摘要：針對紡紗、假捻加工過程中絲線張力不穩定而影響產品質量的問題，對基于LabVIEW和C8051F350單片機的紡絲在線張力監控系統進行了研究。系統運用全新虛擬儀器開發平臺LabVIEW作為上住機，結合嵌入式混合信號微處理芯片C8051F350單片機測量系統，對紡絲張力進行監控。實驗表明，該監控系統可使張力的數據采集和處理變得更加簡單、方便，可節省大量的人力、物力資源。
關鍵詞：LabVIEW；C8051F350；張力傳感器；數據采集
0 引言
絲線張力是紡紗、假捻等加工過程中影響產品質量與加工效率的一個重要參數。其中，絲線張力波動越大，產品質量越差，并將影響后序加工產品的外觀及舒適性。因此需對生產過程中絲線張力加以監測、控制，以減小絲線張力的波動。目前，國內對絲線張力的監測大多還停留在隨機抽檢階段，監測準確性不高，效率較低；國外的一些監測設備可實現絲線張力實時監測，但價格昂貴且技術保密。因此迫切需要自主研究設計一套絲線張力在線監控系統。
1 系統總體運行機制
基于LabVIEW和C8051F350單片機的紡絲在線張力監控系統采用國產自主研制的專用張力傳感器，以嵌入式混合信號微處理芯片8051F350單片機為下位機，運用虛擬儀器圖形化開發平臺LabVIEW作為上位機，構建一個簡單實用、精準可靠的紡絲張力監控系統。
圖1是系統總體結構圖，總體運行機制為：
(1)張力傳感器獲取紡紗、假捻等加工過程中絲線張力信號，輸出信號進入信號調理電路處理。
(2)信號調理完畢后，輸入控制器，經單片機處理輸出信號完成閉環控制，信息通過串口傳到上位機。
(3)上位機用功能強大的LabVIEW圖形化編程實現，完成參數設置，張力在線監控顯示。其中，顯示內容包括設定張力值、實測張力值、張力控制器運行狀態(手動、自動及參數設置狀態)等。
2 系統硬件設計
2．1 處理器選擇
根據張力控制原理，本文采用稱重法實現張力檢測與控制。它需二路傳感器輸入信號和一路恒流輸出控制信號，并對其信號進行A／D，D／A轉換。為此，該系統控制器需選用具有A／D和D／A功能的嵌入式混合信號微處理芯片，避免采用片外A／D和D／A轉換器，從而簡化線路，降低成本。本文依據上述需要選擇C8051F350 MPU為嵌入式處理器，其內部含有一個全差分24位∑-△A／D、帶模擬多路開關、2個8位電流輸出DAC，具有在片校準和抽取濾波器及內部電壓基準和8種增益設置等多項功能。其中，D／A利用C8051F350的可編程計數陣列(PCA)脈寬調制(PWM)功能，具有16位轉換精度，且便于光電隔離。硬件實現參數包括SPI，SMBus／IIC和1個UART串行接口，8 KB可在系統編程的FLASH存儲器，768 B(512+256)的片內RAM，片內看門狗定時器，1個比較器，以及VDD監視器和溫度傳感器，17個I／O端口，-40～+85℃工業級溫度范圍，2．7～3．6 V工作電壓。
2．2 張力傳感器及信號調理電路設計
傳感器選擇主要通過分析絲線張力傳感器的原理與種類，選擇電阻應變式張力傳感器，FK6張力傳感器(Tension Sensor)可替代進口的張力傳感器，具有指標優越穩定、免校準、測量精準、價格較低等優點。對于加彈應用環境具有針對性的抗干擾能力，抗破壞能力強，免維護，壽命長的特點。其性能指標如下：
FK6張力測量范圍CN0-80／0-120／0-180；綜合誤差％FS1．2；長期零位漂移％FS1．2；一年長期增益漂移％FS1．2；一年零位漂移％FS1．2≥48 h(同上)；溫度漂移％FS／10℃0．325～70℃；非線性％FS1．2。FK6傳感器輸出為DC 4～20 mA標準儀表信號(或電壓信號DC 0～10 V／0～5 V)，接口電路形式較為簡單。在此，主要對采用稱重法的應變片傳感器電路進行說明，圖2為其接口電路圖。
應變片組成的橋路包括恒壓供電和恒流供電兩種形式。設計采用恒流供電形式，電路采用OP07運算放大器形式。該電路形成恒流供電主要是運算放大器同相端接2 V穩壓管，加在運算放大器U1反相端電阻R2(68 Ω)上的電壓也為2 V。因此，流過電阻R2上的電流不因負載變化而變化。此外，在收放卷過程中，因張力變化引起橋路不平衡將有電壓信號輸出，輸出的電壓信號經儀表放大器AD623放大后傳送至MPU的A／D
轉換器。其中，W1為增益調整電位器；W0為零點電平調整電位器。控制電路及通信接口主要采用恒流信號輸出控制，單片機與上位機通過MAX 232串行接口通信。
3 系統軟件設計
3．1 控制程序設計
張力控制器軟件采用PID控制方法完成對各功能模塊的控制，實現參數標定、設置、張力測量、恒流信號輸出等功能。軟件完成初始化設置后，進行張力信號的數據采集與處理、恒流控制輸出等。根據實際工況，張力信號數據采集需要進行濾波處理，采用基于提升框架的濾波算法進行仿真試驗。實驗結果表明，該算法可以有效消除各類噪聲，與國外產品的相關技術相比具有一定的先進性。
控制算法采用積分分離式的PID控制，防止偏差較大時造成PID運算的積分積累，避免控制量超過制動器的最大動作范圍。當控制量與設定值的偏差較大時，取消積分作用；當控制量接近設定值時，加入積分作用，以便消除靜差，提高控制精度。在實際運行中，根據實際需要還可以取消微分的調節作用，圖3為程序流程圖。
3．2 通信模塊設計
上機位采用PC機，控制器與上位機的通信采用RS 232串口通信。控制器采集的數據通過串口通信發送到上位機，實現數據自動上傳。采用雙通道多次轉換，對兩個通道進行多次采樣取平均值，數據采集的時間間隔通過定時器來完成，發送數據和接收數據都通過中斷方式實現。
3．3 上位機軟件平臺LabVIEW及軟件設計
上位機軟件平臺采用NI公司的LabVIEW。LabVIEW采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了程序的執行順序。LabVI-EW用圖標表示函數，用連線表示數據流向，提供了很多外觀與傳統儀器類似的控件，可方便地創建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。圖4為紡絲張力監控系統的前面板，圖中顯示監控1狀態界面，監控2界面包括表格顯示多路張力信號數據。
系統設計采用表單文件對數據進行存儲記錄，有強大的文件I／O函數，可以將采集到的數據以一定的格式存儲在文件中保存，用以滿足用戶不同的文件操作需要。表單文件可將數據數組轉換成ASCII碼存放在電子表格文件中，設計中將以測量日期作為文件的命名，每一天測量的數據存放在一個表格中。用戶可以通過前面板界面輸入日期來查看歷史數據，還可以通過Excel等第三方軟件進行查看。其他界面選區卡可實現顯示紡絲卷筒落筒記錄，跟蹤調試以及系統信息，跟蹤調試界面設計參數修改接口。當落筒或者斷絲后，系統產生落筒記錄，記錄信息包含產品相關生產信息、張力信息等。同時將落筒記錄和異常點數據上傳到網絡數據庫，再通過網絡分析系統使用以上的原始采集信息作為統計分析基礎，根據目前廠家對產量、質量的分析需求提供不同的分析報表和圖表。
4 結論
(1)利用C8051F350的全差分24位∑-△模／數轉換器及抽取濾波器，有效地抑制各種干擾因素的影響，可以穩定地進行張力信號采集與恒流控制輸出；
(2)利用LabVIEW圖形化開發平臺開發上位機控制軟件，可方便快捷地實現控制系統及人機界面設計；
(3)張力控制系統經試驗和實際運行證明，系統結構簡單，設計合理，達到了所要求的張力控制。