基于無線通信的多卡尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

曹明瑞 丁嘉輝 王子良 唐大衛(wèi) 劉玲 劉白雪

遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，中國·遼寧 鞍山 114051

1 引言

LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C 和BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是Lab-VIEW 與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用了文本式的代碼，而LabVIEW 使用的是圖形化語言，也被叫做G 語言，程序是由框圖的形式編寫，它擁有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW 的函數(shù)庫有數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、顯示及數(shù)據(jù)存儲等等。LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，便于程序的調(diào)試。Lab-VIEW 是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，目前它已經(jīng)廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，并且已經(jīng)擁有了許多書籍提供學(xué)習(xí)參考[1]。論文通過結(jié)合經(jīng)典狀態(tài)機(jī)框架和其他框架，制作成上位機(jī)，以達(dá)到智能高效目的。

2 應(yīng)用領(lǐng)域

在工業(yè)測量領(lǐng)域，尤其是鋼廠產(chǎn)品檢測方面，以往傳統(tǒng)的檢測方式是需要工人對產(chǎn)品檢測得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并人工比對，由于檢測的產(chǎn)品數(shù)量往往很多，耗費(fèi)人力也浪費(fèi)鋼廠的財(cái)力，而且檢測效率極低，沒有實(shí)時(shí)性。為滿足上述需求，利用下位機(jī)卡尺檢測數(shù)據(jù)，并多卡尺同時(shí)傳送數(shù)據(jù)，即實(shí)現(xiàn)一對多或多對一功能，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，數(shù)據(jù)處理，方便檢測員或老板復(fù)檢[2]。

論文提出基于無線通信的多卡尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)上位機(jī)的設(shè)計(jì)方案。論文重點(diǎn)解決以下幾點(diǎn)問題：

（1）上位機(jī)的總體框架設(shè)計(jì)。

（2）上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用方案。

（3）上位機(jī)數(shù)據(jù)庫處理方案。

3 總體框架設(shè)計(jì)

狀態(tài)機(jī)是LabVIEW 中的一種高效的編程模式，在While循環(huán)中加入枚舉控件，通過自定義枚舉控件，讓系統(tǒng)處于不同狀態(tài)時(shí)做出該狀態(tài)的工作，通過While 循環(huán)的嵌套讓系統(tǒng)進(jìn)行不間斷的狀態(tài)判斷跳躍工作，數(shù)據(jù)通過移位寄存器儲存，最后發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊，達(dá)到高效，迅速，簡單的編程模式。而創(chuàng)建LabVIEW 狀態(tài)機(jī)包含四個(gè)基本執(zhí)行元素：

（1）While 循環(huán)－執(zhí)行多個(gè)迭代直至符合停止條件。

（2）條件結(jié)構(gòu)－包含表示狀態(tài)機(jī)每個(gè)狀態(tài)的特殊代碼。

（3）狀態(tài)枚舉－定義狀態(tài)機(jī)的所有狀態(tài)。

（4）移位寄存器－包含在當(dāng)前迭代中執(zhí)行的前一個(gè)迭代指定的狀態(tài)。

基于無線通信的多卡尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了經(jīng)典的狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)框架，本系統(tǒng)通過經(jīng)典狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)改良，以測量三個(gè)測量點(diǎn)為模型創(chuàng)建了6 個(gè)自定義狀態(tài)：初始化、等待、測量點(diǎn)A、測量點(diǎn)B、測量點(diǎn)C、結(jié)束。通過下位機(jī)卡尺數(shù)據(jù)上傳，上位機(jī)進(jìn)行對測量點(diǎn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，進(jìn)入測量點(diǎn)狀態(tài)通過數(shù)據(jù)對比模塊判斷，再通過狀態(tài)燈的狀態(tài)顯示是否合格，達(dá)到數(shù)據(jù)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)效果，數(shù)據(jù)通過移位寄存器儲存，然后送入數(shù)據(jù)處理分析模塊，將數(shù)據(jù)簡單應(yīng)用計(jì)算，數(shù)據(jù)處理上傳數(shù)據(jù)庫，結(jié)束后通過波形圖方式，觀察標(biāo)準(zhǔn)差波形圖可以可視化觀察數(shù)據(jù)是否合格以及偏差狀況。

基于無線通信的多卡尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖如圖1所示：

圖1 游標(biāo)卡尺控制系統(tǒng)圖

LabVIEW 經(jīng)典狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)框架[3]如圖2所示：

圖2 LabVIEW 經(jīng)典狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)框架

4 基于無線通信的多卡尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 界面設(shè)計(jì)

通過模擬測量數(shù)據(jù)為三個(gè)點(diǎn)，建立一個(gè)三個(gè)點(diǎn)的系統(tǒng)模型，達(dá)到檢測三個(gè)測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集傳輸，數(shù)據(jù)比對，數(shù)據(jù)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)庫建立，數(shù)據(jù)偏離波形圖等功能模塊，建立其以上功能模塊界面，并且通過模塊指示燈可以指示模塊使用與否狀態(tài)，通訊指示燈用于指示上位機(jī)和模塊間的通訊狀態(tài)，再建立其輔助按鈕進(jìn)行各模塊化運(yùn)行。具體上位機(jī)界面如圖3所示：

圖3 多卡尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)界面

4.2 數(shù)據(jù)比對功能

首先建立合格率自定義輸入框，數(shù)據(jù)采集后通過自定義合格率進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，通過數(shù)據(jù)比對模塊進(jìn)行計(jì)算比對，在狀態(tài)機(jī)框架下進(jìn)行循環(huán)工作。數(shù)據(jù)比對模塊部分界面如圖4所示：

圖4 數(shù)據(jù)比對模塊部分界面

4.3 數(shù)據(jù)簡單應(yīng)用計(jì)算功能

在工業(yè)現(xiàn)場，檢測其元器件時(shí)通常要求計(jì)算周長，面積，體積等指標(biāo)。本系統(tǒng)通過While 循環(huán)與條件循環(huán)嵌套，在數(shù)據(jù)采集及計(jì)算按鈕輔助下進(jìn)行計(jì)算。部分簡單輔助功能如圖5所示。

圖5 圓形（球）型的應(yīng)用簡單計(jì)算界面

4.4 數(shù)據(jù)偏離可視圖功能

由于積累數(shù)據(jù)過于龐大，在工廠里各數(shù)據(jù)都需要人工進(jìn)行測量、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，耗費(fèi)人力，基于上位機(jī)系統(tǒng)，為了達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)合格程度與偏離程度，通過數(shù)據(jù)處理以波形圖形式呈現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)偏離程度，并且實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)日志。此功能基于通過狀態(tài)機(jī)框架，通過狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，各個(gè)測量點(diǎn)獨(dú)立建立波形圖，通過選項(xiàng)卡整合到一起，達(dá)到實(shí)時(shí)觀看效果。部分?jǐn)?shù)據(jù)偏離可視圖功能如圖6所示：

圖6 數(shù)據(jù)偏離可視圖功能界面

4.5 數(shù)據(jù)表格與數(shù)據(jù)庫功能

由于工廠中生產(chǎn)數(shù)據(jù)過于龐大，各數(shù)據(jù)都需要人工進(jìn)行測量、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，耗費(fèi)人力，為了解決數(shù)據(jù)記錄功能，基于DB Tools Insert Data VI 互通接口功能與Microsoft office Access 數(shù)據(jù)庫軟件結(jié)合[4]，再基于狀態(tài)機(jī)框架，將數(shù)據(jù)表格和數(shù)據(jù)庫功能置于數(shù)據(jù)等待區(qū)，在每一組數(shù)據(jù)工作結(jié)束后進(jìn)行上傳及顯示，并且在數(shù)據(jù)表格及數(shù)據(jù)庫中也明確標(biāo)明了時(shí)間，工作人員編號，測量點(diǎn)數(shù)據(jù)，測量點(diǎn)是否合格的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能讓檢測人員通過訪問Microsoft office Access 數(shù)據(jù)庫時(shí)利用搜索排除功能達(dá)到檢測不合格的零件。數(shù)據(jù)表格與數(shù)據(jù)庫功能如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)表格與數(shù)據(jù)庫功能界面

4.6 通訊功能

由于下位機(jī)通過了使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并通過WiFi無線模塊將數(shù)據(jù)傳至pc 終端，則利用LabVIEW 的TCP/IP打開數(shù)據(jù)模塊，TCP/IP 讀取數(shù)據(jù)模塊，TCP/IP 寫入數(shù)據(jù)模塊和TCP/IP 關(guān)閉數(shù)據(jù)模塊，連接組合構(gòu)成經(jīng)典LabVIEW TCP/IP 通訊模塊，便可以建立起下位機(jī)對上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。TCP/IP 通訊界面如圖8所示：

圖8 TCP/IP 通訊界面

4.7 系統(tǒng)程序功能實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)和下位機(jī)在獨(dú)立編寫完成之后，對其進(jìn)行實(shí)地通訊調(diào)試。

利用下位機(jī)與游標(biāo)卡尺結(jié)合對所測鋼管進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)由游標(biāo)卡尺通過串口轉(zhuǎn)WiFi 形式，將數(shù)據(jù)傳至PC 上位機(jī)終端。上位機(jī)通過接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行校驗(yàn)比對，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)分析并進(jìn)行數(shù)據(jù)表格整理歸納。

實(shí)驗(yàn)表明上位機(jī)能和下位機(jī)能穩(wěn)定通訊、上位機(jī)能穩(wěn)定工作，上位機(jī)能穩(wěn)定快速控制下位機(jī)無線采集模塊，上位機(jī)能穩(wěn)定的讀取、存儲下位機(jī)傳回的實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)。

上位機(jī)流程圖如圖9所示[5]：

5 結(jié)語

論文實(shí)現(xiàn)基于無線通信多卡尺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一對多或多對一的無線數(shù)據(jù)傳輸，以及數(shù)據(jù)比對，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)分析等功能，完成了對整個(gè)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行工作?；跓o線通信多卡尺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)，通過下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集，以TCP/IP通訊方式傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行對其數(shù)據(jù)比對，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)庫表歸納等功能，將不合格產(chǎn)品自動(dòng)報(bào)警，相對于人工檢測,大大降低了誤判幾率，大幅度提高了工作效率，系統(tǒng)工作完成后的數(shù)據(jù)庫表格考研方便后續(xù)測量人員測量檢查。