基于LabVIEW的零件尺寸公差檢測儀

吳 韌，蔡偉義

WU Ren, CAI Wei-yi

（南京林業大學 汽車及交通工程學院，南京 210037）

0 引言

尺寸公差是機械零件生產制造中的重要檢測項目。傳統人工檢測速度慢和效率低，使用專用檢測設備成本高，并且難以實現通用性。基于LabVIEW的零件尺寸公差檢測儀，將尺寸公差檢測儀虛擬化，通過傳感器、信號采集板和PC機完成整個測量工作，操作方便快捷、顯示直觀、精度高且容易實現通用性。LabVIEW和數據采集板卡相配合，能構成整套復雜的測試測量系統，但由于數據采集板卡價格昂貴且安裝不方便，本文使用單片機作為前端數據采集系統，將采集數據通過單片機串口發送至PC機，在LabVIEW平臺上完成數據的分析、顯示和人機交互[1]。

1 下位機系統設計

1.1 硬件設計部分

下位機系統主要包括單片機、電源模塊、信號輸入及調理模塊、串口發送模塊等。單片機采用Atmel公司生產的ATmega16型8位處理器。傳感器檢測零件尺寸，輸出電壓信號為-5V～+5V，輸入調理模塊將信號隔離并抬高至0V～+10V，經電阻分壓后接入單片機。單片機使用自帶的10位ADC將調理好的電壓信號進行模數轉換，并將轉化后的結果通過串口發送模塊發送至上位機，MAX232芯片完成TTL和RS-232的電平轉換[2]。

1.2 軟件設計部分

下位機的程序主要包括三個部分：模塊初始化子程序、A/D轉換子程序和串口發送子程序。軟件流程圖如圖1所示。由于本例中需要不停的采集傳感器信號并通過串口向PC機發送實時數據，故自行設計了簡單的應用層通訊協議，將數據按幀格式發送，通過LabVIEW程序尋找幀頭，以實現數據的可靠交付傳輸。串口數據幀格式如圖2所示。

圖1 下位機軟件流程圖

圖2 串口數據幀格式

2 上位機系統設計

2.1 LabVIEW串口模塊

采用LabVIEW的VISA(Virtual Instrument Software Architecture)串行通訊子VI來開發串行通信模塊。主要包括VISA Configure Serial Port.vi：將指定的串口按特定設置初始化，包括波特率、數據格式等。VISA Write.vi：將寫入緩沖區的數據寫入指定的設備或接口中。VISA Read.vi：從指定的設備或接口中讀取指定數量的字節，并將數據返回至讀取緩沖區。VISA Close.vi：將打開的串口關閉[3,4]。由于在LabVIEW平臺中串行通信數據是以字符串為格式，故將串口得到的數據通過字符串至字節數組轉換控件轉換成十六進制數組。為了滿足自行制定的應用層協議，在LabVIEW串口接受子模塊中，加入了由搜索一維數組（Search 1D Array）和while循環構成的數據幀的解析功能模塊，由此尋找出數據幀幀頭，最終提取出傳感器電壓信號的數字量，具體程序如圖3所示[5]。

圖3 串口模塊程序圖

2.2 按鍵輸入模塊

LabVIEW按鍵模塊完成對六個按鍵的監測和識別，不同按鍵相組合，實現不同的功能，主要有標準上下公差的設定、分辨率的設定和設置密碼等。功能狀態通過模擬6位8段數碼管的字符串控件顯示。設計時將按鍵封裝成簇，當有按鍵按下后，簇的值將發生改變，同時觸發事件結構，在事件結構中完成按鍵的識別和按鍵指令的編寫。按鍵識別通過將簇結構轉化成數組，再搜索數組中數據的值來實現。不同的按鍵激活不同的case結構，在case結構中完成按鍵功能的編寫。由于按鍵所需實現的功能較多，故使用了基于狀態機的編程思路，即按鍵內部的邏輯通過引入狀態標志來轉換，狀態標志和數碼管控件通過移位寄存器傳遞至下一個循環。具體程序如圖4所示。

圖4 按鍵輸入模塊程序圖

2.3 燈光柱顯示模塊

燈光柱顯示模塊使用布爾數組模擬了一百個三色LED燈，通過燈光柱高度的變化，實時的顯示了傳感器所測得零件的尺寸和設定的標準尺寸的偏差：中間位置為零刻度，表示無偏差；往上往下分別表示為上偏差和下偏差。同時，通過燈光柱顏色的改變，直觀的反映了零件是否符合公差要求：當燈光柱為綠色時，表示符合；為黃色時，說明所測零件尺寸已接近最大公差值，表示警告；為紅色時，說明所測零件尺寸已超出最大公差值，表示不符合。顏色的改變可通過調用布爾數組的顏色屬性節點來完成。LabVIEW公式節點（Formula Node）完成了通過LabVIEW串口通信模塊得到的傳感器電壓值和按鍵模塊輸入的標準尺寸值的比較計算，公式節點中使用C語言編程，將計算結果用狀態標識符返回，來控制case結構的跳轉，實現對燈光柱的控制。子模塊程序框圖如圖5所示[6]。

圖5 等光柱顯示模塊程序圖

3 系統測試和結果

系統上電復位后，即可通過LabVIEW界面中的按鍵輸入模塊輸入標準零件的尺寸，當參數設置完成后，系統自動進入測量狀態。此時，將待測零件置于傳感器測量的規定位置，傳感器便測出了該零件的實際尺寸，以電壓值的方式傳送至下位機信號調理系統，該系統將所測信號通過串口發送至上位機LabVIEW軟件，最終以燈光柱的方式給出測試結果。顯示界面如圖6所示。

圖6 前面板顯示界面

4 結束語

通過LabVIEW軟件將零件尺寸公差測試儀虛擬化，運用PC機強大的運算能力完成工業測試測量。它的優點是：1）LabVIEW所使用的G語言方便快捷，便于項目初期定型和快速研發，提高了開發效率；2）使用軟件作為測試手段，可以減少昂貴的專用設備投資，同時降低了設備維護成本，使經濟效益大為提高；3）軟件便于維護升級，為儀器功能擴展提供了廣闊的空間。同時，虛擬儀器也面臨著一些問題和不足，諸如系統精度、抗干擾能力等。在后續研究中，嘗試把互聯網絡通訊引入系統，即通過TCP/IP協議，把數據傳送至Internet網或另一臺計算機。這樣，工程技術人員即使不在控制現場,也可以通過網絡隨時了解現場的控制系統運行情況和系統參數的實時變化,并可根據具體情況通過網絡在客戶計算機上對在控制現場運行于服務器計算機的控制系統發出命令，及時調整現場控制系統運行狀況，從而達到遠程控制的目的[7]。可使測試系統更加靈活方便，檢測儀產品更具有競爭力。

[1]于禎,王秀清.基于LabVIEW與單片機串口的信號處理的研究[J].天津科技大學學報,2004:35-38.

[2]馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京:航空航天大學出版社,2009:13-14.

[3]楊樂平,李海濤,趙勇,等.LabVIEW高級程序設計[M].北京:清華大學出版社,2003:326-336.

[4]陳錫輝,張銀宏.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2007:296-302.

[5]鄭雁階,黃惟公,張丹.基于LabVIEW與USB接口的實時數據采集系統[J].電子技術,2009:77-79.

[6]祁寧,陳慶官.運用LabVIEW編程模擬PIC單片機A/D轉換[J].微計算機信息,2009:117-118.

[7]閻世棟.在虛擬儀器LabVIEW平臺中串行通信模塊的應用[J].國外電子測量技術,2004:39-40.