觸摸式力、扭矩測量用儀表的研制

徐　艦　柴繼新　范曉燕　陳柯行

(北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

0　引言

工業(yè)觸摸屏是通過觸摸式工業(yè)顯示器把人和機器連為一體的智能化界面。它替代了傳統(tǒng)的控制按鈕和指示燈，是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。觸摸屏作為一種特殊的計算機外設，在工業(yè)控制和人機交互方面得到廣泛應用。利用觸摸屏和帶有Modbus協(xié)議的A/D模塊設計現(xiàn)代數(shù)字化智能儀表已經(jīng)受到很多的關注和研究[1-5]。本文介紹了一款用于力及扭矩測量用觸摸式儀表，該儀表具有參數(shù)設置，數(shù)據(jù)顯示，繪制曲線及對傳感器進行標定等功能。與傳統(tǒng)儀表相比，這種觸摸式儀表更方便、快捷、表現(xiàn)力更強。

1　觸摸屏與數(shù)字模塊通信

這款觸摸式力、扭矩測量用儀表，使用的是信捷(touchwin)TG865系列觸摸屏。此屏支持C語言腳本功能，可以在此基礎上編寫自己的程序。而且具有一定的運算功能和數(shù)據(jù)采集保存功能，并且支持時間趨勢圖，XY趨勢圖等形式的數(shù)據(jù)管理方式。TG865采用ARM9 CPU，400MHz主頻，128M內(nèi)存，128M存儲容量。其中PFW寄存器具有掉電保存功能，計算的傳感器系數(shù)及計算所需的內(nèi)碼值都可以存儲在PFW寄存器中。儀表的另一個重要組成部分就是A/D模塊，它集信號放大，A/D轉換為一身，可以與傳統(tǒng)的模擬傳感器相連接，直接將負荷傳感器的模擬電壓信號轉化成數(shù)字信號。模塊的測量速率可以選擇，最大可以達到400Hz。

圖1　觸摸屏系統(tǒng)設置

實現(xiàn)觸摸屏與模塊通訊，首先對觸摸屏和模塊的通訊屬性進行設計。模塊的接口是一個異步串行接口，即主機波特率與從機波特率必須一致。模塊的串行數(shù)據(jù)格式為：1位起始位，8位字長，偶校驗，1位停止位，波特率選擇19200。同樣觸摸屏系統(tǒng)也需要按照模塊的通訊格式設置其波特率和數(shù)據(jù)格式。觸摸屏有兩個COM口，一個是PLC，一個是Download。用PLC口與模塊進行通信。Download口與計算機進行通訊。PLC選擇的設備是Modbus RTU協(xié)議的A/D模塊。此時的屏作為主機，其波特率和數(shù)據(jù)格式設置與模塊一樣。Download口作為與計算機通訊的接口，此時計算機作為主機，屏為從機。當屏為從機時，要設置其站號，這里將其設為1。其設置如圖1所示。這樣就完成了通訊設置。A/D模塊的測量值(內(nèi)碼值)存放在0X28寄存器中，因此觸摸屏只要訪問該寄存器就可以獲得模塊的測量值。這個測量值是模塊的內(nèi)碼值不是實際測量值。需要進行系數(shù)計算才能得到相應的測量值。接下來介紹如何得到真實的測量值。

2　標定界面設計及系數(shù)計算

觸摸屏從模塊中讀到的是與加載值成一定比例關系的內(nèi)碼值。需要根據(jù)逐次加載的標準力或扭矩值以及所對應的內(nèi)碼值來計算出這個比例系數(shù)(標定系數(shù))，然后計算內(nèi)碼值對應的實際測量值。計算標定系數(shù)的方法有二次曲線法和牛頓插值法。我們采用后一種方法來計算標定系數(shù)。本儀表設有20個通道，即一共可以存放20個系數(shù)。每個通道有10個數(shù)據(jù)采集點，如圖2所示。用戶可以記錄從零點到滿量程范圍內(nèi)10個標準值和其對應的內(nèi)碼值。數(shù)字后面的方框需要用戶輸入標準力值或扭矩值。點擊后面相應的“存儲”按鈕，屏會自動將此時對應的內(nèi)碼值采集到前面的方框中。利用觸摸屏提供的C語言腳本功能，根據(jù)用戶采集的值通過C代碼來實現(xiàn)系數(shù)的計算并將其存儲到PFW中，等使用時調(diào)用。

圖2　觸摸屏標定界面

另外在標定界面還可以存儲傳感器的編號、型號和量程以及小數(shù)點位置和標定時使用的單位等信息。

上面介紹了計算每個通道傳感器系數(shù)的方法。每次從模塊0X28中讀出的值，需要計算才能得到需要的測量值。利用C語言功能對每個讀到的內(nèi)碼值進行計算，然后將實際測量值顯示在觸摸屏上。

3　測量界面設計

3.1　傳感器的選擇

儀表具有20個通道。不同的通道存儲對應不同的傳感器。選擇通道的同時，程序會將標定時保存的傳感器系數(shù)、傳感器編號、量程、小數(shù)點位置和標定時單位等加載到測量界面。在屏幕的左上角會出現(xiàn)相應傳感器的信息，讀數(shù)窗口會顯示當前讀數(shù)值和單位。

3.2　過載報警功能

當測量值超過報警值時，屏的蜂鳴器會發(fā)出聲音來報警。報警值可以自己設置，點擊輸入報警值下面的方框，用戶可輸入報警值。如果不設置報警值，默認的是傳感器的最大量程值。

3.3　繪制曲線功能

根據(jù)用戶的需要還可以實時繪制測量曲線(見圖3)，觸摸屏自帶了曲線功能，采集周期為1s。這個頻率對測力還可以滿足，因為力的加載和卸載速度都不快。但對于扭矩就顯得慢了些，可以利用“數(shù)據(jù)采集保存”的高級功能來修改這個采集周期，這里將其改為100ms進行一次數(shù)據(jù)采集。具體修改方法如下：

圖3　觸摸屏測量界面

將READ0-(8)的元件屬性改成PSB,258。然后利用C語言功能，每個100ms將其置一次位即可。在程序設計時可以根據(jù)自己的需要進行修改，但這個采集頻率最終還受觸摸屏刷新頻率的影響。因此對采集曲線有嚴格要求的，在選擇觸摸屏方面要選擇刷新頻率高的觸摸屏。

3.4　測量值存儲

本程序中設置了300個PFW寄存器用來存儲測量值。這些值可以通過U盤從屏中導出，在電腦上用EXCEL打開進行查看。另外在測量過程中可以隨時進行單位轉換。

3.5　觸摸屏與計算機通訊

觸摸屏的通信協(xié)議是Modbus協(xié)議。可以利用高級語言實現(xiàn)計算機與觸摸屏的通訊[6]。

4　結論

利用信捷TG865觸摸屏與A/D數(shù)字模塊開發(fā)的一款觸摸式力及扭矩測量用儀表，此儀表存儲的通道多，可以繪制測量曲線，存儲300個測量值，還可以設置報警值，與液晶和數(shù)碼顯示儀表相比，界面更美觀，操作更簡單、方便。

[1]左麗.一種提高數(shù)字化儀表測量精度的方法[J].計量技術，2008(5)：35-38

[2]劉鳳新，郭儀.基于MODBUS協(xié)議的科氏流量計二次儀表設計[J].計量技術，2006(7)：9-12

[3]蔣敏蘭，胡生清，何濤.便攜式智能化扭矩測定儀[J].計量技術，2006(7)：29-31

[4]李名兆.計量儀表的抗干擾設計[J].計量技術，2001(4)：34-35

[5]滕召勝.現(xiàn)代計量測試儀器的特點與發(fā)展方向[J].計量技術，2001(2)：12-15

[6]潘洪躍.基于MODBUS協(xié)議通信的設計與實現(xiàn)[J].計量技術，2002(4)：35-36