摘要：在常用的傳動元件蝸桿的生產(chǎn)中，可以通過檢測蝸桿副嚙合運(yùn)動時(shí)傳動中心距的變化來快速檢測其加工是否合格。基于虛擬儀器設(shè)計(jì)理論，以LabVIEW8．6虛擬儀器作為軟件開發(fā)平臺，單片機(jī)STC89C55作為下位機(jī)主控芯片，設(shè)計(jì)出適合實(shí)際需要的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)字式傳感器光柵尺和角編碼器結(jié)合單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。利用串行通信的方式在上位機(jī)的LabVIEW8．6上實(shí)現(xiàn)了光柵測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)圖形顯示和分析統(tǒng)計(jì)等功能。
關(guān)鍵詞：LabVIEW8．6；蝸桿；光柵尺；角編碼器；單片機(jī)；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集

引言
    傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備測量儀器，其功能固定、擴(kuò)展性差，且測試系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間長。美國國家儀器NI公司于1986年提出的虛擬儀器的概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革。其將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。而NI公司開發(fā)的圖形化開發(fā)平臺LabVIEW無疑是虛擬儀器的杰出代表。
    蝸桿傳動過程中，往往會碰到蝸桿蝸輪嚙合中心距測量問題。本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)交錯放置在檢具底盤上蝸桿副嚙合運(yùn)動中的傳動中心距以及蝸輪轉(zhuǎn)角值的位置信息數(shù)據(jù)采集電路，并在上位機(jī)LabVIEW8．6軟件開發(fā)平臺上實(shí)時(shí)顯示出位置信息關(guān)系曲線以及對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理
    圖1為系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖。該光柵測量系統(tǒng)主要由PC 工控機(jī)、STC89C55、信號接口電路、信號預(yù)處理電路以及液晶顯示控制電路組成。其中，角編碼器和光柵尺傳感器組成光柵位移量測量的檢測傳輸平臺，分別輸出蝸輪轉(zhuǎn)角值和蝸桿副傳動中心距位置信息；然后再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換以及整形放大電路，輸出單片機(jī)可以識別的相位角相差90°的2路方波序列脈沖信號(A相主信號和B相副信號)，另外還輸出一個作為校驗(yàn)Z信號。硬件接口電路將3路信號輸入到信號預(yù)處理電路進(jìn)行化移脈沖數(shù)據(jù)、移動方向以及原點(diǎn)信息的預(yù)處理，再由單片機(jī)通過數(shù)據(jù)總線根據(jù)需要讀取、處理和顯示數(shù)據(jù)，隨后通過RS232串口總線將采集的多路數(shù)據(jù)送入LabVIEW軟件平臺進(jìn)行檢測以及分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 主控芯片
    本系統(tǒng)的下位機(jī)核心控制芯片是單片機(jī)STC89C55，其內(nèi)部程序存儲空間有20 KB，片內(nèi)RAM為1280字節(jié)，外部晶振頻率最高可以接入40 MHz。該單片機(jī)不僅具有MCS-51系列單片機(jī)的所有特性，而且具有穩(wěn)定性高、功耗低、抗干擾等特點(diǎn)，是目前性價(jià)比較高的芯片。由于本系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性要求比較高，所以選用24 MHz外部晶振，可提高單片機(jī)的處理速度。
2．2 數(shù)據(jù)采集接口電路
    本系統(tǒng)中光柵尺和角編碼器都屬于增量式光電編碼器，而增量式編碼器系列有各種不同類型的輸出電路方式可以選擇，為了抑制共模干擾和提高傳輸抗干擾性能，設(shè)計(jì)中采用了差分輸出型方案。由于數(shù)字式傳感器不需要進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，所以需將差分信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以識
別的單端TTL信號，進(jìn)而直接進(jìn)行辨向計(jì)數(shù)。AM26C32是NI公司的4路差動線路接收器，將差分信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以識別的單端TTL信號，進(jìn)而直接進(jìn)行辨向計(jì)數(shù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口電路如圖2所示。

2．3 數(shù)據(jù)采集電路
    數(shù)據(jù)采集電路主要由信號預(yù)處理電路和單片機(jī)主控電路組成。信號預(yù)處理電路主要完成對方波信號的鑒相與計(jì)數(shù)的預(yù)處理，是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了保證計(jì)數(shù)的實(shí)時(shí)性和方便后期功能擴(kuò)展，結(jié)合兩種軟硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了較合理的信號預(yù)處理電路，如圖3所示。鑒相電
路由1個D觸發(fā)器74 HC74和2個與非門74HC00組成，可逆計(jì)數(shù)電路由2片74HC193組成，低8位計(jì)數(shù)值輸出經(jīng)三態(tài)緩沖芯片74HC245后掛到單片機(jī)P1口總線上進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。一旦發(fā)生計(jì)數(shù)值溢出，就會在外部產(chǎn)生觸發(fā)中斷，單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序通過沒置在鑒相電路中的P2．3口狀態(tài)識別是止轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)還是反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)。傳感器校驗(yàn)信號直接與單片機(jī)引腳相連，檢測輸入信號。

    單片機(jī)主控電路除了對前端信號初始化計(jì)數(shù)預(yù)置，數(shù)據(jù)組合處理和中斷控制外，還負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)通過串口送入上位機(jī)。采用這種計(jì)數(shù)方式可以減少硬件資源的消耗，充分利用單片機(jī)軟件資源，方便功能擴(kuò)展，節(jié)約成小，提高實(shí)時(shí)性。另外，由于單片機(jī)I／O端口資源比較有限，所以液晶顯示電路利用74HC595芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)I／O引腳功能擴(kuò)展。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    STC89C55單片機(jī)程序采用C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，對單片機(jī)串口、外部中斷、定時(shí)器以及液晶顯示等進(jìn)行初始化設(shè)置，然后通過I／O口實(shí)時(shí)查詢信號處理電路的計(jì)數(shù)值。當(dāng)硬件電路計(jì)數(shù)值溢出時(shí)，便在進(jìn)／借位端口產(chǎn)生相應(yīng)的下降沿觸發(fā)，外部中斷實(shí)時(shí)響應(yīng)并處理相應(yīng)情況，得到各自的計(jì)數(shù)高8位數(shù)據(jù)。最后，與計(jì)數(shù)低8位數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)組合和換算并將其送入LCD液晶顯示。

    與此同時(shí)，單片機(jī)實(shí)時(shí)判斷兩路組合數(shù)據(jù)是否超過給定范圍，根據(jù)判斷情況進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。在主程序讀取數(shù)據(jù)期間，單片機(jī)隨時(shí)通過串口中斷，響應(yīng)上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)發(fā)送請求命令和暫停接收命令。單片機(jī)主程序流程如圖4所示。
3．2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    上位機(jī)軟件采用LabVIEW圖形化編程語言來完成控制平臺的設(shè)計(jì)。LabVIEW程序主要包括前面板(即人機(jī)界面)和方框圖程序。前面板用于模擬真實(shí)儀器的面板操作，框圖程序應(yīng)用圖形編程語言編寫，其用于傳送前面板輸入的命令參數(shù)到儀器以執(zhí)行相應(yīng)的操作。在系統(tǒng)中，單片機(jī)與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸是通過RS-232串行方式，因此不需要購買昂貴的數(shù)據(jù)采集卡就能簡便且穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足了工業(yè)控制的一般要求。
    在LabVIEW虛擬儀器串行接口編程中，通常用其提供的標(biāo)準(zhǔn)I／O函數(shù)庫VISA，無論儀器使用GPIB、PXI、VXI，還是串行接口都可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀器之間的標(biāo)準(zhǔn)軟件通信。

    LabVIEW前面板如圖5所示，給出了上位機(jī)LabVIEW控制平臺的蝸桿副快速檢測平臺。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)主要由串口配置與控制模塊、數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計(jì)與存儲模塊等組成。用戶無需了解模塊內(nèi)部的程序框圖便可直接通過鼠標(biāo)在界面上操作，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報(bào)警、控制等功能。
    (1)串口配置與控制模塊
    為了保證計(jì)算機(jī)與單片機(jī)能串口通信，首先應(yīng)進(jìn)行串口初始化。根據(jù)單片機(jī)串口設(shè)定方式，在程序框圖設(shè)置VISA資源名稱為COM1，波特率為9 600，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，無奇偶校驗(yàn)位和流控制。這些初始設(shè)定都可以在前面板的相應(yīng)輸入控件中加以更改。在VISA標(biāo)準(zhǔn)串口函數(shù)庫里面提供的節(jié)點(diǎn)不僅可以實(shí)現(xiàn)串口初始化配置，還可以對緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫控制。另外，在程序框圖中所有的功能子模塊都需要在while循環(huán)內(nèi)，同時(shí)用前面板的布爾值丌關(guān)控制循環(huán)命令條件端子。
    (2)數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換模塊
    圖6給出了數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換模塊程序框圖。框圖中，VISA Reed節(jié)點(diǎn)用于讀取指定數(shù)量的字節(jié)。Bytcs at Port節(jié)點(diǎn)是VISA串口字節(jié)數(shù)，用于判斷瀆取數(shù)據(jù)是否滿足4個字節(jié)，如果為真即滿足條件，則進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取模塊，串口字節(jié)數(shù)清空；正確讀取的4個字節(jié)巾前2個字節(jié)為蝸輪角度值，后2個字節(jié)為傳動蝸桿中心距數(shù)據(jù)。由于讀串口節(jié)點(diǎn)只能讀取字符串，所以需要進(jìn)行正確的字符串與數(shù)字之間的轉(zhuǎn)換，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)顯示與統(tǒng)計(jì)分析。

    根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能的子VI模塊。其作用是將存放串口讀取數(shù)據(jù)的數(shù)組送入處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換VI模塊，并根據(jù)事先設(shè)定好的控制參數(shù)，得到轉(zhuǎn)換后的角度和傳動中心距偏差數(shù)據(jù)，分別保存于X-Y軸坐標(biāo)數(shù)組，便于后續(xù)顯示。該轉(zhuǎn)換模塊中利用LabVIEW所特有的公式節(jié)點(diǎn)，直接輸入條件判斷公式和有關(guān)端子，而不用創(chuàng)建復(fù)雜的框圖節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對兩路數(shù)據(jù)不同類型的換算和轉(zhuǎn)換。另外，輸出的角度值可以用來指示當(dāng)前蝸輪是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，而輸出的傳動中心距偏差值可以用來指示蝸桿目前狀態(tài)?？刂茀?shù)正確設(shè)置對系統(tǒng)設(shè)計(jì)是極為重要的。
    角編碼器和光柵尺的光柵線數(shù)分別決定了其所能分辨的最小角度和傳動中心距長度，而理論中心距是檢測蝸桿的理想?yún)?shù)，它與精度等級共同決定了傳動中心距的極限偏差值，通過現(xiàn)行機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查找得出。在本設(shè)計(jì)中，提供的光柵尺測量精度為0．01 mm，選用的精度等級不能過高。從設(shè)計(jì)中選用的第9等級精度可知，待檢測蝸輪副實(shí)際中心距偏差值不能超過60 mm，一旦超過設(shè)定的測量范圍將會報(bào)警提示，并顯示蝸桿質(zhì)量不正常。
    (3)數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計(jì)與存儲模塊
    LabVIEW是號為測量、分析數(shù)據(jù)并提交結(jié)果而設(shè)計(jì)的，其強(qiáng)大的圖表和圖形組件體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。由于坐標(biāo)圖不同于簡單的波形圖，其可以有不同類型的數(shù)據(jù)輸入，因此不能簡單互連，故坐標(biāo)圖需要將X數(shù)組和Y數(shù)組分別轉(zhuǎn)換成動態(tài)數(shù)據(jù)類型后綁定為一個簇連接到坐標(biāo)圖中。本設(shè)計(jì)在前面板的控件選項(xiàng)卡中找到Express類，Express函數(shù)不同于一般的LabVIEW函數(shù)，其可以被視為通用編程問題的解決方案庫。在前面板合適位置放置Express；XY坐標(biāo)圖后，其在程序框圖中自動地“在幕后”產(chǎn)生了對應(yīng)圖標(biāo)，只需要將創(chuàng)建XY圖標(biāo)的兩個輸入端子直接與來自按名稱釋放簇中X軸和Y軸坐標(biāo)數(shù)組兩端子分別相連，便會自動匹配數(shù)據(jù)輸入格式。不僅如此，測量文件的快速寫入也是通過函數(shù)面板中Write To Measurement File Express VI加以配置，指定如何格式化文件以及保存數(shù)據(jù)內(nèi)容。通過在前面板設(shè)置數(shù)據(jù)保存開關(guān)，便可以靈活記錄和實(shí)時(shí)訪問已測量過的數(shù)據(jù)值。

結(jié)語
    本文以單片機(jī)STC89C55為數(shù)據(jù)采集核心硬件，NI公司的LabVIEW為上位機(jī)支持軟件，完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)和對普通圓柱蝸桿的質(zhì)量快速檢測。采用LabVIEW程序設(shè)計(jì)多路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與分析，編程者不需要深究相關(guān)硬件的專業(yè)知識，也不需要考慮復(fù)雜的專門的驅(qū)動程序編寫，只需合理使用LabVIEW提供的控件和函數(shù)。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)縮短了開發(fā)周期，并且具有硬件電路設(shè)計(jì)簡單、實(shí)時(shí)性好、測試穩(wěn)定、功能可擴(kuò)展的特點(diǎn)。