彭俊超，秦東興，李光旭

（成都信息工程大學(xué) 控制工程學(xué)院，成都 610225）

0 引言

核燃料生坯的生產(chǎn)是作為民用核材料產(chǎn)業(yè)中重要的一環(huán)。提高核燃料生坯生產(chǎn)的良品率與效率十分重要。因此，精確并快速地測量燃料生坯密度對于生坯的生產(chǎn)具有重要意義。

本文設(shè)計了一種基于LabVIEW與ARM的生坯密度測量系統(tǒng)，以PC機和ARM處理器構(gòu)成上下位機測量結(jié)構(gòu)，利用激光掃描測量技術(shù)、精確的重量測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，同步實現(xiàn)在測量工位上對生坯重量的精確測量和通過非接觸方式實現(xiàn)對生坯高度的精確測量。然后，對獲取的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理計算出生坯的密度，并以圖形化的方式顯示數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行儲存、分析處理、打印。在生產(chǎn)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠在保證測量精度地同時，大幅提高生坯密度檢測的效率和數(shù)據(jù)管理水平。

1 工作原理與總體結(jié)構(gòu)

1.1 生坯密度計算原理

燃料生坯為圓柱體形狀，中間包含空腔體積，如圖1所示。

生坯密度的計算公式：

圖1 燃料生坯簡圖

式中，ρ代表生坯密度，M代表生坯重量，V代表生坯等效實心圓柱體（無空腔）體積，VV代表生坯內(nèi)倒角、蝶形等空腔部分產(chǎn)生體積的總和，通常為常數(shù)。

1.2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)燃料生坯實際生產(chǎn)的需求，本文以ARM處理器為下位機、PC機為上位機，基于LabVIEW編寫上位機軟件，通過RS232通信總線與ARM實現(xiàn)串行通信過程，控制重量測量傳感器與激光掃描傳感器精確地測量生坯高度、重量，并對數(shù)據(jù)進行處理計算，得到生坯精確的密度數(shù)據(jù)，實時顯示并保存到數(shù)據(jù)庫。整個測量過程高效、便捷、人性化。操作人員可通過上位機對已獲取的數(shù)據(jù)進行分析處理，如查詢、統(tǒng)計、打印等。

生坯密度測量儀總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要包括測量系統(tǒng)、通信顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。測量系統(tǒng)采用精確的重量測量技術(shù)實現(xiàn)在測量工位上對生坯重量的精確測量，同時利用先進的激光掃描測量技術(shù)實現(xiàn)非接觸方式的生坯高度精確測量。以帶顯示屏的ARM控制板為通信顯示系統(tǒng)主體，實時顯示獲取的高度與重量信息并發(fā)送至上位機。

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)以PC上位機為主體，主要功能包括采集生坯重量、高度數(shù)據(jù)，結(jié)合輸入?yún)?shù)計算生坯密度，與ARM顯示器同步顯示當(dāng)前測量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存至本地數(shù)據(jù)庫，對已存數(shù)據(jù)進行查詢、統(tǒng)計、修改、刪除，以表格、圖形等方式顯示并打印等功能。

圖2 生坯密度測量儀結(jié)構(gòu)示意圖

2 件設(shè)計

2.1 測量系統(tǒng)

測量模塊主要由電子天平及激光掃描儀組成，電子天平固定在水平工作臺上，通過旋轉(zhuǎn)螺絲和電子天平水平儀實現(xiàn)電子天平水平。電子天平采用梅特勒托利多ME104E分析天平，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 梅特勒托利多ME104E分析天平參數(shù)

考慮到測量生坯高度時，生坯外形等效為圓柱體，但由于生坯的特殊性質(zhì)，其表面容易因外力脫落粉狀放射性物質(zhì)，操作人員不可直接用手接觸，為保證測量數(shù)據(jù)精度達(dá)到所需要求，本文中選用高精度的激光掃描儀實現(xiàn)非接觸式高度測量。測量激光掃描儀通過調(diào)整支架固定在工作臺上，調(diào)整支架可以獨立調(diào)整激光掃描儀位置，使之與電子天平秤盤保持水平位置。

激光掃描儀采用基恩士測量傳感器TM-040，基本參數(shù)如表2所示。

表2 激光掃描傳感器TM-040基本參數(shù)

2.2 通信顯示系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信模塊以帶顯示功能的ARM 處理器為主，通信流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)通信流程

生坯密度測量系統(tǒng)采取分布式上下位機結(jié)構(gòu)，上位機選用高穩(wěn)定性PC機，下位機采用ARM控制板開發(fā)設(shè)計，兩者之間通過RS232總線進行通信。同時ARM控制板通過RS232總線接收電子天平與激光掃描儀獲取到的重量、高度數(shù)據(jù)，并將上述數(shù)據(jù)分別發(fā)送至上位機。若上位機處于離線狀態(tài)時，ARM控制板將自主獲取傳感器數(shù)據(jù)并顯示到LCD顯示屏。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

本文的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)以上位機為主體。上位機通過串口發(fā)送測量指令到下位機，下位機獲取當(dāng)前時刻電子天平測量的重量數(shù)據(jù)，激光掃描儀測量的高度數(shù)據(jù)后在LCD顯示屏中實時顯示，同時數(shù)據(jù)回傳到上位機，上位機對數(shù)據(jù)進行處理計算，獲得密度數(shù)據(jù)并判斷是否符合生產(chǎn)指標(biāo)，若滿足所需要求，自動將生坯密度數(shù)據(jù)以及批號、測量時間等信息融合上傳至數(shù)據(jù)庫。上位機還具有對已存數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、修改、打印等功能。

系統(tǒng)各部分的連接圖如圖4所示，傳感部件的通信選用RS232通信方式，對應(yīng)波特率為9600，高度數(shù)據(jù)與重量數(shù)據(jù)分別以8位數(shù)據(jù)位加停止位上傳，輸出數(shù)據(jù)格式為ASCII碼。

圖4 數(shù)據(jù)采集接線圖

3 軟件設(shè)計

上位機軟件采用LabVIEW2009開發(fā)。LabVIEW是一種圖形化編程語言和開發(fā)環(huán)境，功能強大靈活，有豐富的界面控件與信號處理模塊、設(shè)備驅(qū)動、VISA通信模塊等，適用于作為測量與控制儀器或系統(tǒng)的開發(fā)平臺。測量軟件的模塊組成如圖5所示。

圖5 測量軟件功能模塊構(gòu)成

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)置

為增加程序的靈活性，初次打開程序后，需要對軟件進行相關(guān)設(shè)置，包括選擇ARM控制板通信端口以及打印機的端口；輸入訪問數(shù)據(jù)庫需要的身份信息，并測試是否與數(shù)據(jù)庫成功連接。設(shè)置成功后，程序?qū)⒆詣颖４嬖O(shè)置參數(shù)。

3.2 生坯測量參數(shù)設(shè)定

計算生坯密度時需要人工輸入測量參數(shù)，所以軟件需要錄入如生坯外直徑，空腔體積，以及設(shè)定生坯合格高度、密度的上下限等參數(shù)，同時設(shè)定所測生坯的批次，舟號，每舟測量數(shù)量等。為滿足企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量檢測要求，軟件需要操作人員登錄個人帳號、班次等信息并保存。

3.3 測量數(shù)據(jù)

操作人員點擊界面中“測量”按鈕，軟件將發(fā)送測量指令到下位機，獲取該時刻生坯重量數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)，并根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)與設(shè)定的參數(shù)計算出生坯密度，連同批次、舟號、日期、時間等信息一同顯示到表格。若生坯密度屬于合格范圍內(nèi)，程序自動將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中。測量數(shù)據(jù)界面如圖6所示。

圖6 上位機測量軟件操作界面

3.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用微軟SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，LabVIEW基于配置ODBC方法讀寫SQL數(shù)據(jù)庫。操作人員可對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行查詢、統(tǒng)計、修改、刪除、統(tǒng)計等操作。統(tǒng)計功能與查詢界面如圖7和圖8所示。

圖7 測量軟件的統(tǒng)計界面

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圖8 測量軟件的查詢界面

4 結(jié)論

本文介紹了一種核燃料生坯密度測量系統(tǒng)的工作原理和實現(xiàn)方法，并分別從硬件和軟件部分介紹了整個系統(tǒng)。系統(tǒng)以PC與ARM處理器構(gòu)成上下測量結(jié)構(gòu)，通過RS232通信方式連接上、下位機以及測量傳感器接收命令與數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)簡單可靠可拓展。測量軟件上基于LabVIEW開發(fā)，界面友好，易于使用。系統(tǒng)可以有效地提高生坯密度檢測效率和數(shù)據(jù)管理效率，減輕了操作人員的勞動強度。

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