摘 要: 介紹了一種基于PC104的數(shù)據(jù)采集儀,并闡述了系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計(jì)思想和具體實(shí)現(xiàn);同時(shí)介紹了一個(gè)適用于該數(shù)據(jù)采集議的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)是一種具有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理功能的自動(dòng)化設(shè)備。 關(guān)鍵字: PC104總線 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)分析 [align=center]Data Acquisition Instrument and Data Analysis System Based on PC104 Bus[/align] 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(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標(biāo)，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(lái)越高的要求。特別是用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的嵌入式計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)提出了更高的要求：小型化與便攜，較高抗震動(dòng)沖擊的能力，兼容性和散熱性好，高可靠性和可維護(hù)性等。 　　我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)基于PC104總線的數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)正是一種具有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理功能的自動(dòng)化設(shè)備。具備實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)存儲(chǔ)、即時(shí)顯示、即時(shí)反饋、自動(dòng)傳輸功能,為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性、實(shí)時(shí)性、可用性提供了保證。這套系統(tǒng)的使用將會(huì)改變制造過(guò)程的質(zhì)量數(shù)據(jù)檢測(cè)中出現(xiàn)的手工記載的費(fèi)時(shí)費(fèi)力，易出差錯(cuò)等問(wèn)題。管理人員通過(guò)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行過(guò)程能力分析和控制圖分析, 實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程質(zhì)量的保證。 2 硬件部分的集成設(shè)計(jì) 　　PC104總線數(shù)據(jù)采集儀的硬件部分的集成設(shè)計(jì)，其中主要包括PC104總線主板和PC104數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡和主板是堆疊方式安裝,有利于設(shè)計(jì)高密度、小體積便攜式數(shù)據(jù)采集儀。PC104總線數(shù)據(jù)采集儀的結(jié)構(gòu)，如圖1所示. [align=center] 圖1 數(shù)據(jù)采集儀結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　2.1 主板 　　數(shù)據(jù)采集儀主板采用標(biāo)準(zhǔn)PC104結(jié)構(gòu)低功 　　耗300MHz處理器的主板。PC104主板結(jié)構(gòu)小巧緊湊,全部使用CMOS器件,使整機(jī)功耗更低,開(kāi)發(fā)以PC104為工作平臺(tái)的在艱苦環(huán)境工作的現(xiàn)場(chǎng)儀器是一個(gè)非常理想的方案。 　　2.2 數(shù)據(jù)采集卡 　　采集卡采用PC104數(shù)據(jù)采集卡, 可與PC/104 CPU 模塊系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)高性能的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng),結(jié)構(gòu)緊湊，適于嵌入式與便攜式應(yīng)用. 3 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì) 　　本PC104數(shù)據(jù)采集儀系統(tǒng)采用Windows 操作系統(tǒng),運(yùn)用C++ 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)編程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序流程圖，如圖2所示. [align=center] 圖2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖[/align] 　　在Windows環(huán)境下測(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,因其多任務(wù)的操作方式和良好的用戶界面已成為趨勢(shì)。同時(shí)C++ 語(yǔ)言以其強(qiáng)大的功能和易用性也在測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中取得了廣泛的應(yīng)用。所以為了更好的擴(kuò)充數(shù)據(jù)采集儀的功能和給用戶提供一個(gè)良好的使用界面,我們選擇了Windows 操作系統(tǒng),運(yùn)用C++語(yǔ)言編程。動(dòng)態(tài)連接庫(kù)（DLL）中包括進(jìn)行數(shù)據(jù)采集操作的C/C++的各種函數(shù),在C++ Builder開(kāi)發(fā)平臺(tái)下對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行調(diào)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)置、采樣和數(shù)據(jù)處理。 　　數(shù)據(jù)采用兩種方式存儲(chǔ):數(shù)據(jù)庫(kù)方式和文本文件格式。C++ Builder擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)功能,為大批量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理提供了方便。文本格式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速及時(shí)處理。 4 數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì) 　　當(dāng)系統(tǒng)正確的采集到數(shù)據(jù)后,并不一定能夠正確的判斷產(chǎn)品的制造過(guò)程是否可以滿足工程標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)格。該數(shù)據(jù)分析軟件就是通過(guò)對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)程的過(guò)程能力指數(shù)監(jiān)控和利用控制圖顯示過(guò)程的受控狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程質(zhì)量的保證。軟件設(shè)計(jì)思想,如圖3所示. [align=center] 圖3 數(shù)據(jù)采集儀[/align] 　　數(shù)據(jù)查詢是根據(jù)需要選擇出要處理的數(shù)據(jù),分為數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和文本格式數(shù)據(jù)查詢兩種格式。數(shù)據(jù)初始化即數(shù)據(jù)的分組處理包括抽樣數(shù)據(jù)不分組情況、抽樣數(shù)據(jù)來(lái)自Xbar-S控制圖情況、抽樣數(shù)據(jù)來(lái)自Xbar-R控制圖情況,根據(jù)三種不同的情況分別計(jì)算數(shù)據(jù)的均值μ、極差R、標(biāo)準(zhǔn)偏差s、過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化偏移δ等。過(guò)程能力指數(shù)計(jì)算部分包括在規(guī)范中心 M 與受控過(guò)程中心 （ 即正態(tài)均值 ） μ重合時(shí), 過(guò)程能力指數(shù)Cp的計(jì)算： 　　 　　過(guò)程能力指數(shù)Cpk考慮了過(guò)程特性值的均值相對(duì)公差帶的位置關(guān)系： 　　 　　保證過(guò)程的對(duì)中性，使質(zhì)量損失減小,過(guò)程能力指數(shù)Cpm正是為適應(yīng)這一要求而提出的： 　　 　　控制圖部分用于顯示過(guò)程的控制狀態(tài)包括Xbar-S控制圖和Xbar-R控制圖,根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)用圖形的形式提示判斷生產(chǎn)過(guò)程是否處于受控狀態(tài),以便于進(jìn)行有效的生產(chǎn)調(diào)整。 5 實(shí)驗(yàn)事例 　　某車(chē)間加工一批活塞。以下是利用該系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，采集到的有關(guān)活塞外直徑的一部分?jǐn)?shù)據(jù)。其中活塞直徑設(shè)計(jì)要求為，目標(biāo)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(chǎng)采集到的20個(gè)樣本數(shù)據(jù)，每個(gè)樣本容量是5。各樣本數(shù)據(jù)如下： 　　表1 直徑有關(guān)數(shù)據(jù) 單位: mm 　　由表中可得到： 　　5.1 計(jì)算該組數(shù)據(jù)的過(guò)程能力指數(shù)： 　　整批樣本的過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)差和過(guò)程均值的估計(jì)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(jù)公式過(guò)程能力指數(shù)分別是： 　　Cp =1.21, Cpk =1.01, Cpm =1.04 　　5.2 計(jì)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(guān)表格, 系數(shù) 　　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. [align=center] 圖4 控制圖[/align] 　　5.3 計(jì)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(guān)表格, 系數(shù) 　　 　　從而得到控制圖,如5圖所示. [align=center] 圖5 控制圖[/align] 　　均值-極差控制圖（圖）主要用來(lái)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程的均值是否處于或保持在所要求的水平。圖的作用類(lèi)似于圖，只是用標(biāo)準(zhǔn)差s替了極差R。由于標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，更適宜采用。通過(guò)觀察上面的控制圖可以看出數(shù)據(jù)都分布在常規(guī)控制圖的上下控制限之間，沒(méi)有出現(xiàn)“鏈”、“偏離”、“周期”等傾向。所以判定這批零件直徑的質(zhì)量特性值在生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)異常波動(dòng),產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程處于受控狀態(tài)。 5 結(jié)束語(yǔ) 　　以上設(shè)計(jì)的基于PC104總線的數(shù)據(jù)采集儀及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，具有高度的兼容性，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、功耗小，特別適合應(yīng)用于對(duì)體積和功能都有較高要求的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備。這個(gè)系統(tǒng)是從使用方便、操作可靠和實(shí)時(shí)性好等幾方面綜合考慮設(shè)計(jì), 在用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜性和多樣性環(huán)境的試驗(yàn)中，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)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(diǎn),因此其將擁有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 鄧衛(wèi)偉, 房紀(jì)濤.基于企業(yè)CIMS環(huán)境中SPC系統(tǒng)的作用與地位[J].控制與傳動(dòng),2008（6）. 　　[2] 高瑩, 楊和洲. 基于PC104的電能數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng)[J].華東電力,2003（12）. 　　[3] Zhang, Y., Low, Y. S. 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