《武汉工程大学学报》 2011年05期
94-96
出版日期：2011-05-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于LabVIEW的快速热分析仪数据采集系统的研究
0引言 获得优质的铁液是铸造生产过程中重要前提条件之一，特别是在一些高强度铸铁材料（如球墨铸铁、蠕墨铸铁）生产过程中，加强铁液质量的检测就显得尤为重要.近年来，随着机械零件对强度性能要求的不断提高，一些新型铸铁材料的研制与应用受到了广泛的重视，其中以高强度球墨铸铁和蠕墨铸铁发展速度尤为迅速.高强度球墨铸铁和蠕墨铸铁生产的关键技术是炉前的球化处理和蠕化处理工艺，而对这些炉前处理影响最大的因素是铁液的质量.因此，如何实现对炉前铁液的快速检测成为高强度铸铁材料生产的关键技术. 为了加强铁液质量控制，国内外在铁液炉前快速检测方面做了大量的研究，特别是西方工业发达国家将计算机技术应用于铁液质量热分析法检测，通过设计新型智能化测试仪实现了对铁液性能的快速、准确的测定，很好地保证了铸件的产品质量［1-3］.在国内，炉前快速分析仪的研发相对较少，技术相对落后，同时，由于国内炉料质量参差不齐，微量元素含量控制不严，热分析法测试的适应性和准确性也较差，难以满足生产实际的需要. 热分析法快速检测是通过测定铁液凝固冷却过程中的温度曲线，利用计算机分析温度变化特征参数来检测铁液的碳含量、硅含量和碳硅当量，并以此为基础检测球化率、蠕化率和材料的力学性能，其技术关键在于温度数据的采集和温度特征参数的数学物理模型的建立和分析.本文在分析铁液凝固特征的基础上，重点研究并设计基于LabVIEW的温度数据采集系统的基本构架和数据采集电路，为铁液炉前快速分析仪的研究开发奠定基础.1快速热分析仪数学物理模型的研究 炉前快速热分析系统通过测定铁液凝固过程中的初晶温度TL和共晶温度TE，在生产企业现场进行实验，获得大量数据基础上建立数学物理模型，并通过计算机的数值计算检测铁液的化学成分和相关质量技术参数，常用的化学成分的经验数学关系式如下［2］：W(C%)=2.428-0.006 55TL+0.007 88TEW(Si%)=68.649 67-0.060 07TE同时，根据共晶过冷度ΔT作为另一特征参数来求铸铁的力学性能.利用TL和ΔT实现铸铁力学性能测定的模型为［3］：Sc=1.573 0TL-21.952 0ΔT-1 054.46σb =1.180 0TL+2.394 0ΔT-1 167.937 0HB=4.524 0TL-10.683 0ΔT-3 328.827本系统测试过程中，能根据各生产企业的原始数据进行采集，并在此基础上通过修改数学关系式中的系数来建立适合于本企业生产条件的数学物理模型，从而提高测试的精度和准确性.2数据采集系统的分析与设计 虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统，其基础是计算机系统，核心是软件技术［4］. LabVIEW是美国国家仪器公司推出的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件.经过多年的发展，LabVIEW已经成为国际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域，并适用于不同的操作系统平台［56］.第5期夏志全,等:基于LabVIEW的快速热分析仪数据采集系统的研究
武汉工程大学学报第33卷
铁液炉前快速分析仪利用LabVIEW软件强大的图形化语言（G语言）编程，面向测试工程师，内置了信号采集、测量分析与数据显示的功能，具有人机交互界面直观友好、强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点，摒弃传统开发工具的复杂性，使用户就可以方便地将各种物理量采集到计算机进行进一步的处理，提高炉前快速分析仪的适应性和准确性.2.1温度数据采集系统的硬件构成与工作流程
设计温度数据采集系统主要由传感器、信号调理设备、数据采集卡（DAQ卡）和计算机四部分组成，如图1所示.图1炉前快速分析仪基于PC的
数据采集（DAQ）系统
Fig.1DAQ system based on PC of the fast
thermal analyzer before casting本系统采集对象为金属液温度，浇注温度在1 320~1 400 ℃，传感器采用K型镍铬镍硅热电偶.热电偶将采集到的信号传递到信号调理设备中进行信号的放大、滤波、隔离、线性化后，使得信号易于被数据采集设备读取，该数据采集卡以89C51单片机和模数转换芯片CS1180为核心，以CP2102芯片作为USB到UART的桥接电路，完成USB数据和UART数据的转换，电路连线简单，数据传输可靠，把下位机串行数据转换成USB数据格式，方便实现数据通信，在上位机通过运行芯片的驱动程序可以按照简单的串口进行读写操作，编程简单，操作灵活. 本系统中由计算机对DAQ卡发送采集信号，DAQ卡核心单片机根据通信协议判断上位机信号是否合理，以确定是否建立通信，最后由单片机对模数转换芯片CS1180发送数据采集指令，完成数据采集任务.CS1180是一款国产高精度、低功耗的模数转换芯片.其分辨率为20 bit,有效分辨率可达19 bit.下图为CS1180的设置和读写流程图.图2CS1180设置和读写流程图
Fig.2Flowchart for setting up and reading from CS11802.2温度数据采集系统的软件设计图3热分析仪操作面板
Fig.3The front panel of the fast thermal analyzer以单片机为核心的DAQ卡，通过安装CP2102芯片驱动后，可以直接与计算机之间实现串口通信.LabVIEW中提供了强大的NIVISA函数库来实现对外接串口设备的通信与控制，与串口设备的通信过程分为4个步骤：（a）由VISA open VI来打开VISA resource name 端口所指定的串口设备；（b）通过VISA write VI向串口设备发送控制命令启动设备工作，串口设备接收到控制命令后开始采集数据并将采集到的数据按要求发送到数据缓冲区；（c）通过VISA read VI将数据读出；（d）通过VISA close VI将设备关闭.LabVIEW为程序的调试提供了强大而灵活的调试工具，有助于用户快速找出程序的错误和不足，及时纠正.我们通过在数据线上安放探针工具，可以实时观察变量值，从而控制程序的运行.图3为数据采集程序的前面板.3结语 本设计以LabVIEW作为上位机，与以单片机为核心的第三方数据采集卡实现串口通信，实现了温度数据的实时采集与显示，在大大降低系统成本的同时，保证了数据采集的可靠性和稳定性，为后续的数据分析奠定了良好的基础.另外，本系统还具有良好的扩展性，只需更换处于最前端的传感器，略微改动程序代码中的参数设置就可以实现对其他物理信号的采集.