孟祥偉

(上海海事大學(xué)，上海 201306)

激光熔覆是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程，影響其加工結(jié)果的因素眾多，包括加工工藝參數(shù)以及外界自然環(huán)境［1］。主要的影響因素還是熔覆過程中的工藝參數(shù)，但是各工藝參數(shù)與加工質(zhì)量的關(guān)系難以確定，并且各工藝參數(shù)之間相互影響、相互制約，所以僅通過工藝參數(shù)來保證加工質(zhì)量存在很多缺陷，例如，難以實(shí)時(shí)反饋熔覆層質(zhì)量情況，對直接監(jiān)測熔覆層質(zhì)量造成了困難。激光熔覆研究發(fā)現(xiàn)，在激光熔覆加工過程中有等離子體存在，其發(fā)出的藍(lán)紫光的波長范圍為400 nm～440 nm，研究發(fā)現(xiàn)等離子體的特征信號與熔覆表面質(zhì)量有一定關(guān)系［2～4］。伴隨著計(jì)算機(jī)與傳感器技術(shù)的發(fā)展，對藍(lán)紫光的監(jiān)測、采集和存儲變得更加容易，通過藍(lán)紫光的監(jiān)測采集，以及實(shí)時(shí)反饋調(diào)整能夠?qū)崿F(xiàn)對激光熔覆加工參數(shù)快速調(diào)整，有利于提高熔覆層表面加工質(zhì)量。

1 激光熔覆光信號采集硬件設(shè)備

傳感器選用Si 光電二極管S7998，此傳感器內(nèi)部集成前置放大電路，其低偏置電流最大為64 pA，傳感器光潔面大小為(3×3)mm，基本參數(shù)見表1。為了采集有效藍(lán)紫光，選用400 nm～440 nm 波段的窄帶濾光片［3］。

傳感器采集的模擬信號通過單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機(jī)和PC 機(jī)的通信是通過單片機(jī)的串口和PC 串口之間的硬件連接實(shí)現(xiàn)的。

2 激光熔覆光信號采集儲存軟件設(shè)計(jì)

2.1 LabVIEW 實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與單片機(jī)串口通信

LABVIEW 提供了串行端口子模板，串行端口子模板中還包含許多的子模板(也稱子VI)，其中主要包括8 個(gè)子VI，如表2 所示。

2.2 軟件開發(fā)流程

在前面板中添加波形顯示控件、串口資源名稱控件、4 個(gè)確定按鈕控件，并將按鈕的標(biāo)簽修改為“清空”、“保存”、“開始”、“退出”，它們依次控制的操作是:(1)清空緩存區(qū)的數(shù)據(jù);(2)保存數(shù)據(jù)到指定的文件夾中;(3)開始讀取并顯示數(shù)據(jù);(4)退出程序運(yùn)行。

表1 Si 光電二極管S7998 基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of Si photodiode S7998

表2 串行通信節(jié)點(diǎn)功能表Table 2 Function of serial communication nodes

圖1 光信號采集、存儲程序總流程圖Figure 1 General flow chart of light signal gathering and memory program

程序框圖設(shè)計(jì)如圖1 所示。主要分為4 個(gè)部分:

(1)串口參數(shù)設(shè)計(jì)。在程序框圖設(shè)計(jì)中，首先需要調(diào)用VISA Configure Serial Port 完成串口參數(shù)的設(shè)置，包括串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位和流控等，即初始化串口的工作。如果初始化沒有問題，就可以使用這個(gè)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

(2)清空緩存功能設(shè)置。在“條件結(jié)構(gòu)”框圖中放置一個(gè)“VISA 設(shè)備清零”函數(shù)節(jié)點(diǎn)。按圖示方式完成各個(gè)控件和節(jié)點(diǎn)后，運(yùn)行程序，“點(diǎn)擊”前面板的“清空”按鈕時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)清空串口通信時(shí)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)。

(3)讀取并顯示單片機(jī)通過串口通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)傳輸?shù)氖亲址问降臄?shù)據(jù)，需要將一連串的字符型數(shù)字轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型的一維數(shù)組。程序圖中主要包括VISA 串口字節(jié)數(shù)(VISA Bytes at Serial Port)、“VISA 讀取”函數(shù)節(jié)點(diǎn)、“十進(jìn)制數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換”函數(shù)節(jié)點(diǎn)以及MathScript 節(jié)點(diǎn)。“十進(jìn)制數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換”函數(shù)節(jié)點(diǎn)和MathScript 節(jié)點(diǎn)的配合使用實(shí)現(xiàn)了將一連串的字符串型數(shù)字轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型的一維數(shù)組的功能。

(4)數(shù)據(jù)保存。在條件框圖內(nèi)，放置“寫入文本文件”節(jié)點(diǎn)和“寫入電子表格文件”節(jié)點(diǎn)，并如圖2 完成連線。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，在文件路徑對話框中，輸入指定保存路徑，然后“點(diǎn)擊”前面板中“保存”按鈕，可以將采集到的數(shù)據(jù)保存到指定文件夾中，保存格式是“.txt”文件和“.xls”文件［5］。

2.3 程序運(yùn)行效果分析

利用上述光信號采集存儲程序和串口調(diào)試軟件(圖3)同時(shí)采集某一條件下等離子體藍(lán)紫光信號，串口號分別設(shè)置為COM3 和COM4，其他參數(shù)一致。繪制采集到的光信號波形見圖4、圖5?？梢姵ラ_始和結(jié)束的短暫時(shí)間內(nèi)采集到的光信號有差異外，其他都是完全一致的。這不影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，因?yàn)樵诤罄m(xù)信號處理時(shí)是要剔除首尾一段采樣點(diǎn)的。

圖2 光信號采集存儲程序細(xì)圖Figure 2 Detailed diagram of light signal gathering and memory program

圖3 串口調(diào)試軟件界面Figure 3 Serial port commissioning software interface

圖4 串口調(diào)試軟件采集光信號波形圖Figure 4 Diagram of light signal waveform gathered by serial port commissioning software

3 結(jié)論

圖5 光信號采集程序采集的光信號波形圖Figure 5 Diagram of light signal waveform gathered by light signal gathering program

文中設(shè)計(jì)的光信號采集程序，不僅達(dá)到了成熟的“串口調(diào)試軟件”的基本功能，而且更優(yōu)越?！按谡{(diào)試軟件”只能保存數(shù)據(jù)到文本文件中，而且文件中含有很多數(shù)字字符之外的字符串，不能夠在后續(xù)處理信號時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)用。本文設(shè)計(jì)的采集程序的最大優(yōu)點(diǎn)就是克服了普通“串口調(diào)試軟件”的上述缺點(diǎn)。它不僅可以將采集到的數(shù)據(jù)保存為文本文件，而且可以保存為電子表格文件，還不含有數(shù)據(jù)字符串之外的冗余字符，方便后續(xù)的實(shí)時(shí)信號處理，同時(shí)也為激光熔覆閉環(huán)控制提供了新的思路。

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