機器設(shè)備噪聲監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

施 祥

（浙江科技學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，杭州310023）

對于機器設(shè)備產(chǎn)生的非穩(wěn)態(tài)噪聲，一般需要了解其任意時刻的噪聲大小。聲級計可以簡便快捷地測量設(shè)備的瞬時噪聲值，但其測量顯示窗口較小，肉眼長時間觀察容易疲勞，而且聲級計只能靠近機器設(shè)備測量。隨著微機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，由PC機結(jié)合單片機系統(tǒng)構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)已成為單片機技術(shù)發(fā)展的一個方向，它結(jié)合了單片機的實時數(shù)據(jù)采集和微機對圖形處理、顯示的優(yōu)點［1］。

基于此，筆者設(shè)計了一個基于單片機的聲級計與PC機連接的機器設(shè)備噪聲監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)PC機用戶界面與聲級計顯示窗口的測量數(shù)據(jù)實時一致，并可在PC機界面上實現(xiàn)噪聲測量值超限報警功能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)由聲級計、PC機和RS232串口通信線聯(lián)結(jié)構(gòu)成。圖1為系統(tǒng)組成示意圖。聲級計采用AWA6228型多功能聲級計，該聲級計可以以A、C、Z的3種并行頻率計權(quán)及F、S、I的3種并行的時間計權(quán)，可以同時測量多種聲音評價指標。通過RS232串口通信線可以把聲級計的瞬時噪聲測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C（最遠傳輸距離可以達到15～20m）。

圖1 機器設(shè)備噪聲監(jiān)測系統(tǒng)Fig．1 Monitoring system for machines noises

2 軟件設(shè)計

在PC機上實現(xiàn)與聲級計串行通信的編程語言有很多，VB、C＋＋、MATLAB等編程語言都可以實現(xiàn)。與VB、C＋＋語言相比，MATLAB的計算機串口操作更加簡化，只要幾個語句就能實現(xiàn)對串口數(shù)據(jù)的讀寫操作，而且擁有豐富的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，因此在設(shè)計時采用MATLAB語言來進行軟件編寫［2－4］。為了方便用戶使用，進一步利用MATLAB圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（簡稱GUIDE），開發(fā)一個完整的圖形用戶界面（簡稱GUI）。

2．1 MATLAB串口基本操作

在PC機上使用MATLAB軟件與其他設(shè)備進行串口通信，一般要進行創(chuàng)建串口、打開串口、讀取串口、斷開及清除串口等操作［5］。

2．1．1 創(chuàng)建串口對象并設(shè)置其屬性

用serial函數(shù)創(chuàng)建一個串口對象，語句格式為scom＝serial（‘port’）。接著，按表1設(shè)置串口對象的常見屬性。

對于RS－232串口設(shè)備對象，其屬性的缺省值為波特率9 600b／s，異步方式，通信數(shù)據(jù)格式為8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，1位停止位。

2．1．2 打開串口對象

用fopen函數(shù)打開串口，聯(lián)結(jié)串口對象到外圍設(shè)備。語句格式為fopen（scom）。

2．1．3 讀寫串口操作

打開串口對象之后，可以對串口設(shè)備對象進行讀寫操作。對ASCII文本格式的數(shù)據(jù)，MATLAB讀寫串口設(shè)備的命令分別是fscanf、fpritf；二進制格式則使用fread、fwrite命令。

2．1．4 斷開并清除串口對象

當不再使用串口對象時，使用fclose（scom）函數(shù)斷開串口對象與外設(shè)的聯(lián)結(jié)。然后使用delete（scom）將串口對象從內(nèi)存中刪除，最后可使用clear scom命令清除工作空間中的串口對象。

可見，在MATLAB中進行串行通信是十分方便的，編程較為簡單。而且，在MATLAB中串行通信的失誤率很低，通信較為可靠，同時，也可以采用增加握手信號及數(shù)據(jù)校驗等方式進一步增加通信的可靠性［6］。

表1 串口對象的常見屬性Table 1 Common properties ofserial port object

2．2 GUI界面設(shè)計

設(shè)計的系統(tǒng)界面見圖2。界面主要分3個區(qū)域：測量值顯示區(qū)，串口通信設(shè)置區(qū)，用戶指令區(qū)。測量值顯示區(qū)用來同步顯示聲級計的測量值，串口通信設(shè)置區(qū)用來設(shè)置PC機和聲級計串行通信時的參數(shù)設(shè)置，用戶指令區(qū)可以輸入用戶指令、預(yù)設(shè)報警值。其中用戶指令區(qū)的“打開串口”“手動接收”“自動接收”控件均采用表示二值狀態(tài)的切換按鈕（如“打開串口”與“關(guān)閉串口”）。

圖2 系統(tǒng)界面Fig．2 System interface

2．3 主要程序模塊

系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能主要有：

1）創(chuàng)建串口對象，并根據(jù)聲級計的計算機串口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議配置串口屬性；

2）打開串口進行數(shù)據(jù)傳輸；

3）PC機根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，與設(shè)定值進行比較，超限報警；

4）斷開串口聯(lián)結(jié)并清除串口對象。

根據(jù)需要實現(xiàn)的功能在各個控件對象的回調(diào)函數(shù)callback下編寫相應(yīng)的程序代碼，就可以實現(xiàn)整個設(shè)計的功能。系統(tǒng)軟件主要有以下3個程序模塊。

2．3．1 串口屬性配置

根據(jù)AWA6228聲級計的計算機串口傳輸協(xié)議，配置串口通信屬性，即可實現(xiàn)PC機與該聲級計串行通信。在“打開串口”按鈕控件的callback函數(shù)下編寫如下程序代碼：

global scom %設(shè)置串口對象為全局變量

if get（hObject，′value′） %判斷按鈕是否按下

com＿n＝sprintf（′com%d′，get（handles．com，′value′））； %獲取串口號

scom＝serial（com＿n）； %創(chuàng)建串口對象

scom．BaudRate＝115200； %設(shè)置波特率

scom．Parity＝odd； %設(shè)置奇校驗

scom．InputBufferSize＝39； %設(shè)置緩沖區(qū)大小

fopen（scom）； %打開串口聯(lián)結(jié)到聲級計else %當按鈕未按下時

fclose（scom）； %關(guān)閉串口

delete（scom）； %從內(nèi)存刪除串口

clear scom %從工作空間刪除串口end

2．3．2 數(shù)據(jù)的手動接送并處理

手動接受功能，每次按鈕按下時，聲級計的數(shù)據(jù)即傳輸?shù)接嬎銠C一次。根據(jù)聲級計與計算機傳輸協(xié)議里給出的數(shù)據(jù)傳輸指令和數(shù)據(jù)顯示形式，以及設(shè)計要求的報警功能，在“手動接收”按鈕的callback函數(shù)下編寫如下程序代碼：

%%PC機發(fā)送傳輸指令給聲級計，并接收測量數(shù)據(jù)

global scom

fprintf（scom，＇AWAB＇）； %PC機發(fā)傳輸指令＇AWAB＇給聲級計

A＝dec2hex（fread（scom））； %接收聲級計的數(shù)據(jù)

B＝floor（hex2dec（［A（15，：）A（14，：）］）／10）／10； %讀取Z計權(quán)聲級值，轉(zhuǎn)換為十進制

C＝floor（hex2dec（［A（27，：）A（26，：）］）／10）／10； %讀取 A計權(quán)聲級值，轉(zhuǎn)換為十進制

switch get（handles．huoqu，＇value＇） %判斷“顯示值”按鈕狀況

case 1；set（handles．xianshi，＇string＇，num2str（B，＇%．1f＇）） %使Z計權(quán)值在顯示框顯示

case 2；set（handles．xianshi，＇string＇，num2str（C，＇%．1f＇）） %使 A 計權(quán)值在顯示框顯示

end

%%比較噪聲測量值與設(shè)定值，超過則報警顯示

(1) 從力平衡條件出發(fā)，推導(dǎo)了裂隙開展的間距和寬度的表達式，據(jù)此提出了開裂最大間距和寬度的概念，提出了最大間距和最大寬度的概念，可用于判定裂隙最終規(guī)模的依據(jù)。

d＝str2num（get（handles．xianshi，＇string＇））； %獲取噪聲測量值

z＝str2num（get（handles．baojing，＇string＇））； %獲取報警值

if d＞z；set（handles．xianshi，＇BackgroundColor＇，［100］） %界面顯示區(qū)呈紅色報警顯示end

2．3．3 數(shù)據(jù)的自動接收并處理

要使得PC機的聲音顯示與聲級計顯示同步，即實現(xiàn)自動接收功能，則必須采用定時器對象，同時在定時周期到來時自動執(zhí)行“手動接收”按鈕下的callback函數(shù)。在“自動接收”按鈕的callback函數(shù)下編寫如下程序代碼：

if get（hObject，＇value＇） %當“自動接收”按鈕按下時

t1＝0．001＊str2num（get（handles．shijian，＇string＇））； %獲取周期值

t＝timer（＇BusyMode＇，＇queue＇，＇ExecutionMode＇，．．． %創(chuàng)建定時器，定時周期到來

｛＠fasong＿Callback，handles｝）；

start（t）；%啟動定時器

else %當“自動接收”按鈕未按下時

stop（t）；delete（t）； %停止定時器，刪除定時器

clear t

end

3 實測結(jié)果

采用該系統(tǒng)對某機器設(shè)備噪聲進行實際測量，設(shè)定報警值為40dB，測量結(jié)果符合設(shè)計要求。圖3顯示設(shè)備噪聲值為39．8dB，低于設(shè)定值的測量結(jié)果，與聲級計做到同步顯示。圖4顯示超過設(shè)定值時，測量顯示框底色呈現(xiàn)紅色報警狀態(tài)。

4 結(jié) 語

設(shè)計了一個基于單片機的聲級計與PC機連接的機器設(shè)備噪聲監(jiān)測系統(tǒng)。利用MATLAB GUIDE便捷的界面設(shè)計環(huán)境，以及MATLAB簡易的串口操作函數(shù)，實現(xiàn)了PC機與聲級計之間的實時數(shù)據(jù)傳輸顯示，從而可以實現(xiàn)較遠距離噪聲測量，并在噪聲測量值超出設(shè)定值時給出報警提示。該系統(tǒng)界面友好，易于操作，可方便地應(yīng)用在機器設(shè)備噪聲的檢測領(lǐng)域。

［1］ 王文中，郭楠，葛慶平．PC機與單片機串口通信模型的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．首都師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004（S1）：1－3．

［2］ 王戰(zhàn)軍，沈明．基于 Matlab GUI的串口通信編程實現(xiàn)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（9）：38－40，44．

［3］ 張園，邢彥梅，何巧．基于 MATLAB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．電聲基礎(chǔ)，2010，34（9）：37－39．

［4］ Wang C H，Yang Z J，Wen B Y．Serial communications programming in windows95with API functions［J］．Wuhan University Journal of Natural Sciences，2000，5（3）：323－328．

［5］ 羅華飛．MATLAB GUI設(shè)計學(xué)習(xí)手記［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009：224－367．

［6］ 趙云鵬．MATLAB串口通信在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用［J］．微計算機信息，2006，22（1）：111－112．