基于虚拟仪器的微力监测系统的设计

李冀明，刘 超

(1.重庆工程学院软件与计算机学院，重庆 401320；2.贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳 550009)

0 引言

超小型密封继电器是一种广泛应用于航空航天领域的电器元件。接触系统(包括触点和簧片)是电磁继电器的执行部件，直接影响继电器整机的质量与可靠性[1-2]。簧片接触力过小，将增大接触电阻，进而导致接触失效。簧片的接触力是影响其触点接触可靠性的主要因素之一，在接触系统生产过程中需要对簧片接触力进行状态监测，以提升继电器的质量与可靠性。

簧片接触力较小，一般mN级，生产过程中需要对基板上的4个簧片的接触力进行监测，挑选出簧片接触力在允许范围内的接触系统。常规的人工测量难以保证测量精度、重复测量稳定性较差，因此，开发设计一种基于虚拟仪器的微力监测系统以解决人工测量的不足。LabVIEW是一种基于图像化G语言编程风格的虚拟仪器[3-4]。LabVIEW具有丰富的开发包以及大量的专业化控件，用连线表示数据流向，能够快速开发各种测量系统[5-7]。因此，本文以LabVIEW为开发平台，通过串口通信采集测力计中的微力；此外，开发设计了一种基于串口的PLC与LabVIEW消息队列通信机制。由于航天电磁继电器结构微小，在动态过程中簧片拨开长度为μm级，设计采用PLC作为机构的运动控制系统，以实现机构的准确运动。现场使用表明设计的系统稳定性较好、可重复精度高，满足现场需求。

1 系统结构设计

微力监测系统中测力计是0～500 mN悬臂梁式微力测力计，测力计与被测部分构成一回路，实时进行微力检测。测力计系统结构如图1所示。当测力计检测到微小外力时，输出0～5 V的模拟电压信号，采用A/D转换芯片，将模拟信号转化为数字信号，当外部电路断开时触发芯片将微力瞬时值写入到输入寄存器。LabVIEW通过串口将数据采集到上位机中进行分析处理、显示、异常产品挑选等动作。串口通信模块是通过MAX232和DB9实现数据与上位机通信。MAX232包含两路驱动和接收器的RS-232转换芯片。DB9为9针串口，设计采用2针脚接收数据，第3针脚发生数据端口，第5针脚是信号接地端。

图1 微力测力计系统结构

图2为微力监测系统的整体控制框图，由微力测量模块、上位机数据采集处理与监视模块、PLC运动控制模块组成。监测系统运行时，PLC控制模块进行精确定位运动，当测力计探针拨开簧片瞬间，外部触发电路断开，下降沿将触发测力计将瞬时值写入输入寄存器；此时，PLC将触发上位机读取测力计输入寄存器中的微力值；计算机系统通过RS232串口读出微力，根据预设允许度输出簧片合格/不合格结果，并将其上报PLC系统；PLC控制系统根据结果将簧片进行分类。

图2 微力监测控制框图

2 LabVIEW软件开发

LabVIEW在数据采集与仪器控制方法具有显著优势。虚拟仪器架构(virtual instrument software architecture，VISA)实现了I/O接口的无关性需求，通过调用相同的VISA库函数并配置不同的设备参数，就可以实现各种I/O接口仪器通用程序的设计[8-10]。

2.1 基于串口的PLC与LabVIEW通信机制

文中设计一种基于串口通信的消息队列机制，实现了PLC与LabVIEW之间的有效通信，见图3。该机制采用队列函数实现队列元素的入列、出列操作和状态序列变化。通信模块设置了PLC通信成功状态指示灯(bsPLCComm控件)，初始值为False，该值使用移位寄存器传递以便于在各个状态case分支中共享和使用，当值为1时，表示通信成功。程序开始运行时，先进入Initial状态，完成初始化操作。在空闲或默认情况下，LabVIEW上位机将实时读取PLC发送的控制命令。

图3 PLC与LabVIEW串口通信模块

while循环里的出队列函数就是用来从消息队列里取出一条消息，然后通过case结构进行处理。在Read分支中，实时监控PLC发送的命令。例如当读取测点1的微力时，PLC将5002.00置位为True；LabVIEW检测到上升沿时，将向CL队列发送ReadCL1消息。LabVIEW微力采集模块(如图4)接收到ReadCL1消息后，将解析从COM3采集到的微力数据，并根据微力允许上下限判断该测点是否合格。LabVIEW向PLCComm队列发送WriteFin_CL1和WriteRst消息。LabVIEW通信模块检测到上述两条消息后，向PLC发送测力完成并上报测量结果。至此，完成簧片的一个测点的微力测量任务。

图4 微力采集程序框图

2.2 微力采集模块

本文设计的监测系统主要基于串口采集测力计检测的微力，如图4所示。该模块包括两个While循环：“串口读取测力计数据”、“PLC控制采集数据”。该模块的串口为COM3，波特率为9 600，数据位为8。当下降沿触发测力计将瞬时值写入输入寄存器中，LabVIEW读取输入寄存器的微力并将其值向所在通知器上等待的函数发送通知消息。“PLC控制采集数据”While循环中当接收到ReadCL1或ReadCL2或ReadCL3或ReadCL4消息时，获取通知器状态函数将发送给通知器的最近一次未取数据读出并在对应的消息分支中进行处理，处理结束后向PLC反馈该测点测量结果。由于通知器操作函数不缓冲已发送的消息，即消息被发送后没有任何节点在等待，则当另一消息被发送后数据将丢失，通知器的使用将避免多次触发测力计而读到多个异常值，保证了虚拟仪器微力监测系统的可靠性。

2.3 微力监测系统界面设计

操作人员通过前面板对整个微力监测系统进行操作、控制，前面板如图5所示，主要包括：4个测点微力显示窗口、微力是否合格指示灯、历史数据记录表、PLC与仪表通信状态指示灯、消息提示框、生产数据统计区等部分。主界面上设置相应指示灯，方便生产人员及时了解系统当前工作情况。

图5 上位机界面

3 实验测试

利用虚拟仪器微力测量系统对20个产品进行测量，测量结果如图5所示。测量位置记录当次产品4个测点的测量值；根据允许范围判断测量结果是否合格；消息提示框显示本次测量结果，并用指示灯进行直观显示。对20个产品进行测试，测量出合格产品数量为18，合格率为90%。

为测试系统的稳定性，对某产品独立重复测量10次，表1记录了4个测点独立10次测量结果。表1显示系统测量4个测点的最大相对误差分别为1.37%、1.24%、1.82%和1.48%，波动范围较小，表明设计的系统可重复精度高，满足现场需求。

表1 某工件独立10次测量结果

4 结束语

为解决电磁继电器簧片接触力测量数据的可查询、可追溯的问题，设计一种基于LabVIEW的微力监测系统。详细阐述了测力计数据采集系统原理、PLC与LabVIEW之间基于串口通信的消息收发机制、LabVIEW与测力计之间微力采集过程。现场测试显示监测系统微力采集数据结果正常；单产品独立测试10次的最大相对误差为1.82%，系统性能稳定；监测界面简洁、可扩展性强。