CN108036718A - 一种平板平整度检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于Modbus协议的平板平整度检测系统，包括：由多路电涡流位移传感器构成的位移传感器组，所述位移传感器组采集的数据输入到信号调理模块进行调理后，再通过微控制器单元MCU进行处理，然后将处理的数据进行输出。本发明提供的平板平整度检测系统运用工业通用通信协议Modbus协议，系统评定方法采用对角线布点法则结合最小条件原则评定准则，使整个体系评定准确度加强，Modbus网络通讯协议的运用，使系统设计更加工业化，程序通过Modbus协议包的命令号设置采集板控制指令，并在通讯包中加入CRC校验，防止传输信息出错，Modbus协议令整个系统更加便于在高速检测流水线上使用。

Description

一种平板平整度检测系统及其方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种平板平整度检测系统及其方法。

背景技术

随着平板工艺不断的在生产和生活上的运用，平板平整度检测技术已经成为保证平板质量的关键要素。介于此，国家质量监督检验检疫总局针对平板平面的平整度检测颁布了相关计量检定规程，对平板工作面平整度参数进行统一规范，并规定平整度最大误差及相应平板准确度级别等。目前，国内各厂商主要采用平板平台定位器具和激光平整度测量系统。平板平台定位器具有传统平整度测量方式，其采用物理测量方法，精确度较低，且不便于用户控制与监视，不宜应用于大批量检测。激光平整度测量系统具有较高的检测精度，但整个系统价格昂贵，对于检测精度适中的检测线而言，无疑增加检测成本，不便于普及使用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种测量精度准确、且成本低的平板平整度检测系统及其方法。

一种基于Modbus协议的平板平整度检测系统，包括：分布在被检平板下方的由多路电涡流位移传感器构成的位移传感器组，所述位移传感器组采集的数据输入到信号调理模块进行调理后，再通过微控制器单元MCU进行处理，然后将处理的数据进行输出。

进一步地，如上所述的系统，所述位移传感器组由12路电涡流位移传感器构成。

进一步地，如上所述的系统，所述信号调理模块包括多路模拟开关单元以及前置放大单元；所述多路模拟开关单元用于将传感器采集的信号进行切换选通信号输入；所述前置放大单元用于将选通的信号进行前端信号放大。

进一步地，如上所述的系统，所述微控制器单元MCU包括12位A/D转换器、CPU以及报警模块；所述CPU采用RS232串行数据通信的接口标准完成数据采集板与上位机程控界面的人机交互。

进一步地，如上所述的系统，Modbus通信协议采用RTU传输模式。

一种基于Modbus协议的平板平整度检测方法，包括以下步骤：

步骤1：采用12路电涡流位移传感器布点测量平板信号，完成待测平板平整度的信息采集工作；

步骤2：将采集的信息通过信号调理模调理选通相应模拟信号输入，并通过仪表放大电路进行信号前端放大；

步骤3：将放大的信号通过A/D转换器进行模数转换，并转换后的数字信号通过CPU进行相应处理实现与上位机的人机交互。

进一步地，如上所述的方法，步骤1中所述布点方法包括：

在进行检测之前首先调整平板工作面，使其基本处于水平状态，测量点采用对角线分布，对于尺寸小于等于400×400mm的平板，测量点采用9点分布；大于400×400mm的平板，采用25点分布。

进一步地，如上所述的方法，检测时，首先获取被测截面各测量点线值读数a_i，并计算测量点对两端点连线偏差Δi值

任意被测截面的测量点对理想平面的偏差δi由被测截面的测量点序号n、该测量点对端点连线的偏差Δi、以及起始端点对理想平面的偏差δ₀、终止端点对理想平面的偏差δ_n决定；所有测量点相对于理想平面的偏差中，最大值与最小值之差即为待测平板平整度；

进一步地，如上所述的方法，所述CPU进行相应处理包括：

采用对角线法则进行误差评定后，原始测量数据转换为相对于基准平面的数据，该数据基准是否满足要求，按照最小条件原则进行评定。

有益效果：

本发明提供的平板平整度检测系统运用工业通用通信协议Modbus协议，系统评定方法采用对角线布点法则结合最小条件原则评定准则，使整个体系评定准确度加强，Modbus网络通讯协议的运用，使系统设计更加工业化，程序通过Modbus协议包的命令号设置采集板控制指令，并在通讯包中加入CRC校验，防止传输信息出错，Modbus协议令整个系统更加便于在高速检测流水线上使用。

附图说明

图1为本发明基于Modbus协议的平板平整度检测系统结构框图；

图2为Modbus通信程序流程图；

图3为本发明系统精度校准结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于Modbus协议的平板平整度检测系统构成如图1所示，该系统采用12路电涡流位移传感器，按照对角线布点法则对待测平板进行布点采集，通过多路模拟开关切换，选通相应模拟信号输入，并通过仪表放大电路进行信号前端放大。系统核心采用C8051F系列嵌入式微控制器，其内置Flash存储器和256B的内部RAM，运行速度高达每秒100MIPS。运用Modbus协议组成工业级485网络，完成与上位机握手通讯。上位机采用LabVIEW设计人机交互界面，完成平板平整度检测系统的功能设置以及检测数据存储、查询、删除、打印等管理操作，实现了良好的人机交互功能。

平板平整度评定准则

平板工作面平整度系统采用对角线布点评定法。在进行检测之前首先应调整平板工作面，使其基本处于水平状态，测量点采用对角线分布。对于尺寸小于等于400×400mm的平板，测量点采用9点分布；而大于400×400mm的平板，通常采用25点分布。选取通过待测平板工作面的一条对角线且平行于另一条对角线的平面为理想平面，即评定基准平面。检测时首先获取被测截面各测量点线值读数a_i，并计算测量点对两端点连线偏差Δi值。

任意被测截面的测量点对理想平面的偏差δi由被测截面的测量点序号n，该测量点对端点连线的偏差Δi，以及起始端点对理想平面的偏差δ₀，终止端点对理想平面的偏差δ_n决定。所有测量点相对于理想平面的偏差中，最大值与最小值之差即为待测平板平整度。

采用对角线法则进行误差评定后，原始测量数据转换为相对于基准平面的数据，该数据基准是否满足要求，需按照“最小条件原则”进行评定。即包容平板实际工作面且距离最小的两平行平面间的距离为实际平板平整度，而该平整度是按照对角线评定结果进行基面转换求得。其基面转换后必须按照三角形准则、交叉准则或直线准则，基面转换是评定平整度误差最为关键的一环。本系统采用12点理论布点测量，即采用12路电涡流位移传感器进行布点，完成待测平板平整度的信息采集工作。

Modbus网络是工业通用通信系统，由可编程控制器和PC机通过公用线路连接而成。平板检测系统的Modbus通信协议采用RTU传输模式，下位机采用中断方式接收主控机的帧命令信息，并采用查询方式实现，从而避免使用相同协议通信出错。整个Modbus网络采用主-从通信方式，首先通过命令帧信息解读第几路传感器进行接收，并通过功能码判断作出何种响应，读取相应寄存器值。在本系统的Modbus协议帧间间隔设置为5ms，以完成主控机发送请求帧命令后，从机的应答帧信息反馈到网络总线上。Modbus通信程序流程图如图2所示。

为了防止传送过程中传输错误，系统进行CRC校验整个消息内容。CRC校验域为2个字节，包含16位二进制值，CRC校验由传输设备计算后加入到命令帧中，而接收设备再次计算收到信息的CRC，并与接收到的CRC值进行比较。当两者吻合时，系统返回相应信息帧数据；不符合则停止解析，并返回CRC校验错误帧，主控机在接收到校验错误帧后，重新发送命令帧信息。

检测系统的通讯电路设计部分主要采用RS232通讯，RS232是美国电子工业联盟制定的串行数据通信的接口标准，已被广泛运用于计算机串行接口与外部设备连接之中。RS232为全双工通讯，考虑到共模干扰和共地噪声等因素，RS232一般适用于数据传输距离小于20m，传输速率小于20000b/s的通信。RS232通过TXD、RXD发送或接收串行数据，且MCU与PC之间需通过MAX232进行电平转换。MAX232采用5V单电源供电，符合RS232技术标准，可将RS232串行信号电平转换为单片机TTL信号电平。

平板平整度检测系统利用VISA库函数配置采集器设备参数，并通过回调函数发送Modbus命令帧，传输方式依据RTU模式，每帧消息中的每8Bit字节中均包含两个4Bit十六进制字符，并按照协议依次建立地址、功能代码、数据数量、数据的命令数组，并调用CRC函数生成错误检测域。通过半双工RS485总线完成主机与从机的通信，并接收从机相应数据字节的返回帧，通过LabVIEW处理显示采集温度值。平板平整度检测系统通过调用ADOConnection Create.vi与系统指定ADO建立连接，并由ConnectionString通过DSN指定系统相关数据源，利用SQL Execute.vi执行系统数据库的操作，从而完成对检测数据的相关管理工作。

根据实际检测精度需求，选取非线性度为±1％，量程范围为10mm的电涡流位移传感器进行检测，并通过Modbus工控协议，设置系统参数、设置采集通道选取、读取当前设备号、读取检测平板数据等操作。

Modbus通讯协议共设置4条传输指令，系统复位命令、采集零点电位命令、采集平板数据命令、开关报警灯命令。

在Modbus协议的RS485通信网络中，从站地址统一表示为SA，SA＝0x00表示主控机单独与从设备进行通信，而SA＝0xff表示采用广播方式与从设备通信。

系统功能校准

平面度检测系统设计完成实际使用之前需对其各项功能进行验证，搭建了Agilent 33220A20MHz函数发生器、Agilent 34401A六位半数字多用表、平面度检测系统采集板、以及LabVIEW上位机程控系统为依托的平面度检测系统精度校准原理图如图3所示。在系统测试过程中，采用Agilent 33220A20MHz函数发生器模拟12路电涡流位移传感器产生的直流电压信号，用系统数据采集板采集模拟信号值，并通过程控界面显示，同时利用Agilent 34401A六位半数字多用表对此模拟信号进行采集观察。

校正系统利用函数发生器产生直流电压输出信号，数字多用表采集输出电压值，并作为标准值，同时，输出信号由平面度检测系统经信号调理电路调理后输入到AD输入端作为测量值。采用最小二乘法通过最小化误差的平方和，寻找数据的最佳函数匹配，进行线性拟合，计算本系统的校正系数。利用函数发生器产生直流电压信号，六位半数字多用表采集信号作为标准值，平面度检测系统采集的电压值与标准值对比，并同时由程控界面显示，多次采集并与标准值对比，验证系统检测精度，并同时观察Access数据库各个表中数据是否更新，依次排查各项功能是否能够正常运行。

平板平整度检测系统设计完成后，由于设计本身采用的电阻误差、电容误差、信号调理电路运算放大器的温度漂移以及其它外界环境因素的影响，实际电路放大倍数距设计预计值之间存在一定误差，为保证系统的相对误差在0.5％之内，在系统出厂前和使用一段时间后，需要对平板平整度检测系统进行校准。

系统精度校准设计采用Agilent 33220A20MHz函数发生器、Agilent 34401A数字多用表、PCI-GPIB控制器接口卡，以及平板平整度检测系统共同完成。校正系统利用Agilent 33220A函数发生器产生直流电压输出信号，数字多用表采集输出电压值，并作为标准值，同时，输出信号由平板平整度检测系统经信号调理电路调理后输入到AD输入端作为测量值。

系统利用LabVIEW设计参数标准定程序，通过PCI-GPIB卡，控制函数发生器和数字万用表。首先设置串行通讯，标定点数，正反行程标定次数等参数配置，并通过采集按钮触发，进行参数标定。测量结束后，界面显示行程当次斜率值和当次截距值，并由表格显示数字电压表采集的设定值，以及数据平板检测系统采集的测量值。触发计算参数按钮，求出系统标定参数K、B，并将标定参数设置到平板平整度检测系统中，从而提高整个系统的检测精度。

通过各项测试，本套平面度检测系统在稳定性、准确性及高速存储方面均达到要求，系统各项功能均达到设计指标需求，已正常运用到工业平板平面度检测线上。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于Modbus协议的平板平整度检测系统，其特征在于，包括：分布在被检平板下方的由多路电涡流位移传感器构成的位移传感器组，所述位移传感器组采集的数据输入到信号调理模块进行调理后，再通过微控制器单元MCU进行处理，然后将处理的数据进行输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位移传感器组由12路电涡流位移传感器构成。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号调理模块包括多路模拟开关单元以及前置放大单元；所述多路模拟开关单元用于将传感器采集的信号进行切换选通信号输入；所述前置放大单元用于将选通的信号进行前端信号放大。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述微控制器单元MCU包括12位A/D转换器、CPU以及报警模块；所述CPU采用RS232串行数据通信的接口标准完成数据采集板与上位机程控界面的人机交互。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，Modbus通信协议采用RTU传输模式。

6.一种基于Modbus协议的平板平整度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用12路电涡流位移传感器布点测量平板信号，完成待测平板平整度的信息采集工作；

步骤2：将采集的信息通过信号调理模调理选通相应模拟信号输入，并通过仪表放大电路进行信号前端放大；

步骤3：将放大的信号通过A/D转换器进行模数转换，并转换后的数字信号通过CPU进行相应处理实现与上位机的人机交互。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1中所述布点方法包括：

在进行检测之前首先调整平板工作面，使其基本处于水平状态，测量点采用对角线分布，对于尺寸小于等于400×400mm的平板，测量点采用9点分布；大于400×400mm的平板，采用25点分布。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，检测时，首先获取被测截面各测量点线值读数a_i，并计算测量点对两端点连线偏差Δi值

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任意被测截面的测量点对理想平面的偏差δi由被测截面的测量点序号n、该测量点对端点连线的偏差Δi、以及起始端点对理想平面的偏差δ₀、终止端点对理想平面的偏差δ_n决定；所有测量点相对于理想平面的偏差中，最大值与最小值之差即为待测平板平整度；

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9.根据权利要求6所述的平板平整度检测方法，其特征在于，所述CPU进行相应处理包括：

采用对角线法则进行误差评定后，原始测量数据转换为相对于基准平面的数据，该数据基准是否满足要求，按照最小条件原则进行评定。