基于PC104总线的数据采集仪及数据分析系统

摘 要: 介绍了一种基于PC104的数据采集仪,并阐述了系统软、硬件的设计思想和具体实现;同时介绍了一个适用于该数据采集议的数据分析系统软件的设计思路。该系统是一种具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备。

关键字: PC104总线 数据采集 数据分析

Data Acquisition Instrument and Data Analysis System Based on PC104 Bus

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

　　近几年通信技术突飞猛进的发展和数据采集系统的广泛应用，人们对数据采集的主要技术指标，如采样速率、分辨率、精度、控制方式、抗干扰能力等方面，都提出了越来越高的要求。特别是用于工业现场的嵌入式计算机的数据采集系统，由于工业现场环境的复杂性和多样性，对数据采集系统的硬件和软件设计提出了更高的要求：小型化与便携，较高抗震动冲击的能力，兼容性和散热性好，高可靠性和可维护性等。

　　我们设计的这个基于PC104总线的数据采集仪和数据分析系统正是一种具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备。具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动传输功能,为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证。这套系统的使用将会改变制造过程的质量数据检测中出现的手工记载的费时费力，易出差错等问题。管理人员通过数据分析系统对采集的数据直接进行过程能力分析和控制图分析, 实现对过程质量的保证。

2 硬件部分的集成设计

　　PC104总线数据采集仪的硬件部分的集成设计，其中主要包括PC104总线主板和PC104数据采集卡的集成连接,以及采集仪主板其它接口器件的连接。PC104总线系统采用紧固堆叠方式安装,数据采集卡和主板是堆叠方式安装,有利于设计高密度、小体积便携式数据采集仪。PC104总线数据采集仪的结构，如图1所示.

图1 数据采集仪结构图

　　2.1 主板

　　数据采集仪主板采用标准PC104结构低功

　　耗300MHz处理器的主板。PC104主板结构小巧紧凑,全部使用CMOS器件,使整机功耗更低,开发以PC104为工作平台的在艰苦环境工作的现场仪器是一个非常理想的方案。

　　2.2 数据采集卡

　　采集卡采用PC104数据采集卡, 可与PC/104 CPU 模块系统构成一个高性能的数据采集与控制系统,结构紧凑，适于嵌入式与便携式应用.

3 数据采集软件设计

　　本PC104数据采集仪系统采用Windows 操作系统,运用C 语言开发编程。数据采集系统的程序流程图，如图2所示.

图2 数据采集程序流程图

　　在Windows环境下测控系统的开发应用,因其多任务的操作方式和良好的用户界面已成为趋势。同时C 语言以其强大的功能和易用性也在测控系统开发中取得了广泛的应用。所以为了更好的扩充数据采集仪的功能和给用户提供一个良好的使用界面,我们选择了Windows 操作系统,运用C 语言编程。动态连接库（DLL）中包括进行数据采集操作的C/C 的各种函数,在C Builder开发平台下对这些函数进行调用,实现对数据采集系统的设置、采样和数据处理。

　　数据采用两种方式存储:数据库方式和文本文件格式。C Builder拥有强大的数据库功能,为大批量数据的存储和处理提供了方便。文本格式的数据存储是为了实现数据的快速及时处理。

4 数据分析软件设计

　　当系统正确的采集到数据后,并不一定能够正确的判断产品的制造过程是否可以满足工程标准或技术规格。该数据分析软件就是通过对产品制造过程的过程能力指数监控和利用控制图显示过程的受控状态来实现对过程质量的保证。软件设计思想,如图3所示.

图3 数据采集仪 　　数据查询是根据需要选择出要处理的数据,分为数据库查询和文本格式数据查询两种格式。数据初始化即数据的分组处理包括抽样数据不分组情况、抽样数据来自Xbar-S控制图情况、抽样数据来自Xbar-R控制图情况,根据三种不同的情况分别计算数据的均值μ、极差R、标准偏差s、过程标准化偏移δ等。过程能力指数计算部分包括在规范中心 M 与受控过程中心 （ 即正态均值 ） μ重合时, 过程能力指数Cp的计算： 　　

　　过程能力指数Cpk考虑了过程特性值的均值相对公差带的位置关系： 　　

　　保证过程的对中性，使质量损失减小,过程能力指数Cpm正是为适应这一要求而提出的： 　　 　　控制图部分用于显示过程的控制状态包括Xbar-S控制图和Xbar-R控制图,根据采集到的数据用图形的形式提示判断生产过程是否处于受控状态,以便于进行有效的生产调整。

5 实验事例

　　某车间加工一批活塞。以下是利用该系统监控实际生产时，采集到的有关活塞外直径的一部分数据。其中活塞直径设计要求为，目标值是Tg =74.002;规范上限USL和规范下限LSL分别为USL=74.030,LSL=73.960,下表中是现场采集到的20个样本数据，每个样本容量是5。各样本数据如下：

　　表1 直径有关数据 单位: mm

　　由表中可得到：

　　5.1 计算该组数据的过程能力指数：

　　整批样本的过程标准差和过程均值的估计值分别是：

　　规范上限USL和规范下限LSL分别为： USL=74.030, LSL=73.960

　　根据公式过程能力指数分别是：

　　Cp =1.21, Cpk =1.01, Cpm =1.04

　　5.2 计算样本常规控制图 中的控制界限：

　　由n=5查常规控制图有关表格, 系数

　　A2 = 0.577, D4 = 2.115, D3 = 0

　　图的上下控制界限分别是：

　　R图的上下控制界限分别是：

　　从而得到控制图,如图4所示.

图4 控制图

　　5.3 计算样本常规控制图 中的控制界限：

　　由n=5查常规控制图有关表格, 系数

　　从而得到控制图

　　均值-极差控制图（图）主要用来监控生产过程的均值是否处于或保持在所要求的水平。图的作用类似于图，只是用标准差s替了极差R。由于标准差s比极差R精确，s控制图比R控制图的效果好，特别是样本大小比较大时，更适宜采用。通过观察上面的控制图可以看出数据都分布在常规控制图的上下控制限之间，没有出现“链”、“偏离”、“周期”等倾向。所以判定这批零件直径的质量特性值在生产过程中没有出现异常波动, 产品的生产过程处于受控状态。

5 结束语

　　以上设计的基于PC104总线的数据采集仪及数据分析系统，具有高度的兼容性，结构紧凑，体积小、功耗小，特别适合应用于对体积和功能都有较高要求的工业现场测控设备。这个系统是从使用方便、操作可靠和实时性好等几方面综合考虑设计, 在用于工业现场复杂性和多样性环境的试验中，该数据采集系统的硬件和软件设计能够满足顾客更高的要求,突出体现了其小型便携、可靠性高等优点,因此其将拥有广阔的市场应用前景。

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