施 祥

（浙江科技學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，杭州310023）

對(duì)于機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生的非穩(wěn)態(tài)噪聲，一般需要了解其任意時(shí)刻的噪聲大小。聲級(jí)計(jì)可以簡(jiǎn)便快捷地測(cè)量設(shè)備的瞬時(shí)噪聲值，但其測(cè)量顯示窗口較小，肉眼長(zhǎng)時(shí)間觀察容易疲勞，而且聲級(jí)計(jì)只能靠近機(jī)器設(shè)備測(cè)量。隨著微機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，由PC機(jī)結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)已成為單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向，它結(jié)合了單片機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和微機(jī)對(duì)圖形處理、顯示的優(yōu)點(diǎn)［1］。

基于此，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的聲級(jí)計(jì)與PC機(jī)連接的機(jī)器設(shè)備噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)用戶界面與聲級(jí)計(jì)顯示窗口的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)一致，并可在PC機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)噪聲測(cè)量值超限報(bào)警功能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)由聲級(jí)計(jì)、PC機(jī)和RS232串口通信線聯(lián)結(jié)構(gòu)成。圖1為系統(tǒng)組成示意圖。聲級(jí)計(jì)采用AWA6228型多功能聲級(jí)計(jì)，該聲級(jí)計(jì)可以以A、C、Z的3種并行頻率計(jì)權(quán)及F、S、I的3種并行的時(shí)間計(jì)權(quán)，可以同時(shí)測(cè)量多種聲音評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)RS232串口通信線可以把聲級(jí)計(jì)的瞬時(shí)噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)（最遠(yuǎn)傳輸距離可以達(dá)到15～20m）。

圖1 機(jī)器設(shè)備噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig．1 Monitoring system for machines noises

2 軟件設(shè)計(jì)

在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)與聲級(jí)計(jì)串行通信的編程語(yǔ)言有很多，VB、C＋＋、MATLAB等編程語(yǔ)言都可以實(shí)現(xiàn)。與VB、C＋＋語(yǔ)言相比，MATLAB的計(jì)算機(jī)串口操作更加簡(jiǎn)化，只要幾個(gè)語(yǔ)句就能實(shí)現(xiàn)對(duì)串口數(shù)據(jù)的讀寫操作，而且擁有豐富的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用MATLAB語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行軟件編寫［2－4］。為了方便用戶使用，進(jìn)一步利用MATLAB圖形用戶界面開(kāi)發(fā)環(huán)境（簡(jiǎn)稱GUIDE），開(kāi)發(fā)一個(gè)完整的圖形用戶界面（簡(jiǎn)稱GUI）。

2．1 MATLAB串口基本操作

在PC機(jī)上使用MATLAB軟件與其他設(shè)備進(jìn)行串口通信，一般要進(jìn)行創(chuàng)建串口、打開(kāi)串口、讀取串口、斷開(kāi)及清除串口等操作［5］。

2．1．1 創(chuàng)建串口對(duì)象并設(shè)置其屬性

用serial函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)串口對(duì)象，語(yǔ)句格式為scom＝serial（‘port’）。接著，按表1設(shè)置串口對(duì)象的常見(jiàn)屬性。

對(duì)于RS－232串口設(shè)備對(duì)象，其屬性的缺省值為波特率9 600b／s，異步方式，通信數(shù)據(jù)格式為8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。

2．1．2 打開(kāi)串口對(duì)象

用fopen函數(shù)打開(kāi)串口，聯(lián)結(jié)串口對(duì)象到外圍設(shè)備。語(yǔ)句格式為fopen（scom）。

2．1．3 讀寫串口操作

打開(kāi)串口對(duì)象之后，可以對(duì)串口設(shè)備對(duì)象進(jìn)行讀寫操作。對(duì)ASCII文本格式的數(shù)據(jù)，MATLAB讀寫串口設(shè)備的命令分別是fscanf、fpritf；二進(jìn)制格式則使用fread、fwrite命令。

2．1．4 斷開(kāi)并清除串口對(duì)象

當(dāng)不再使用串口對(duì)象時(shí)，使用fclose（scom）函數(shù)斷開(kāi)串口對(duì)象與外設(shè)的聯(lián)結(jié)。然后使用delete（scom）將串口對(duì)象從內(nèi)存中刪除，最后可使用clear scom命令清除工作空間中的串口對(duì)象。

可見(jiàn)，在MATLAB中進(jìn)行串行通信是十分方便的，編程較為簡(jiǎn)單。而且，在MATLAB中串行通信的失誤率很低，通信較為可靠，同時(shí)，也可以采用增加握手信號(hào)及數(shù)據(jù)校驗(yàn)等方式進(jìn)一步增加通信的可靠性［6］。

表1 串口對(duì)象的常見(jiàn)屬性Table 1 Common properties ofserial port object

2．2 GUI界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面見(jiàn)圖2。界面主要分3個(gè)區(qū)域：測(cè)量值顯示區(qū)，串口通信設(shè)置區(qū)，用戶指令區(qū)。測(cè)量值顯示區(qū)用來(lái)同步顯示聲級(jí)計(jì)的測(cè)量值，串口通信設(shè)置區(qū)用來(lái)設(shè)置PC機(jī)和聲級(jí)計(jì)串行通信時(shí)的參數(shù)設(shè)置，用戶指令區(qū)可以輸入用戶指令、預(yù)設(shè)報(bào)警值。其中用戶指令區(qū)的“打開(kāi)串口”“手動(dòng)接收”“自動(dòng)接收”控件均采用表示二值狀態(tài)的切換按鈕（如“打開(kāi)串口”與“關(guān)閉串口”）。

圖2 系統(tǒng)界面Fig．2 System interface

2．3 主要程序模塊

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能主要有：

1）創(chuàng)建串口對(duì)象，并根據(jù)聲級(jí)計(jì)的計(jì)算機(jī)串口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議配置串口屬性；

2）打開(kāi)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

3）PC機(jī)根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，與設(shè)定值進(jìn)行比較，超限報(bào)警；

4）斷開(kāi)串口聯(lián)結(jié)并清除串口對(duì)象。

根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能在各個(gè)控件對(duì)象的回調(diào)函數(shù)callback下編寫相應(yīng)的程序代碼，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)的功能。系統(tǒng)軟件主要有以下3個(gè)程序模塊。

2．3．1 串口屬性配置

根據(jù)AWA6228聲級(jí)計(jì)的計(jì)算機(jī)串口傳輸協(xié)議，配置串口通信屬性，即可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與該聲級(jí)計(jì)串行通信。在“打開(kāi)串口”按鈕控件的callback函數(shù)下編寫如下程序代碼：

global scom %設(shè)置串口對(duì)象為全局變量

if get（hObject，′value′） %判斷按鈕是否按下

com＿n＝sprintf（′com%d′，get（handles．com，′value′））； %獲取串口號(hào)

scom＝serial（com＿n）； %創(chuàng)建串口對(duì)象

scom．BaudRate＝115200； %設(shè)置波特率

scom．Parity＝odd； %設(shè)置奇校驗(yàn)

scom．InputBufferSize＝39； %設(shè)置緩沖區(qū)大小

fopen（scom）； %打開(kāi)串口聯(lián)結(jié)到聲級(jí)計(jì)else %當(dāng)按鈕未按下時(shí)

fclose（scom）； %關(guān)閉串口

delete（scom）； %從內(nèi)存刪除串口

clear scom %從工作空間刪除串口end

2．3．2 數(shù)據(jù)的手動(dòng)接送并處理

手動(dòng)接受功能，每次按鈕按下時(shí)，聲級(jí)計(jì)的數(shù)據(jù)即傳輸?shù)接?jì)算機(jī)一次。根據(jù)聲級(jí)計(jì)與計(jì)算機(jī)傳輸協(xié)議里給出的數(shù)據(jù)傳輸指令和數(shù)據(jù)顯示形式，以及設(shè)計(jì)要求的報(bào)警功能，在“手動(dòng)接收”按鈕的callback函數(shù)下編寫如下程序代碼：

%%PC機(jī)發(fā)送傳輸指令給聲級(jí)計(jì)，并接收測(cè)量數(shù)據(jù)

global scom

fprintf（scom，＇AWAB＇）； %PC機(jī)發(fā)傳輸指令＇AWAB＇給聲級(jí)計(jì)

A＝dec2hex（fread（scom））； %接收聲級(jí)計(jì)的數(shù)據(jù)

B＝floor（hex2dec（［A（15，：）A（14，：）］）／10）／10； %讀取Z計(jì)權(quán)聲級(jí)值，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制

C＝floor（hex2dec（［A（27，：）A（26，：）］）／10）／10； %讀取 A計(jì)權(quán)聲級(jí)值，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制

switch get（handles．huoqu，＇value＇） %判斷“顯示值”按鈕狀況

case 1；set（handles．xianshi，＇string＇，num2str（B，＇%．1f＇）） %使Z計(jì)權(quán)值在顯示框顯示

case 2；set（handles．xianshi，＇string＇，num2str（C，＇%．1f＇）） %使 A 計(jì)權(quán)值在顯示框顯示

end

%%比較噪聲測(cè)量值與設(shè)定值，超過(guò)則報(bào)警顯示

(1) 從力平衡條件出發(fā)，推導(dǎo)了裂隙開(kāi)展的間距和寬度的表達(dá)式，據(jù)此提出了開(kāi)裂最大間距和寬度的概念，提出了最大間距和最大寬度的概念，可用于判定裂隙最終規(guī)模的依據(jù)。

d＝str2num（get（handles．xianshi，＇string＇））； %獲取噪聲測(cè)量值

z＝str2num（get（handles．baojing，＇string＇））； %獲取報(bào)警值

if d＞z；set（handles．xianshi，＇BackgroundColor＇，［100］） %界面顯示區(qū)呈紅色報(bào)警顯示end

2．3．3 數(shù)據(jù)的自動(dòng)接收并處理

要使得PC機(jī)的聲音顯示與聲級(jí)計(jì)顯示同步，即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接收功能，則必須采用定時(shí)器對(duì)象，同時(shí)在定時(shí)周期到來(lái)時(shí)自動(dòng)執(zhí)行“手動(dòng)接收”按鈕下的callback函數(shù)。在“自動(dòng)接收”按鈕的callback函數(shù)下編寫如下程序代碼：

if get（hObject，＇value＇） %當(dāng)“自動(dòng)接收”按鈕按下時(shí)

t1＝0．001＊str2num（get（handles．shijian，＇string＇））； %獲取周期值

t＝timer（＇BusyMode＇，＇queue＇，＇ExecutionMode＇，．．． %創(chuàng)建定時(shí)器，定時(shí)周期到來(lái)

｛＠fasong＿Callback，handles｝）；

start（t）；%啟動(dòng)定時(shí)器

else %當(dāng)“自動(dòng)接收”按鈕未按下時(shí)

stop（t）；delete（t）； %停止定時(shí)器，刪除定時(shí)器

clear t

end

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

采用該系統(tǒng)對(duì)某機(jī)器設(shè)備噪聲進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，設(shè)定報(bào)警值為40dB，測(cè)量結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。圖3顯示設(shè)備噪聲值為39．8dB，低于設(shè)定值的測(cè)量結(jié)果，與聲級(jí)計(jì)做到同步顯示。圖4顯示超過(guò)設(shè)定值時(shí)，測(cè)量顯示框底色呈現(xiàn)紅色報(bào)警狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的聲級(jí)計(jì)與PC機(jī)連接的機(jī)器設(shè)備噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用MATLAB GUIDE便捷的界面設(shè)計(jì)環(huán)境，以及MATLAB簡(jiǎn)易的串口操作函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與聲級(jí)計(jì)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸顯示，從而可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離噪聲測(cè)量，并在噪聲測(cè)量值超出設(shè)定值時(shí)給出報(bào)警提示。該系統(tǒng)界面友好，易于操作，可方便地應(yīng)用在機(jī)器設(shè)備噪聲的檢測(cè)領(lǐng)域。

［1］ 王文中，郭楠，葛慶平．PC機(jī)與單片機(jī)串口通信模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004（S1）：1－3．

［2］ 王戰(zhàn)軍，沈明．基于 Matlab GUI的串口通信編程實(shí)現(xiàn)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（9）：38－40，44．

［3］ 張園，邢彥梅，何巧．基于 MATLAB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．電聲基礎(chǔ)，2010，34（9）：37－39．

［4］ Wang C H，Yang Z J，Wen B Y．Serial communications programming in windows95with API functions［J］．Wuhan University Journal of Natural Sciences，2000，5（3）：323－328．

［5］ 羅華飛．MATLAB GUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009：224－367．

［6］ 趙云鵬．MATLAB串口通信在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（1）：111－112．