基于LabVIEW的串口通信燃?xì)庠罹咦詣訙y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估該產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)，家用燃?xì)庠罹邍覙?biāo)準(zhǔn)以及能效和節(jié)能評價的準(zhǔn)則，對燃?xì)庠罹吣苄y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)需同時監(jiān)測和讀取溫度、壓力、流量和環(huán)境等多個參數(shù)，此外還要求長時間的攪拌操作。過去灶具能效測試一般是手工操作，使用指針式壓力表、流量計及水銀溫度計等傳統(tǒng)儀器，精度不高。由于長時間持續(xù)觀測和人工攪拌，工作強(qiáng)度大效率低下，對人員依賴性大，容易造成誤差；人工測試缺乏自動化采集，數(shù)據(jù)需后期整理才能知道結(jié)果，未能更直觀的評價灶具性能實(shí)況，不利于技術(shù)人員對測試的影響因素深入研究。目前國內(nèi)僅少數(shù)先進(jìn)的檢測機(jī)構(gòu)開始自動化燃?xì)饩邫z測設(shè)備研究[,3,4,5]，落后的數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)方法與計算機(jī)信息化不相符合，檢測自動化水平亟需提高。

鑒于此，我們研發(fā)一種燃?xì)庠罹咦詣訙y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)灶具檢測時的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時監(jiān)控、結(jié)果運(yùn)算分析和自動控制機(jī)械攪拌等功能。用以簡便操作，減少誤差，提高精度和工作效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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和氣缸動作控制模塊等。所有I/O模塊均通過RS485總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)底層是各種測量參數(shù)的傳感器和閥門開關(guān)控制器，傳感器的電信號輸出線與I/O模塊信號采集通道相連，傳感器測量端按標(biāo)準(zhǔn)連接到被測灶具上。系統(tǒng)使用壓縮空氣作為動力源，驅(qū)動機(jī)械手進(jìn)行攪拌動作。此外，系統(tǒng)主控計算機(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。

測試系統(tǒng)自動數(shù)據(jù)采集和過程控制的原理如下：

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；模擬電信號被模擬量采集模塊收集后，轉(zhuǎn)化為RS485數(shù)字信號后發(fā)送到總線上，再經(jīng)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成計算機(jī)可接收的RS232信號；上位機(jī)通過連續(xù)讀取串口即可獲得各物理參數(shù)值進(jìn)行實(shí)時顯示和監(jiān)控。與此同時，計算機(jī)運(yùn)行條件判斷程序，一旦滿足觸發(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/關(guān)閉燃?xì)忾y門和控制機(jī)械臂進(jìn)行攪拌動作。整個過程為計算機(jī)自動控制，無須手動記錄數(shù)據(jù)和干預(yù)。

1.2 系統(tǒng)硬件模塊配置

自動測試系統(tǒng)按照燃?xì)庠罹邍鴺?biāo)規(guī)定的測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?、水溫度等多個溫度對象的監(jiān)測。需要更多數(shù)據(jù)輸入通道時，可并聯(lián)相同模塊來使用。 燃?xì)鈮毫ΡO(jiān)測使用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4~20mA，精度±0.25%， 采樣點(diǎn)為流量計內(nèi)壓力和灶前壓力。燃?xì)饬髁繙y試：采用日本品川W—NK-5濕式氣體流量計，通過光電編碼器輸出脈沖信號，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、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，利用控制的閉合來控制燃?xì)夤苈冯姶砰y的開閉以及攪拌器的機(jī)械動作。

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模塊與主控計算機(jī)之間的通信協(xié)議設(shè)置，各個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，無奇偶校驗(yàn)，無軟件握手協(xié)議。

2 系統(tǒng)軟件程序

2.1 前面板用戶界面

本系統(tǒng)軟件程序是基于labview環(huán)境進(jìn)行編寫的，程序的前面板如圖3,它是測試系統(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。用戶界面有燃?xì)鈮毫?、燃?xì)饬髁?、環(huán)境溫度、加熱水溫度的實(shí)時顯示控件，可以動態(tài)顯示各溫度、壓力等原始測量值，需復(fù)雜運(yùn)算熱負(fù)荷和熱效率等結(jié)果也能實(shí)時顯示出來。人機(jī)用戶界面也提供了表格和曲線顯示功能，以便測試人員對檢測情況進(jìn)行分析。

2.2 Labview后臺編程

系統(tǒng)的后臺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)、條件判斷等編程語言結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)用戶互動操作、參數(shù)輸入、命令下達(dá)、條件程序走向、動作重復(fù)、數(shù)據(jù)處理和存儲等功能。系統(tǒng)的子程序包括溫度采集、壓力采集、氣體流量以及開關(guān)控制子程序等，每個子程序控制各自對于的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)動程序圖框。程序開始時，打開COM1串口，使用“VISA Write”函數(shù)對串口寫入AscII碼命令：#02 01，采集模收到指令后向計算機(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

為檢驗(yàn)燃?xì)庠罹咦詣訙y試系統(tǒng)的有效性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，我們在相同的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下對同一家用燃?xì)庠罹邩悠罚ㄐ吞朖ZT-A,左3.6kW右3.6kW）分別進(jìn)行熱負(fù)荷和熱效率測試比對試驗(yàn),數(shù)據(jù)表1。由比對結(jié)果可見，自動測試系統(tǒng)連續(xù)兩次測量一致性較好，連續(xù)兩次測量偏差＜±0.5%。自動測試采用計算機(jī)采集數(shù)據(jù)，避免人工操作和讀數(shù)帶來的誤差，提高了測試準(zhǔn)確度。

表1 測試數(shù)據(jù)比對

4 結(jié)論

基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)開發(fā)的燃?xì)庠罹咦詣訙y試系統(tǒng)，采用VISA串口通信函數(shù)功能來實(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)時顯示測量數(shù)據(jù)和結(jié)果、監(jiān)測環(huán)境條件和自動控制測試進(jìn)程。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)灶具自動化測試，減少人為干擾因素，測試準(zhǔn)確度和一致性優(yōu)于傳統(tǒng)人工方式。

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

[2]《家用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ岛湍苄У燃墶放c節(jié)能產(chǎn)品惠與節(jié)能產(chǎn)品惠民工程概況，中國標(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測試臺的研制[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測設(shè)備嵌入式軟件[J].機(jī)械制造與自動化，2011,3