魏為柱，陳慶官

（蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

基于NI CRIO平臺(tái)的生絲電子實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)

魏為柱，陳慶官

（蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

利用生絲纖度儀(實(shí)驗(yàn)室自行研制)和NI CRIO嵌入式采集系統(tǒng)以及輔助的絡(luò)絲機(jī)構(gòu)，初步開發(fā)了一套生絲勻度、清潔、潔凈多錠實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，提高了生絲品質(zhì)檢驗(yàn)的客觀性及效率。

生絲電子檢測(cè)；LabVIEW；NI CRIO平臺(tái)

長(zhǎng)期以來(lái)，生絲的纖度干均勻度和清潔、潔凈檢測(cè)采用傳統(tǒng)的黑板檢驗(yàn)，這種檢測(cè)方法在一定程度受檢驗(yàn)人員的主觀影響。從20世紀(jì)70年代末80年代初期起，國(guó)內(nèi)外的業(yè)內(nèi)人士開始研究采用電子設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)生絲的方法，用于客觀地評(píng)定生絲的等級(jí)[1]。但可惜的是，據(jù)筆者調(diào)查研究，目前市場(chǎng)上生絲電子檢驗(yàn)設(shè)備或關(guān)鍵部件大多為國(guó)外進(jìn)口，而由于受到某些關(guān)鍵技術(shù)的制約，生絲電子檢測(cè)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化一直得不到較好地發(fā)展和推廣。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，初步開發(fā)了一套生絲勻度、清潔、潔凈實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)工作的基本原理是通過(guò)本研究室自制的生絲纖度儀將生絲的粗細(xì)(直徑的大小)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，然后由采集系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)采集并實(shí)時(shí)地做出處理和存儲(chǔ)，最終在PC電腦上以報(bào)表形式顯示被測(cè)生絲的勻度CV大小及颣節(jié)數(shù)目。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心思想是通過(guò)內(nèi)嵌于NI CRIO平臺(tái)中的FPGA芯片和實(shí)時(shí)控制器對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的處理及存儲(chǔ)。系統(tǒng)硬件主要分為三部分：信號(hào)傳感部分，信號(hào)采集和處理部分，結(jié)果顯示部分。利用實(shí)驗(yàn)室自行研制的生絲纖度動(dòng)態(tài)測(cè)試儀來(lái)獲取信號(hào)，NI CRIO平臺(tái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)處理及存儲(chǔ)，通過(guò)網(wǎng)線將測(cè)試結(jié)果傳輸給上位機(jī)PC電腦，最終在PC電腦上以報(bào)表形式顯示測(cè)試結(jié)果。設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Simpli fi ed Diagram of Hardware's Structural Principle

1.2 硬件組成

1.2.1 絡(luò)絲機(jī)

選用FX0101型精密絡(luò)絲機(jī)(河北任丘紡織機(jī)械有限公司)，可進(jìn)行6錠同時(shí)絡(luò)絲，卷繞速度為80～1 200 m/min可調(diào)，滿足生絲電子檢測(cè)草案中勻度和清潔、潔凈檢驗(yàn)的轉(zhuǎn)速要求(勻度、清潔、潔凈測(cè)試轉(zhuǎn)速400 m/min[1])，檢驗(yàn)生絲纖度范圍為11.1～77.8 dtex(10～70 D)。

1.2.2 生絲纖度儀

系統(tǒng)使用的纖度儀是由SD-1型生絲纖度儀[2]改進(jìn)制得的。改進(jìn)的部分主要有：原AD轉(zhuǎn)換和液晶顯示部分電路功能分別由采集卡和計(jì)算機(jī)來(lái)代替完成；振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號(hào)頻率由原來(lái)的1 kHz左右提高為10 kHz左右。纖度儀的工作原理是利用單光源(GaAs紅外發(fā)光二極管)與分束器“Y”形光纖的輸入端面耦合，耦合區(qū)域用硅橡膠折射率匹配材料灌封，避免雜散光進(jìn)入光纖。通過(guò)穩(wěn)頻穩(wěn)幅振蕩器，使紅外發(fā)射管發(fā)出經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外光，分導(dǎo)式光纖將紅外光一分為二送到2個(gè)性能相同的光敏管接收管。因光敏管受到的照度相等，輸出也相同，共模輸入使差動(dòng)放大器輸出為零。當(dāng)被測(cè)絲條放入傳感器口，生絲阻擋了一部分紅外光線，使測(cè)量端光敏管接收到的光通量減少，輸出也減少，放大器兩輸入端平衡被破壞，進(jìn)行差動(dòng)放大，輸出差模信號(hào)。只要適當(dāng)調(diào)整放大器增益，就能測(cè)量所測(cè)生絲的投影直徑，其工作原理圖和實(shí)物圖分別見圖2和圖3[3-4]。

圖2 纖度儀工作原理Fig.2 Working Principle of Denier Instrument

圖3 改進(jìn)的SD-1纖度儀實(shí)物Fig.3 Sample of Improved SD-1 Denier Instrument

1.2.3 NI CRIO平臺(tái)

NI CompactRIO是一種小巧而堅(jiān)固的工業(yè)化控制和采集系統(tǒng)，其內(nèi)部架構(gòu)如圖4所示，采用可重新配置I/O(reconfigurable I/O，縮寫為RIO)的FPGA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超高性能和可自定義功能。NI CompactRIO包含一個(gè)實(shí)時(shí)控制器與可重新配置的FPGA芯片，適用于可靠的獨(dú)立嵌入式或分布式應(yīng)用系統(tǒng)；還包含熱插拔工業(yè)I/O模塊，內(nèi)置可直接和傳感器/調(diào)節(jié)器連接的信號(hào)調(diào)理。CompactRIO具有低成本開放性架構(gòu)，用戶可以輕松訪問(wèn)到底層的硬件設(shè)備[5]。

圖4 NI CompactRIO內(nèi)部架構(gòu)Fig.4 Internal Structure of NI CompactRIO

本系統(tǒng)采用的CRIO平臺(tái)配置為：

1)9004實(shí)時(shí)控制器

該控制器運(yùn)行ETS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，將在上位機(jī)PC電腦上編寫好的應(yīng)用程序下載到實(shí)時(shí)控制器中，即可以μs級(jí)的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的處理和存儲(chǔ)，并可通過(guò)網(wǎng)線方便地與PC電腦進(jìn)行通信。

2)9104機(jī)箱

該機(jī)箱配有8槽支持所有CompactRIO I/O模塊插槽；300萬(wàn)門門電路的FPGA核心芯片，該門電路可通過(guò)編程重新配置，F(xiàn)PGA具有方便與快速的處理能力，其主要由邏輯組塊、可編程的互聯(lián)結(jié)構(gòu)組塊、I/O組塊三部分組成。

3)9205模擬輸入模塊

該模塊電壓輸入范圍可通過(guò)編程設(shè)置；32路單端或16路差分模擬輸入端口，本系統(tǒng)是6錠同時(shí)測(cè)試，輸入端口數(shù)滿足設(shè)計(jì)需求；16位分辨率，滿足被測(cè)信號(hào)的精度要求；250 kS/s總采樣率，本系統(tǒng)的振蕩信號(hào)頻率為10 kHz，足以滿足設(shè)計(jì)需求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的開發(fā)軟件采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言及其Real-Time和FPGA模塊。程序采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，包括FPGA處理程序、RT應(yīng)用程序、報(bào)表生成程序。FPGA處理程序?qū)崿F(xiàn)生絲颣節(jié)實(shí)時(shí)判斷運(yùn)算及勻度CV的求和運(yùn)算，并將運(yùn)算后的結(jié)果傳輸至實(shí)時(shí)控制器；Real-Time應(yīng)用程序在實(shí)時(shí)控制器中運(yùn)行，其功能為實(shí)現(xiàn)生絲勻度CV的開方和除法運(yùn)算及最終測(cè)試結(jié)果的存儲(chǔ)；報(bào)表生成程序在PC機(jī)電腦上運(yùn)行，用于最終測(cè)試結(jié)果的顯示。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.5 Structure of System Software

3 測(cè)試結(jié)果分析

本系統(tǒng)的程序是依據(jù)生絲電子檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)草案的規(guī)定來(lái)設(shè)計(jì)的，最終生成的颣節(jié)測(cè)試結(jié)果與生絲電子檢測(cè)草案中的生絲疵點(diǎn)分級(jí)表相對(duì)應(yīng)，并取具有代表性的1 m長(zhǎng)生絲的CV來(lái)反應(yīng)勻度?，F(xiàn)選用黑板檢驗(yàn)好的23.3 dtex不同等級(jí)的生絲(5A、6A)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)間60 s，車速400 m/min，選取其中的一緒測(cè)試結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 生絲颣節(jié)測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test Results of Raw Silk Fouls

由以上測(cè)試結(jié)果可以看出6A生絲的颣節(jié)數(shù)目要少于5A生絲，其CV1m值也小于5A生絲，即檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際生絲等級(jí)一致，但其檢驗(yàn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于黑板檢驗(yàn)。目前本系統(tǒng)處于剛開發(fā)完成階段，仍需通過(guò)大量的測(cè)試試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證并完善其測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

圖7 勻度測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test Results of Formation

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著絲綢行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平日益提高，傳統(tǒng)的黑板檢驗(yàn)已不能適應(yīng)現(xiàn)代紡織所提出的新要求。采用現(xiàn)代的檢測(cè)方法和手段，是未來(lái)生絲檢測(cè)發(fā)展的必然。而本系統(tǒng)的開發(fā)正是符合生絲現(xiàn)代檢測(cè)的需求，也有助生絲電子檢測(cè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)展與推廣。

[1] 生絲電子檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)草案[M].中國(guó)生絲電子檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)研究小組，2006：8-11.

[2] 陳慶官.生絲勻度自動(dòng)檢測(cè)研究[J].蘇州絲綢工學(xué)院院報(bào)，1987，7(3)：12-19.

[3] 祁寧.生絲勻度、清潔、潔凈電子檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的探討[D].蘇州：蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，2009.

[4] 盛井龍.基于虛擬儀器的繭絲細(xì)度連續(xù)測(cè)量的研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，2008.

[5] NI CompactRIO平臺(tái)配置指導(dǎo)及用戶方案[Z].聚星儀器公司，2009.

Development of Electronic Real-time Inspecting System for Raw Silk Based on NI CRIO Platform

WEI Wei-zhu, CHEN Qing-guan
(College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China)

A real-time test system for raw silk's formation and cleaning was developed based on raw silk denier instrument (made by laboratory), NI CRIO embedded acquisition systems and assisted silk winding equipment,which has improved the subjectivity and efficiency of quality inspection for raw silk.

Electronic inspection for raw silk; LabVIEW; NI CRIO Platform

TS108.8

A

1001-7003（2010）03-0024-03

2009-12-24

魏為柱(1985－ )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔棓?shù)字化技術(shù)。通訊作者：陳慶官，教授，qgchen@suda.edu.cn。