碼大于81H，則說明通信碼有誤，這時從機返回的第三個數據就是錯誤號了．程序通過錯誤號，即可判斷錯誤的類別，并可以把它們顯示出來．

3）反之，接收的命令碼小于81H，說明通信正常，程序則重新定義數組，存儲除去校驗和以外的所有接收數據，并計算校驗．如校驗有誤，重新打開接收事件，等待下一次接收．

4）如校驗無誤，則程序判斷是何種功能碼，以解析和應答接到的數據，完成后，打開接收事件，等待下一次接收．

以上程序設計中，需要強調的是，主機接收到的命令碼正確，只能說明從機接收到了主機的正確信息，返回的是正確的命令碼．如果通信線路有干擾，還可能有其他的錯誤，只有校驗和計算正確了，才基本上可以斷定沒有通信錯誤．

[1] 張渝，劉楓．一種 Modbus遠程監控系統框架及其實現與教學應用[J]．西南大學學報（自然科學版），2010，32（9）：126-128．

[2] 鄒紅利，葛洲．簡化的 MODBUS通信協議在實時通訊控制中的應用[J]．武漢工業大學學報，2009，28（4）：90-93．

[3] 線巖團，許江淳，鄢大鵬．基于單片機的 MODBUS的協議實現[J]．云南大學學報（自然科學版），2009，31（S2）：120-124．

[4] 李江全，湯智輝，朱東芹，等．Visual Basic數據采集與串口通信測控應用實戰[M]．北京：人民郵電出版社，2010．

[5] 劉鳳新，馮麗，王磊．電網分析儀與 PC機間串行通訊的設計與實現[J]．北京化工大學學報，2004，31（2）：97-99．

[6] 張輝，李榮利，王和平．Visual Basic串口通信及編程實例[M]．北京：化學工業出版社，2012．