基于LabVIEW的串口通信燃气灶具自动测试系统探究

戴奕艺，刘艳春，任雪潭，黄薇薇

（1.广州市红日燃具有限公司 510430；2.国家燃气用具产品质量监督检验中心，佛山 528225）

0 引言

灶具的能效性能是评估该产品的关键参数，家用燃气灶具国家标准以及能效和节能评价的准则，对燃气灶具能效测试方法和数据准确性有严格要求[1,2]。灶具能效的试验需同时监测和读取温度、压力、流量和环境等多个参数，此外还要求长时间的搅拌操作。过去灶具能效测试一般是手工操作，使用指针式压力表、流量计及水银温度计等传统仪器，精度不高。由于长时间持续观测和人工搅拌，工作强度大效率低下，对人员依赖性大，容易造成误差；人工测试缺乏自动化采集，数据需后期整理才能知道结果，未能更直观的评价灶具性能实况，不利于技术人员对测试的影响因素深入研究。目前国内仅少数先进的检测机构开始自动化燃气具检测设备研究[,3,4,5]，落后的数据采集和试验方法与计算机信息化不相符合，检测自动化水平亟需提高。

鉴于此，我们研发一种燃气灶具自动测试系统，系统的数据采集硬件设备由可编程数据采集模块与传感器构成，软件使用LabVIEW图形化程序，采用串口通信的数据采集技术，实现灶具检测时的数据采集、实时监控、结果运算分析和自动控制机械搅拌等功能。用以简便操作，减少误差，提高精度和工作效率。

1 系统硬件设计

1.1 系统架构和原理

系统硬件架构如图1所示，由主控计算机、数据采集和控制模块以及压力/温度/流量传感器构成。上层主控计算机（上位机）提供人机界面，控制系统初始化和运作，接收处理数据和监控各工位的测试状况。次层为模拟量I/O采集模块，包括压力模块、温度模块、流量模块、燃气阀和气缸动作控制模块等。所有I/O模块均通过RS485总线与上位机进行数据传输。系统底层是各种测量参数的传感器和阀门开关控制器，传感器的电信号输出线与I/O模块信号采集通道相连，传感器测量端按标准连接到被测灶具上。系统使用压缩空气作为动力源，驱动机械手进行搅拌动作。此外，系统主控计算机留有充余扩展COM口，可与服务器、打印机以及烟气分析仪等设备连接。

测试系统自动数据采集和过程控制的原理如下：

以灶具热效率试验为例，首先系统底层温度、压力传感器将各物理量转为模拟电信号；模拟电信号被模拟量采集模块收集后，转化为RS485数字信号后发送到总线上，再经RS485/RS232转换器转成计算机可接收的RS232信号；上位机通过连续读取串口即可获得各物理参数值进行实时显示和监控。与此同时，计算机运行条件判断程序，一旦满足触发条件，例如温度达到预期值，程序向串口发出AscII码指令传到RS485总线上，数据采集/控制模块执行自己相应的指令，获取燃气流量数值、启动/关闭燃气阀门和控制机械臂进行搅拌动作。整个过程为计算机自动控制，无须手动记录数据和干预。

1.2 系统硬件模块配置

自动测试系统按照燃气灶具国标规定的测试方法和仪器精度要求配置传感器、数据采集模块、控制器模块等硬件。

温度信号采集模块使用ADAM-4015，具有六路热电阻输入通道，采样速率10采样点/秒，精度±0.1%。温度传感器选用铠装Ptl00铂热电阻，测量范围：0℃～100℃，准确度为±0.1℃。ADAM-4015负责环境温度、燃气温度、水温度等多个温度对象的监测。需要更多数据输入通道时，可并联相同模块来使用。 燃气压力监测使用ADAM-4018，ADAM-4018提供±20mA（外接125Ω电阻）输入，压力传感器使用（0～10kPa）型的压力变送器，电输出信号4~20mA，精度±0.25%， 采样点为流量计内压力和灶前压力。燃气流量测试：采用日本品川W—NK-5湿式气体流量计，通过光电编码器输出脉冲信号，使用Adam-4080频率采集模块采集输出的脉冲频率获得气体流量值。阀门、机械搅拌器使用ADAM-4050模块控制，该模块可输出多路数字信号，利用控制的闭合来控制燃气管路电磁阀的开闭以及搅拌器的机械动作。

1.3 模块连接和通信协议设置

系统各数据采集模块的连接线路如图2。ADAM-4520是RS232/ RS485转换器，计算机的RS232串口通讯端口与ADAM-4520的通信口直接连接。ADAM系列的数据采集模块和控制器模块，采用菊花链的方式并行连接在RS485总线上。

使用Adam4000 Utility进行I/O模块与主控计算机之间的通信协议设置，各个模块均采用半双工工作模式，各模块按照十六进制分配地址，模块地址必须独立不能重复，具体配置如下：在COM1下的485总线，地址范围00h~FFh，本文中设置01h,02h,03h,04h…； 在相同的485总线上的所有模块和主计算机通讯的波特率均相同，9600bps，取1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验，无软件握手协议。

2 系统软件程序

2.1 前面板用户界面

本系统软件程序是基于labview环境进行编写的，程序的前面板如图3,它是测试系统的人机操作界面,负责程序运行和停止、数据记录显示等功能。用户界面有燃气压力、燃气流量、环境温度、加热水温度的实时显示控件，可以动态显示各温度、压力等原始测量值，需复杂运算热负荷和热效率等结果也能实时显示出来。人机用户界面也提供了表格和曲线显示功能，以便测试人员对检测情况进行分析。

2.2 Labview后台编程

系统的后台编程是由主程序和子程序构成。主控程序是利用Labview的事件状态机、循环、条件判断等编程语言结构，实现用户互动操作、参数输入、命令下达、条件程序走向、动作重复、数据处理和存储等功能。系统的子程序包括温度采集、压力采集、气体流量以及开关控制子程序等，每个子程序控制各自对于的I/O模块。子程序运行流程大致相同如图4，是利用Labview的VISA串口函数的通信功能，不断循环地对串口发送AscII码指令和不断读取串口信息，完成各种参数的数据采集。

图5是 AdAM-4015温度采集模块驱动程序图框。程序开始时，打开COM1串口，使用“VISA Write”函数对串口写入AscII码命令：#02 01，采集模收到指令后向计算机串口传送字符串格式的温度值；使用“VISA Read”函数读取串口接收到字符串，然后用“Fract/Exp string to number” 函数将字符串转换成数字显示或者被主程序调用进行运算分析；子程序结束时使用“VISA Close” 关闭串口释放内存。

图4 Vi子程序流程图

3 实验数据比对

为检验燃气灶具自动测试系统的有效性和数据准确性，我们在相同的实验室环境条件下对同一家用燃气灶具样品（型号JZT-A,左3.6kW右3.6kW）分别进行热负荷和热效率测试比对试验,数据表1。由比对结果可见，自动测试系统连续两次测量一致性较好，连续两次测量偏差＜±0.5%。自动测试采用计算机采集数据，避免人工操作和读数带来的误差，提高了测试准确度。

表1 测试数据比对

4 结论

基于LabVIEW数据采集与处理技术开发的燃气灶具自动测试系统，采用VISA串口通信函数功能来实现温度、压力、燃气流量等重要参数的数据采集、传输和运算分析。图形化主程序界面友好，可实时显示测量数据和结果、监测环境条件和自动控制测试进程。对比实验结果表明，该系统实现灶具自动化测试，减少人为干扰因素，测试准确度和一致性优于传统人工方式。

[1] GB 16410—2007，家用燃气灶具[S].北京：中国标准出版社，2007.

[2]《家用燃气灶具能效限定值和能效等级》与节能产品惠与节能产品惠民工程概况，中国标准化研究院，2012.4

[3]白云.基于LabVIEW数据采集与处理技术[M].西安电子科技大学出版社,2009-3-1.

[4]劳中建.基于PLC控制的热水器能效自动测试台的研制[J].家用燃气具，2009.5

[5]杨明军.基于虚拟仪器的燃气用具检测设备嵌入式软件[J].机械制造与自动化，2011,3