基于嵌入式技術(shù)的零件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)研究

范敬武，王 見

（重慶大學(xué)測(cè)試中心，重慶 400044）

0 引 言

傳統(tǒng)的尺寸檢測(cè)工作主要依賴簡(jiǎn)單的測(cè)量?jī)x器來實(shí)現(xiàn)，其測(cè)量精度容易受人為因素的影響（如經(jīng)驗(yàn)、操作方法等），檢測(cè)精度難以得到保證。20世紀(jì)80年代以來，以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)開始在市面上流行。它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理以及顯示等功能，給檢測(cè)技術(shù)帶來了很大的方便。但是隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，其體積大、成本高、人機(jī)交互界面不夠直觀、信息量小，以及系統(tǒng)的精確度、運(yùn)算能力、數(shù)據(jù)傳輸距離、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和實(shí)時(shí)分析能力的局限性等弱點(diǎn)越來越突出，無法滿足整個(gè)社會(huì)的發(fā)展[1]。于是16位和32位的嵌入式微處理器開始成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的主流，它能很好的解決單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)存在的很多不足[2]。因此，該項(xiàng)目的系統(tǒng)開發(fā)采用基于32位的ARM微處理器、嵌入式WinCE操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，以傳感技術(shù)和串口通信為基礎(chǔ)，將尺寸檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量控制理論相結(jié)合來完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、處理。

1 系統(tǒng)的總體框圖

基于嵌入式技術(shù)的零件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。它以三星公司生產(chǎn)的S3C2410作為嵌入式主控制器，其上可以直接運(yùn)行嵌入式WinCE操作系統(tǒng)。系統(tǒng)通過傳感器讀取到信號(hào)后，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器轉(zhuǎn)換處理，然后連接串口通信將信號(hào)送入主控制器中，再利用尺寸檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量控制等理論，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、特征提取和識(shí)別以及數(shù)據(jù)分析與計(jì)算。在必要的情況下，可通過TCP/IP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

硬件的選擇是系統(tǒng)開發(fā)中的重要任務(wù)之一。該系統(tǒng)中的硬件主要是由容柵式電子千分表、容柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器、S3C2410處理器等組成。

（1）容柵式電子千分表。系統(tǒng)開發(fā)中采用成都遠(yuǎn)恒精密測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的B531電子千分表。它是采用容柵傳感器、大規(guī)模集成電路進(jìn)行信號(hào)處理的測(cè)量器具，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、功能全、使用方便、維修容易等優(yōu)點(diǎn)。該表帶有串行數(shù)據(jù)輸出口，可通過容柵轉(zhuǎn)接器與嵌入式系統(tǒng)連接進(jìn)行信號(hào)處理，測(cè)量規(guī)格為0～50 mm，測(cè)量速度可達(dá)0.35 m/s，分辨率為0.001 mm，具有任意位置置零、公/英制轉(zhuǎn)換、示值保持、快速顯示等功能。

（2）容柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器。它是由成都遠(yuǎn)恒公司生產(chǎn)的，型號(hào)為JR-01AK。它是一種將容柵數(shù)顯量具輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與串行口直接通信的單通道或多通道數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。該裝置抗干擾，耐油污，抗沖擊，且無需外部供電，插入計(jì)算機(jī)串口啟動(dòng)軟件即可使用，可方便地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

（3）S3C2410處理器。S3C2410是三星公司生產(chǎn)的一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC微處理器，主頻可達(dá)203 MHz，帶有獨(dú)立的8字長(zhǎng)的16 KB命令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、2通道SPI、LCD控制器、3通道UART、4通道帶PWM的定時(shí)器、一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器、4通道DMA、RTC、I/O 口、SD卡/MMC卡主機(jī)控制器、8通道10位ADC和帶PLL的時(shí)鐘發(fā)生器等。極高的集成度電路簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并提高系統(tǒng)的可靠性。此外，該處理器還配備了簡(jiǎn)單的鍵盤和LCD顯示接口，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)操作界面，是一款低價(jià)格、低功耗、高性能的ARM處理器芯片[3]。

3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)是以微軟提供的Windows CE作為軟件的運(yùn)行平臺(tái)。Windows CE（簡(jiǎn)稱WinCE）是一個(gè)緊湊、高效和可裁剪的操作系統(tǒng),適用于各種嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。它提供開發(fā)板級(jí)支持包（BSP），使得基本的WinCE操作系統(tǒng)的核心可以直接移植到專用嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上，提供便捷的應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái),以及多種Windows平臺(tái)間的快速遷移能力。它擁有多線程、多任務(wù)、完全搶先式優(yōu)先級(jí)的特點(diǎn),是一種面向嵌入式環(huán)境的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[4-5]。

3.1 系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)架構(gòu)

在進(jìn)行軟件開發(fā)之前，必須先建立軟件開發(fā)環(huán)境。簡(jiǎn)要介紹其軟件開發(fā)環(huán)境的建立：在PC機(jī)上完全安裝Platform Builder 5.0，然后定制、配置、編譯一個(gè)WinCE操作系統(tǒng)內(nèi)核，最終生成WinCE內(nèi)核文件nk.bin和安裝WinCE所需的Eboot程序；再通過JTAG板將bios燒寫到Nandflash，然后用USB數(shù)據(jù)線將Eboot程序和WinCE內(nèi)核nkb.in下載到開發(fā)板上；最后在開發(fā)板上電啟動(dòng)之后通過Eboot程序?qū)inCE自動(dòng)安裝到ARM開發(fā)板上。

3.2 系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

Embedded Visual C++4.0（簡(jiǎn)稱 EVC）是 Microsoft公司推出的一套基于WinCE平臺(tái)的可視化開發(fā)工具。它支持MFC類庫的子集，能夠給開發(fā)者提供強(qiáng)大的支持,可以方便地創(chuàng)建、修改和調(diào)試應(yīng)用程序。它類似于VC++6.0的應(yīng)用軟件，通過C++編程語言即可實(shí)現(xiàn)圖像界面繪制以及系統(tǒng)的功能，最后通過USB接口建立ActiveSync連接，編譯燒寫到WinCE系統(tǒng)平臺(tái)上,即可在LCD上顯示。該系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)流程圖如圖2所示。

圖2 應(yīng)用程序開發(fā)流程圖

根據(jù)尺寸檢測(cè)系統(tǒng)的要求，該系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)和顯示4大功能模塊，如圖3所示。依據(jù)這4大功能模塊來對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行闡述。

圖3 尺寸檢測(cè)系統(tǒng)的功能模塊圖

數(shù)據(jù)采集模塊主要響應(yīng)外部事件，負(fù)責(zé)對(duì)串口的讀寫操作，如發(fā)送指令和接收串口數(shù)據(jù)等。該系統(tǒng)通過RS232實(shí)現(xiàn)通信操作，在WinCE系統(tǒng)下，將直接按照API編程方式來實(shí)現(xiàn)串口操作，所涉及主要的函數(shù)如下：

數(shù)據(jù)顯示模塊主要負(fù)責(zé)將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以常規(guī)控制圖和工藝指數(shù)圖來顯示，用戶根據(jù)圖形顯示狀況來判斷被測(cè)對(duì)象的工藝特性。該顯示模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、圖形化界面的功能，人機(jī)交互性良好，可以輔助用戶對(duì)被測(cè)對(duì)象的尺寸變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察、分析，最后給出結(jié)論。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要實(shí)現(xiàn)將有效的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保存，為數(shù)據(jù)回放作準(zhǔn)備，供用戶日后重新調(diào)用、分析、查詢等操作。在該模塊中，系統(tǒng)選用了數(shù)據(jù)庫SQL Server CE，它是SQL Server的精簡(jiǎn)版，是一個(gè)小型的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，具備強(qiáng)大的檢索查詢能力，支持結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL），提供了與SQL Server一致的開發(fā)模型和API，同時(shí)只需占用很少的內(nèi)存體積和系統(tǒng)資源，能方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、增加、刪除與存儲(chǔ)等，具有傳輸速度快、部署方便等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。在EVC環(huán)境下，對(duì)數(shù)據(jù)的開發(fā)，其實(shí)就是通過ADOCE COM組件執(zhí)行SQL語句的過程。為了使用戶方便地使用ADOCE，通過DBManager類建立與數(shù)據(jù)庫的連接、執(zhí)行SQL語句等操作。以下將給出部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的函數(shù)：

數(shù)據(jù)分析處理模塊是系統(tǒng)的重要核心內(nèi)容，主要是對(duì)采集處理后的數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）的分析與處理來判斷生產(chǎn)過程是否處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)，具有對(duì)生產(chǎn)不合格產(chǎn)品進(jìn)行“事前預(yù)防”的功能，按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理通過常規(guī)控制圖來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中所涉及的尺寸檢測(cè)的工藝參數(shù)屬于計(jì)量值。因此，比較適合使用計(jì)量值控制圖，其上有中心線CL、上控制限UCL、下控制限LCL，如圖4所示[8-13]。系統(tǒng)采用了目前較為普遍的控制圖分析：“均值-標(biāo)準(zhǔn)偏差”控制圖S、“均值-極差”控制圖R、“單值-移動(dòng)極差”控制圖x-RS。最后用工序能力來判斷加工質(zhì)量是否滿足技術(shù)指標(biāo)的能力，以達(dá)到滿足產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖4 控制圖示例

4 實(shí) 驗(yàn)

表1 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位：mm）

依據(jù)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出了一個(gè)嵌入式零件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)來對(duì)該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證系統(tǒng)的開發(fā)能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。該次實(shí)驗(yàn)對(duì)重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院加工車間的一批換擋器凸輪軸的直徑進(jìn)行了檢驗(yàn)，其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖5所示。實(shí)驗(yàn)器材有ARM開發(fā)板,其操作系統(tǒng)為Windows CE 5.0，裝有虛擬式零件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫SQL Server CE；成都遠(yuǎn)恒公司的B531型電子千分表一只及JR-01AK型容柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器一個(gè)。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6 工序能力指數(shù)分析

實(shí)驗(yàn)的零件規(guī)范值：

規(guī)范目標(biāo)值：41.825

規(guī)范上限：41.850

規(guī)范下限：41.800

采集樣本統(tǒng)計(jì)：

均值：41.823

標(biāo)準(zhǔn)差：0.009

極差：0.020

工序能力指數(shù)：Cpk＝1.23

圖6為對(duì)采集的數(shù)據(jù)所進(jìn)行的工序能力指數(shù)分析圖，由圖可知，其工序能力較好，所測(cè)試的尺寸符合規(guī)范要求，與人工檢測(cè)結(jié)果一致，證明該系統(tǒng)的開發(fā)已經(jīng)達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

5 結(jié)束語

基于嵌入式技術(shù)的零件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)體積小，成本低，攜帶方便，可靠性高。與一般的計(jì)算機(jī)開發(fā)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)集成度高，便于用戶移動(dòng)攜帶，有效地提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，對(duì)于有嚴(yán)格功耗要求的系統(tǒng)更加適用。此外，嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展,使硬件平臺(tái)的性能不斷增強(qiáng)，可靠性、可維護(hù)性進(jìn)一步提高。因此采用嵌入式技術(shù)來進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)將具有廣闊的市場(chǎng)前景。實(shí)踐表明，該文所開發(fā)的零件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)可以提高測(cè)量精度和工作效率，可靠性高，人機(jī)交互性良好，具有良好的實(shí)時(shí)性分析功能，操作便捷。

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