基于NI CRIO平台的生丝电子实时检测系统的开发

魏为柱，陈庆官

（苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021）

基于NI CRIO平台的生丝电子实时检测系统的开发

魏为柱，陈庆官

（苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021）

利用生丝纤度仪(实验室自行研制)和NI CRIO嵌入式采集系统以及辅助的络丝机构，初步开发了一套生丝匀度、清洁、洁净多锭实时检测系统，提高了生丝品质检验的客观性及效率。

生丝电子检测；LabVIEW；NI CRIO平台

长期以来，生丝的纤度干均匀度和清洁、洁净检测采用传统的黑板检验，这种检测方法在一定程度受检验人员的主观影响。从20世纪70年代末80年代初期起，国内外的业内人士开始研究采用电子设备进行检验生丝的方法，用于客观地评定生丝的等级[1]。但可惜的是，据笔者调查研究，目前市场上生丝电子检验设备或关键部件大多为国外进口，而由于受到某些关键技术的制约，生丝电子检测设备的国产化一直得不到较好地发展和推广。笔者在前人研究的基础上，初步开发了一套生丝匀度、清洁、洁净实时检测系统。本系统工作的基本原理是通过本研究室自制的生丝纤度仪将生丝的粗细(直径的大小)转换为模拟电压信号，然后由采集系统对信号进行连续动态采集并实时地做出处理和存储，最终在PC电脑上以报表形式显示被测生丝的匀度CV大小及颣节数目。

1 系统硬件设计

1.1 总体设计

系统设计的核心思想是通过内嵌于NI CRIO平台中的FPGA芯片和实时控制器对采集到的信号进行实时准确的处理及存储。系统硬件主要分为三部分：信号传感部分，信号采集和处理部分，结果显示部分。利用实验室自行研制的生丝纤度动态测试仪来获取信号，NI CRIO平台对信号进行采集和实时处理及存储，通过网线将测试结果传输给上位机PC电脑，最终在PC电脑上以报表形式显示测试结果。设计的硬件结构原理简图如图1所示。

图1 硬件结构原理简图Fig.1 Simpli fi ed Diagram of Hardware's Structural Principle

1.2 硬件组成

1.2.1 络丝机

选用FX0101型精密络丝机(河北任丘纺织机械有限公司)，可进行6锭同时络丝，卷绕速度为80～1 200 m/min可调，满足生丝电子检测草案中匀度和清洁、洁净检验的转速要求(匀度、清洁、洁净测试转速400 m/min[1])，检验生丝纤度范围为11.1～77.8 dtex(10～70 D)。

1.2.2 生丝纤度仪

系统使用的纤度仪是由SD-1型生丝纤度仪[2]改进制得的。改进的部分主要有：原AD转换和液晶显示部分电路功能分别由采集卡和计算机来代替完成；振荡电路产生的振荡信号频率由原来的1 kHz左右提高为10 kHz左右。纤度仪的工作原理是利用单光源(GaAs红外发光二极管)与分束器“Y”形光纤的输入端面耦合，耦合区域用硅橡胶折射率匹配材料灌封，避免杂散光进入光纤。通过稳频稳幅振荡器，使红外发射管发出经过调制的红外光，分导式光纤将红外光一分为二送到2个性能相同的光敏管接收管。因光敏管受到的照度相等，输出也相同，共模输入使差动放大器输出为零。当被测丝条放入传感器口，生丝阻挡了一部分红外光线，使测量端光敏管接收到的光通量减少，输出也减少，放大器两输入端平衡被破坏，进行差动放大，输出差模信号。只要适当调整放大器增益，就能测量所测生丝的投影直径，其工作原理图和实物图分别见图2和图3[3-4]。

图2 纤度仪工作原理Fig.2 Working Principle of Denier Instrument

图3 改进的SD-1纤度仪实物Fig.3 Sample of Improved SD-1 Denier Instrument

1.2.3 NI CRIO平台

NI CompactRIO是一种小巧而坚固的工业化控制和采集系统，其内部架构如图4所示，采用可重新配置I/O(reconfigurable I/O，缩写为RIO)的FPGA技术，实现超高性能和可自定义功能。NI CompactRIO包含一个实时控制器与可重新配置的FPGA芯片，适用于可靠的独立嵌入式或分布式应用系统；还包含热插拔工业I/O模块，内置可直接和传感器/调节器连接的信号调理。CompactRIO具有低成本开放性架构，用户可以轻松访问到底层的硬件设备[5]。

图4 NI CompactRIO内部架构Fig.4 Internal Structure of NI CompactRIO

本系统采用的CRIO平台配置为：

1)9004实时控制器

该控制器运行ETS实时操作系统(RTOS)，将在上位机PC电脑上编写好的应用程序下载到实时控制器中，即可以μs级的速率对信号进行准确的处理和存储，并可通过网线方便地与PC电脑进行通信。

2)9104机箱

该机箱配有8槽支持所有CompactRIO I/O模块插槽；300万门门电路的FPGA核心芯片，该门电路可通过编程重新配置，FPGA具有方便与快速的处理能力，其主要由逻辑组块、可编程的互联结构组块、I/O组块三部分组成。

3)9205模拟输入模块

该模块电压输入范围可通过编程设置；32路单端或16路差分模拟输入端口，本系统是6锭同时测试，输入端口数满足设计需求；16位分辨率，满足被测信号的精度要求；250 kS/s总采样率，本系统的振荡信号频率为10 kHz，足以满足设计需求。

2 系统软件设计

本系统的开发软件采用LabVIEW图形化编程语言及其Real-Time和FPGA模块。程序采用模块化程序设计思想，包括FPGA处理程序、RT应用程序、报表生成程序。FPGA处理程序实现生丝颣节实时判断运算及匀度CV的求和运算，并将运算后的结果传输至实时控制器；Real-Time应用程序在实时控制器中运行，其功能为实现生丝匀度CV的开方和除法运算及最终测试结果的存储；报表生成程序在PC机电脑上运行，用于最终测试结果的显示。系统软件架构如图5所示。

图5 系统软件架构Fig.5 Structure of System Software

3 测试结果分析

本系统的程序是依据生丝电子检测标准草案的规定来设计的，最终生成的颣节测试结果与生丝电子检测草案中的生丝疵点分级表相对应，并取具有代表性的1 m长生丝的CV来反应匀度。现选用黑板检验好的23.3 dtex不同等级的生丝(5A、6A)进行测试试验，测试时间60 s，车速400 m/min，选取其中的一绪测试结果如图6和图7所示。

图6 生丝颣节测试结果Fig.6 Test Results of Raw Silk Fouls

由以上测试结果可以看出6A生丝的颣节数目要少于5A生丝，其CV1m值也小于5A生丝，即检测结果与实际生丝等级一致，但其检验效率远远高于黑板检验。目前本系统处于刚开发完成阶段，仍需通过大量的测试试验来验证并完善其测试结果的准确性和稳定性。

图7 匀度测试结果Fig.7 Test Results of Formation

4 结 语

随着丝绸行业的技术进步，生产技术和装备水平日益提高，传统的黑板检验已不能适应现代纺织所提出的新要求。采用现代的检测方法和手段，是未来生丝检测发展的必然。而本系统的开发正是符合生丝现代检测的需求，也有助生丝电子检测设备国产化的进展与推广。

[1] 生丝电子检测标准草案[M].中国生丝电子检测标准研究小组，2006：8-11.

[2] 陈庆官.生丝匀度自动检测研究[J].苏州丝绸工学院院报，1987，7(3)：12-19.

[3] 祁宁.生丝匀度、清洁、洁净电子检测系统总体设计的探讨[D].苏州：苏州大学纺织与服装工程学院，2009.

[4] 盛井龙.基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究[D].苏州：苏州大学纺织与服装工程学院，2008.

[5] NI CompactRIO平台配置指导及用户方案[Z].聚星仪器公司，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

魏为柱(1985－ )，男，硕士研究生，研究方向为纺织数字化技术。通讯作者：陈庆官，教授，qgchen@suda.edu.cn。