摘 要: 介紹了一種基于PC104的數據采集儀,并闡述了系統(tǒng)軟、硬件的設計思想和具體實現(xiàn);同時介紹了一個適用于該數據采集議的數據分析系統(tǒng)軟件的設計思路。該系統(tǒng)是一種具有現(xiàn)場實時數據采集、處理功能的自動化設備。

關鍵字: PC104總線 數據采集 數據分析

Abstract: This paper introduces a data acquisition Instrument based on PC104 bus, the hardware block diagram and software flowcharts of the system are given, it elaborates the designing thinking and specific implementation of the system. The designing thinking of a data analysis system been fit for this data acquisition Instrument is expatiated too. This system is an automatic equipment, it has the field real-time data acquisition and processing function.

Key words: data acquisition; data analysis; PC104 bus

1 引言

　　近幾年通信技術突飛猛進的發(fā)展和數據采集系統(tǒng)的廣泛應用，人們對數據采集的主要技術指標，如采樣速率、分辨率、精度、控制方式、抗干擾能力等方面，都提出了越來越高的要求。特別是用于工業(yè)現(xiàn)場的嵌入式計算機的數據采集系統(tǒng)，由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的復雜性和多樣性，對數據采集系統(tǒng)的硬件和軟件設計提出了更高的要求：小型化與便攜，較高抗震動沖擊的能力，兼容性和散熱性好，高可靠性和可維護性等。

　　我們設計的這個基于PC104總線的數據采集儀和數據分析系統(tǒng)正是一種具有現(xiàn)場實時數據采集、處理功能的自動化設備。具備實時采集、自動存儲、即時顯示、即時反饋、自動傳輸功能,為現(xiàn)場數據的真實性、有效性、實時性、可用性提供了保證。這套系統(tǒng)的使用將會改變制造過程的質量數據檢測中出現(xiàn)的手工記載的費時費力，易出差錯等問題。管理人員通過數據分析系統(tǒng)對采集的數據直接進行過程能力分析和控制圖分析, 實現(xiàn)對過程質量的保證。

2 硬件部分的集成設計

　　PC104總線數據采集儀的硬件部分的集成設計，其中主要包括PC104總線主板和PC104數據采集卡的集成連接,以及采集儀主板其它接口器件的連接。PC104總線系統(tǒng)采用緊固堆疊方式安裝,數據采集卡和主板是堆疊方式安裝,有利于設計高密度、小體積便攜式數據采集儀。PC104總線數據采集儀的結構，如圖1所示.

　　2.1 主板

　　數據采集儀主板采用標準PC104結構低功

　　耗300MHz處理器的主板。PC104主板結構小巧緊湊,全部使用CMOS器件,使整機功耗更低,開發(fā)以PC104為工作平臺的在艱苦環(huán)境工作的現(xiàn)場儀器是一個非常理想的方案。

　　2.2 數據采集卡

　　采集卡采用PC104數據采集卡, 可與PC/104 CPU 模塊系統(tǒng)構成一個高性能的數據采集與控制系統(tǒng),結構緊湊，適于嵌入式與便攜式應用.

3 數據采集軟件設計

　　本PC104數據采集儀系統(tǒng)采用Windows 操作系統(tǒng),運用C++ 語言開發(fā)編程。數據采集系統(tǒng)的程序流程圖，如圖2所示.

　　在Windows環(huán)境下測控系統(tǒng)的開發(fā)應用,因其多任務的操作方式和良好的用戶界面已成為趨勢。同時C++ 語言以其強大的功能和易用性也在測控系統(tǒng)開發(fā)中取得了廣泛的應用。所以為了更好的擴充數據采集儀的功能和給用戶提供一個良好的使用界面,我們選擇了Windows 操作系統(tǒng),運用C++語言編程。動態(tài)連接庫（DLL）中包括進行數據采集操作的C/C++的各種函數,在C++ Builder開發(fā)平臺下對這些函數進行調用,實現(xiàn)對數據采集系統(tǒng)的設置、采樣和數據處理。

　　數據采用兩種方式存儲:數據庫方式和文本文件格式。C++ Builder擁有強大的數據庫功能,為大批量數據的存儲和處理提供了方便。文本格式的數據存儲是為了實現(xiàn)數據的快速及時處理。

4 數據分析軟件設計

　　當系統(tǒng)正確的采集到數據后,并不一定能夠正確的判斷產品的制造過程是否可以滿足工程標準或技術規(guī)格。該數據分析軟件就是通過對產品制造過程的過程能力指數監(jiān)控和利用控制圖顯示過程的受控狀態(tài)來實現(xiàn)對過程質量的保證。軟件設計思想,如圖3所示.

　　數據查詢是根據需要選擇出要處理的數據,分為數據庫查詢和文本格式數據查詢兩種格式。數據初始化即數據的分組處理包括抽樣數據不分組情況、抽樣數據來自Xbar-S控制圖情況、抽樣數據來自Xbar-R控制圖情況,根據三種不同的情況分別計算數據的均值μ、極差R、標準偏差s、過程標準化偏移δ等。過程能力指數計算部分包括在規(guī)范中心 M 與受控過程中心 （ 即正態(tài)均值 ） μ重合時, 過程能力指數Cp的計算：
　　

　　過程能力指數Cpk考慮了過程特性值的均值相對公差帶的位置關系：
　　

　　保證過程的對中性，使質量損失減小,過程能力指數Cpm正是為適應這一要求而提出的：
　　
　　控制圖部分用于顯示過程的控制狀態(tài)包括Xbar-S控制圖和Xbar-R控制圖,根據采集到的數據用圖形的形式提示判斷生產過程是否處于受控狀態(tài),以便于進行有效的生產調整。

5 實驗事例

　　某車間加工一批活塞。以下是利用該系統(tǒng)監(jiān)控實際生產時，采集到的有關活塞外直徑的一部分數據。其中活塞直徑設計要求為，目標值是Tg =74.002;規(guī)范上限USL和規(guī)范下限LSL分別為USL=74.030,LSL=73.960,下表中是現(xiàn)場采集到的20個樣本數據，每個樣本容量是5。各樣本數據如下：

　　表1 直徑有關數據 單位: mm

　　由表中可得到：

　　5.1 計算該組數據的過程能力指數：

　　整批樣本的過程標準差和過程均值的估計值分別是：

　　規(guī)范上限USL和規(guī)范下限LSL分別為： USL=74.030, LSL=73.960

　　根據公式過程能力指數分別是：

　　Cp =1.21, Cpk =1.01, Cpm =1.04

　　5.2 計算樣本常規(guī)控制圖 中的控制界限：

　　由n=5查常規(guī)控制圖有關表格, 系數

　　A2 = 0.577, D4 = 2.115, D3 = 0

　　圖的上下控制界限分別是：

　　

　　R圖的上下控制界限分別是：

　　

　　從而得到控制圖,如圖4所示.

　　5.3 計算樣本常規(guī)控制圖 中的控制界限：

　　由n=5查常規(guī)控制圖有關表格, 系數

　　

　　從而得到控制圖,如5圖所示.

　　均值-極差控制圖（圖）主要用來監(jiān)控生產過程的均值是否處于或保持在所要求的水平。圖的作用類似于圖，只是用標準差s替了極差R。由于標準差s比極差R精確，s控制圖比R控制圖的效果好，特別是樣本大小比較大時，更適宜采用。通過觀察上面的控制圖可以看出數據都分布在常規(guī)控制圖的上下控制限之間，沒有出現(xiàn)“鏈”、“偏離”、“周期”等傾向。所以判定這批零件直徑的質量特性值在生產過程中沒有出現(xiàn)異常波動,產品的生產過程處于受控狀態(tài)。

5 結束語

　　以上設計的基于PC104總線的數據采集儀及數據分析系統(tǒng)，具有高度的兼容性，結構緊湊，體積小、功耗小，特別適合應用于對體積和功能都有較高要求的工業(yè)現(xiàn)場測控設備。這個系統(tǒng)是從使用方便、操作可靠和實時性好等幾方面綜合考慮設計, 在用于工業(yè)現(xiàn)場復雜性和多樣性環(huán)境的試驗中，該數據采集系統(tǒng)的硬件和軟件設計能夠滿足顧客更高的要求,突出體現(xiàn)了其小型便攜、可靠性高等優(yōu)點,因此其將擁有廣闊的市場應用前景。

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