【導(dǎo)讀】表面粗糙度是反映零件表面光滑程度的物理量。它是在切削過(guò)程中，由刀具在。工件表面上留下的刀痕而產(chǎn)生的。目前廣泛應(yīng)用觸針式輪廓儀可以實(shí)現(xiàn)粗糙度部分。參數(shù)的評(píng)定，但存在測(cè)量參數(shù)較少、測(cè)量精度較低、測(cè)量結(jié)果輸出不直觀等缺點(diǎn)，已不能滿足現(xiàn)代工件測(cè)量要求。本文根據(jù)表面粗糙度的定義，利用反射式光纖傳感。器的特點(diǎn)，應(yīng)用光纖位移傳感器，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于虛擬儀器技術(shù)表面粗糙度測(cè)量?jī)x。良好的人機(jī)界面等優(yōu)點(diǎn)。文章介紹了表面粗糙度的相關(guān)知識(shí)和反射式光纖位移傳感。量物體的表面粗糙度，對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

　　

【正文】 開始 串口初始化 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 等待計(jì)算機(jī)命令 數(shù)據(jù)發(fā)送 返回 N Y 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 第 5章 粗糙度測(cè)試儀的上位機(jī)設(shè)計(jì) 根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)要求，本章詳細(xì)介紹了上位機(jī)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容?？傮w程序框圖見附錄 Ⅰ 。 VISA 簡(jiǎn)介 LabVIEW 提供了功能強(qiáng)大的 VISA 庫(kù)。 VISA(Virtual Instrument Software Architecture)—— 虛擬儀器軟件規(guī)范，是用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn) I/O 函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱。 VISA 庫(kù)駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，完成計(jì)算機(jī)與儀器之間的連接，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程序控制，其實(shí)質(zhì)是用于虛擬儀器系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的 API。 VISA 本身不具備編程能力，它是一個(gè)高層 API，通過(guò)調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的編程，其層次如圖 所示。 VISA 是采用 VPP 標(biāo)準(zhǔn)的 I/O 接口軟件，其軟件結(jié)構(gòu)包含三部分，如圖 所示。 圖 NIVISA 層次圖 與其他現(xiàn)存的 I/O 接口軟件相比， VISA 的 I/O 控制功能具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：適用于各種儀器類型 (如 VXI 儀器、 GPIB 儀器、 RS232 串行儀器、消息基器件、 寄存器器件、存儲(chǔ)器器件等儀器 )；適用于各種硬件接口類型；適用于單、多處理器結(jié)構(gòu)或分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；適用于多種網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。 VISA 的 I/O 軟件庫(kù)的源程序是唯一的，其與操作系統(tǒng)及編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)，只是提供了標(biāo)準(zhǔn)形式的 API 文件作為系統(tǒng)的輸出。 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 VISA 庫(kù)中的串口通訊函數(shù) 本文用到的主要的串口通訊函數(shù)調(diào)用路徑為：中。 (1)VISA 配置串口控件 (圖 所示 ) 圖 VISA 配置串口 該 控件 主要用于串口的初始化。主要參數(shù)意義如下： 啟用終止符 使串行設(shè)備做好識(shí)別 終止符 的準(zhǔn)備。如值為 TRUE（默認(rèn)），VI_ATTR_ASRL_END_IN 屬性 將被 設(shè)置 為識(shí) 別終 止符 。如 值為 FALSE，VI_ATTR_ASRL_END_IN 屬性將被設(shè)置為 0（無(wú)）且串行設(shè)備不識(shí)別 終止符 。 終止符 通過(guò)調(diào)用終止讀取操作。從串行設(shè)備讀取 終止符 后讀取操作將終止。 0xA是換行符 (\n)的十六進(jìn)制表示。消息字符串的 終止符 由回車 (\r)改為 0xD。 超 時(shí) 設(shè)置讀取和寫入操作的超時(shí)值，以毫秒為單位。默認(rèn)值為 10000。 VISA 資源名稱 指定要打開的資源。該控件也可指定會(huì)話句柄和類。 波特率 是傳輸速率。默認(rèn)值為 9600。 數(shù)據(jù)比特 是輸入數(shù)據(jù)的位數(shù)。 數(shù)據(jù)比特 的值介于 5 和 8 之間。默認(rèn)值為 8。 奇偶 指定要傳輸或接收的每一幀所使用的奇偶校驗(yàn)。 停止位 指定用于表示幀結(jié)束的停止位的數(shù)量。 流控制 設(shè)置傳輸機(jī)制使用的控制類型。 (2)VISA 讀取控件 (圖 所示 圖 VISA 讀取控件 該 控件 為串口讀子 VI， 作用是 將串口中的數(shù)據(jù)讀出，然后利 用 LabVIEW 的強(qiáng)沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 大數(shù)據(jù)處理功能對(duì)其進(jìn)行分析處理。主要參數(shù)意義如下： VISA 資源名稱 指定要打開的資源。 字節(jié)總數(shù) 是要讀取的字節(jié)數(shù)量。 VISA 資源名稱輸出 是由 VISA 函數(shù)返回的 VISA 資源名稱 的副本。 讀取緩沖區(qū) 包含從設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)。 返回?cái)?shù) 包含實(shí)際讀取的字節(jié)數(shù)。 (3)VISA 寫入控件 (圖 所示 圖 VISA 寫入控件 將 寫入緩沖區(qū) 的數(shù)據(jù)寫入 VISA 資源名稱 指定的設(shè)備或接口中。 主要參數(shù)意義如下： VISA 資源名稱 指定要打開的資源。 寫入緩 沖區(qū) 包含要寫入設(shè)備的數(shù)據(jù)。 VISA 資源名稱輸出 是由 VISA 函數(shù)返回的 VISA 資源名稱 的副本。 返回?cái)?shù) 包含實(shí)際寫入的字節(jié)數(shù)。 串行通信程序設(shè) 計(jì) 串行通信初始化的設(shè)計(jì) 首先 將 VISA 配置串口節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行 初始化 。即設(shè)定通信口、波特率、校驗(yàn)位等?？紤]到可能用到一個(gè)或多個(gè)串口以及下位機(jī)波特率的設(shè)定的變化，這里用了 2 個(gè) Case結(jié)構(gòu)。這里由于計(jì)算機(jī)只有兩個(gè) COM 口，所以只設(shè)定了 COM1 口和 COM2 口，設(shè)定了 4個(gè)可選擇的波特率，即 1200、 2400、 4800、 9600。下圖是通訊口和波特率設(shè)定程序： 圖 通訊口和波 特率設(shè)定程序 對(duì)于 VISA 配置串口節(jié)點(diǎn) 分別用了 2 個(gè) Case 結(jié)構(gòu)，屬于嵌套的關(guān)系。外面的Case 結(jié)構(gòu)作用是打開串口，里面的 Case 結(jié)構(gòu)作用是判斷通訊口的設(shè)定是否正確。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 程序設(shè)計(jì)圖如下所示： 圖 串口初始化程序設(shè)計(jì) 串口寫入程序設(shè)計(jì) 串口寫入節(jié)點(diǎn)主要作用是上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送命令，由于下位機(jī)即單片機(jī)只能處理 16 進(jìn)制數(shù)據(jù)，而上位機(jī)寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)是字符 串 ，兩部分?jǐn)?shù)據(jù)類型不同，所以需要 對(duì)寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即把字符串轉(zhuǎn)換成 16 進(jìn)制整型字符串。下圖為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)： 圖 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序 為了簡(jiǎn)化 主程序的結(jié)構(gòu)，把上面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)成子 VI。為使程序更完美，設(shè)計(jì)了計(jì)算上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié) 數(shù)以及清空字節(jié)數(shù) 的程序。 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 串口寫入節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì) 串口讀取節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì) 此節(jié)點(diǎn)主要作用是從讀取下位機(jī)發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)，為了保證依次將串口輸入緩存中的數(shù)據(jù)全部讀取，在使用串口讀取節(jié)點(diǎn)前加一個(gè) Bytes at Serial Port 屬性節(jié)點(diǎn)，來(lái)檢驗(yàn)當(dāng)前串口輸入緩存中存在的字節(jié)數(shù)，然后串口讀取節(jié)點(diǎn)由此指定節(jié)點(diǎn)數(shù)讀取數(shù)據(jù)。 為了便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，在大循環(huán)上建立移位寄存器，保證每次循環(huán)讀取的值可以保存在數(shù)據(jù)接受區(qū)。 在節(jié) 點(diǎn)之后加上計(jì)算接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和清空字節(jié)數(shù)的程序，可是接收的數(shù)據(jù)更直觀。程序如下圖所示： 圖 串口讀取節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)處理是對(duì)上位機(jī)接收到來(lái)自下位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以得到我們想要的結(jié)果，即 本課題所研究的表面粗糙度。 下圖為數(shù)據(jù)處理的程序： 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 數(shù)據(jù)處理程序 通過(guò)上圖可以看出，接收到的數(shù)據(jù)（十進(jìn)制數(shù)字符串）經(jīng)過(guò) 十進(jìn)制數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換 得出十進(jìn)制數(shù)值，由于下位機(jī)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)是 0255，此數(shù)值代表的是 05V 的電壓值，所以需要對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值乘以 ，得 出的數(shù)值就是所對(duì)應(yīng)的電壓值。經(jīng)過(guò)公式 VI（可以寫入公式 ,即所對(duì)應(yīng)的電壓 粗糙度關(guān)系）得出所測(cè)量的粗糙度。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是對(duì)每次測(cè)量值進(jìn)行保存，以便于管理。 本部分采用的是 寫入電子表格文件 節(jié)點(diǎn)， 對(duì)所要保存的粗糙度和所對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行保存。 程序如圖 所示 ： 圖 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序 前面板設(shè)計(jì) LabVIEW 中的前面板就是圖形化用戶界面，用于設(shè)置 串口初始化 和觀察輸出 結(jié)果 。 前面板界面如圖 ： 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 前面板界面 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 第 6章 調(diào)試與驗(yàn)證 調(diào)試與分析的過(guò)程包括上位機(jī)調(diào)試和下位機(jī)調(diào)試。上位機(jī)調(diào) 試包括硬件電路的調(diào)試、程序的調(diào)試及它們的聯(lián)機(jī)調(diào)試過(guò)程。 一旦系統(tǒng)的工作總框圖確定之后，硬件電路和程序的設(shè)計(jì)工作就可以齊頭并進(jìn)。 硬件電路的調(diào)試可以先采用某種信號(hào)作為激勵(lì)，然后通過(guò)檢查電路能否得到預(yù)期的響應(yīng)來(lái)驗(yàn)證電路是否正常。軟件程序是先按模塊分別進(jìn)行子程序調(diào)試，然后對(duì)完整的功能程序進(jìn)行調(diào)試檢查。 上 位機(jī)調(diào)試可以先用串口助手調(diào)試，通過(guò)以后就可以和下位機(jī)相連進(jìn)行聯(lián)調(diào)。 下位機(jī)調(diào)試 調(diào)試分析的一般過(guò)程 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的仿真系統(tǒng)是由南京偉福實(shí)業(yè)有限公司開發(fā)的偉福仿真器進(jìn)行軟件調(diào)試的，此系統(tǒng)可以開發(fā)應(yīng)用軟件，以及對(duì)硬 件電路進(jìn)行診斷、調(diào)試等。它的具體功能是可以進(jìn)行 CPU 仿真，可以單步、跟蹤、斷點(diǎn)和全速運(yùn)行，而且，程序的編譯過(guò)程中，可以對(duì)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行自診斷，并自動(dòng)給出故障原因。同時(shí)用戶調(diào)試程序時(shí)，可以通過(guò)窗口觀察寄存器的工作狀況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除編程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤?？梢钥闯觯摲抡嫦到y(tǒng)是款功能強(qiáng)大，實(shí)用性強(qiáng)的仿真系統(tǒng)。 本次畢設(shè)之所以采用偉福仿真系統(tǒng)，就是由于此仿真系統(tǒng)強(qiáng)大的功能，因?yàn)樗柚姆抡嫦到y(tǒng)性能的優(yōu)越，直接影響設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)和調(diào)試的效率。 調(diào)試與分析的過(guò)程一般包括電路原理的調(diào)試、程序的調(diào)試及它們的聯(lián)機(jī)調(diào)試過(guò)程。一 旦系統(tǒng)的工作總框圖確定之后，電路原理圖和程序的設(shè)計(jì)工作就可以齊頭并進(jìn)。 硬件電路的調(diào)試可以先采用某種信號(hào)作為激勵(lì)，然后通過(guò)檢查電路能否得到預(yù)期的響應(yīng)來(lái)驗(yàn)證電路是否正常。通常采用的方法是通過(guò)編制一些小的調(diào)試程序分別對(duì)相應(yīng)各硬件單元電路的功能進(jìn)行檢查，而整個(gè)系統(tǒng)硬件功能必須在硬件和軟件設(shè)計(jì)完成之后才能進(jìn)行。 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 軟件程序也是先按模塊分別調(diào)試，然后再連接起來(lái)進(jìn)行總調(diào)。它只有在相應(yīng)的硬件系統(tǒng)中調(diào)試，才能最后證明其正確性。 硬件調(diào)試 在焊接硬件電路之前，一般最好用面包板進(jìn)行插線連接，如果好用再進(jìn)行硬件電路的焊接，這樣可以 提高焊接的正確率。而且還要充分做好電路的排版工作，使焊接電路線路清晰美觀，更易于過(guò)后的線路檢查工作，如果排版不合理，不但看起來(lái)不美觀，而且更容易出錯(cuò)。 硬件調(diào)試首先要對(duì)照硬件電路圖，仔細(xì)檢查焊接好的電路的走線是否和電路圖一致。用實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)用表按照設(shè)計(jì)的電路圖檢查所焊接的各個(gè)部件的電源、接地及各個(gè)引腳的連接線是否正確、導(dǎo)通，是否有虛焊，短路等情況發(fā)生。再仔細(xì)檢查各個(gè)芯片是否好用。查看各引腳電平是否符合理論值要求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件的功能調(diào)試，使其轉(zhuǎn)換電路和顯示電路都能達(dá)到系統(tǒng)要求。 軟件調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試主要包括 A/D 轉(zhuǎn)換程序的調(diào)試，數(shù)據(jù)處理程序的調(diào)試，還有通信程序的調(diào)試。首先對(duì)程序進(jìn)行單步調(diào)試，觀察仿真器窗口，查看輸出結(jié)果、內(nèi)存單元以及各個(gè)特殊寄存器中的值是否正確。如果有錯(cuò)誤，要查找錯(cuò)誤的原因，并及時(shí)進(jìn)行修改。通常來(lái)說(shuō)，如果各子模塊的程序正確，然后把各個(gè)模塊組合起來(lái)，全速運(yùn)行，查看程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)所有功能。若不能實(shí)現(xiàn)，則重新單步運(yùn)行，逐條檢查程序，直到發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并進(jìn)行改正。 軟硬件聯(lián)調(diào) 經(jīng)過(guò)硬件、軟件單獨(dú)調(diào)試后，進(jìn)行軟硬件綜合聯(lián)調(diào)。首先進(jìn)行分步運(yùn)行，將設(shè)計(jì)的源程序?qū)?yīng)該測(cè)試芯片的各個(gè)模塊，測(cè)出其工作特性及運(yùn)行 狀況。通過(guò)聯(lián)調(diào)找出硬件電路和軟件的錯(cuò)誤。進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)時(shí)，要把單片機(jī)芯片從底座上拔掉，換上偉福仿真頭。系統(tǒng)調(diào)試成功后，將仿真頭拔掉，插上原單片機(jī)芯片，并把程序?qū)懙絾纹瑱C(jī)里，為脫離開發(fā)系統(tǒng)作好準(zhǔn)備。 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 上位機(jī)調(diào)試 上位機(jī)調(diào)試即 LabVIEW 調(diào)試，可以借助于虛擬串口和串口助手進(jìn)行調(diào)試。虛擬串口設(shè)置 COM3 和 COM4 相連，串口調(diào)試助手的串口號(hào)選 COM3， LabVIEW 串口選 COM4。這樣 LabVIEW 和串口調(diào)試助手之間就可以互相通信。串口助手運(yùn)行界面如圖 所示，虛擬串口運(yùn)行界面如圖 所示： 圖 串 口助手運(yùn)行界面 圖 虛擬界面運(yùn)行界面 調(diào)試故障及原因分析 本節(jié)就基于 LabVIEW 的表面粗糙度測(cè)試儀的設(shè)計(jì)中遇到的故障和調(diào)試方面出現(xiàn)的問(wèn)題作一概要的敘述。 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 由于是第一次自己動(dòng)手焊接實(shí)物，所以缺乏經(jīng)驗(yàn)，布線不合理，很多線交叉在一起，嚴(yán)重影響了硬件的正常工作，決 定重新焊接，經(jīng)過(guò)第一次的失敗，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，所以第二次的焊接很順利。 結(jié)果也比較理想。 在實(shí)際焊接硬件時(shí)，由于線路比較復(fù)雜，精神一時(shí)不集中，使單片機(jī)的發(fā)送端和接收端混淆， 當(dāng)進(jìn)行硬件調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)現(xiàn)象也沒(méi)有，經(jīng)過(guò)示波器對(duì) 各個(gè)引腳的測(cè)試發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題所在，徑改正硬件正常運(yùn)行。 當(dāng)下位機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)調(diào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量值非常不穩(wěn)定， 總是結(jié)果和零之間跳變，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)下位機(jī)發(fā)送命令太快，快于下位機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，下位機(jī)的緩沖區(qū)還沒(méi)有值，所以出現(xiàn)跳變。經(jīng)過(guò)改慢上位機(jī)發(fā)送命令的時(shí)間，使上位機(jī)的顯示的以正常。 測(cè)試驗(yàn)證 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程中，因?yàn)闆](méi)有標(biāo)定的樣板，所以沒(méi)有辦法測(cè)試儀進(jìn)行標(biāo)定。最后對(duì)統(tǒng)一類型的一組薄鐵片進(jìn)行測(cè)試，得到一組數(shù)據(jù)如下： 表 粗糙度測(cè)量結(jié)果 樣件 1 2 3 4 粗糙度 下圖為下位機(jī)和上位機(jī)實(shí)物圖： 圖 下位機(jī)實(shí)物圖 圖 上位機(jī)實(shí)物圖 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 結(jié)論 傳統(tǒng)的粗糙度測(cè)量方法有比較法、針描法的、光切法、干涉法和印模法等，主要是使用樣板、電動(dòng)輪廓儀、光切顯微鏡、干涉顯微鏡等多種工具和計(jì)量?jī)x器。 目前廣泛應(yīng)用觸針式輪廓儀可以實(shí)現(xiàn)粗糙度部分參數(shù)的測(cè)量評(píng)定，但存在測(cè)量參數(shù)較少，測(cè)量精度較低，測(cè)量結(jié)果的輸出不直觀等缺點(diǎn)，已不能滿足現(xiàn)代工件的測(cè)量要求，迫切需要開發(fā)研制