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摘要 多工序制造过程质量信息采集终端的研制 研究生姓名：韦军波 导师姓名：史金b 教授 张志胜副教授 学校名称：东南大学 摘要 质量信息采集终端设备是多工序制造过程质量控制的重要前端设备，是分布式数据采集必不可 少的要素之一。针对多工序制造过程工序分散、工艺复杂、自动化程度高、信息量大、处理速度快 等特点，本文设计了适合多工序制造过程质量控制的数据采集传输终端设备。 首先，在明确课题背景以及系统功能需求的基础上，通过总体结构设计，将终端设备分为数据 采集和数据传输两个功能模块，并对系统的关键技术做了详细的分析研究。 然后，根据系统功能设计了数据采集模块结构，并设计实现了各子模块硬件电路。模块采用双 c p u 结构，目的是为了防止数据采集过程中数据丢失；高速a d 转换芯片m a x l 5 6 的使用，能够保证 多通道同时采样，克服了多路模数转换器并行工作时系统硬件开销大、一致性差等问题；而使用时 钟芯片标识数据信息对于采集后的结果分析具有重要意义。 其次，在数据传输模块中使用双e l r a m ，解决了双c p u 间的数据通信与共享以及高速大流量数 据传输过程中的数据阻塞难题；使用以太网传输数据信息，更能适应多工序制造过程质量信息分布 式传输的实际需求。 最后，根据已确定的数据采集模块、数据传输模块和开发环境的特点，设计了系统软件构架； 与上位机的通信实现验证了终端设备设计的可行性。 本终端能够满足多工序制造过程质量控制在质鼍信息采集传输时系统分布性、流量大、速度高 的要求。该终端设备具有功能强大、成本低、抗干扰能力强等特点，方便了在复杂环境f 完成对多 工序制造过程数据信息的采集处理，具有很强的实用性和新颖性。 关键词：多工序制造过程质量控制数据采集以太网 a b s t r a c t t h et e r m i n a le q u i p m e n tf o rq u a l i t yi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n i nm u l t i s t a g em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s b y w e ij u n b o s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rs i l lj i n f e ia n da s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gz h i s h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t e r m i n a l e q u i p m e n tf o rq u a l i t y i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ni sa ni m p o r t a n tf o r m e re q u i p m e n ti n m u l t i s t a g em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，a n di t i so n eo ft h ef a c t o r sw h i n c ha r ei n d i s p e n s a b l et oq u a li t y c o n t r 0 1 i nt h i st h e s i s ，c o n t r a p o s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fm u l t i s t a g em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，s u c ha ss e p a r a t e w o r k i n gp r o c e d u r e ，c o m p l e xt e c h n i c s ，h i g h - d e g r e ea u t o m a t i z a t i o na n dan l a s so fh i g h - s p e e di n f o r m a t i o n r e q u i r e dt od e a lw i t h ，w eh a v ed e v e l o p e dt h et e r m i n a lf o rd a t ea c q u i s i t i o no fm m p f i r s t l y , t h et e r r a i n a le q u i p m e n ti sd i v i d e di n t od a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ed a t at r a n s m i s s i o nm o d u l ea f t e r d e s i g n i n gt h et o t a lf r a m e w o r kb a s e do nt h eb a c k g r o u n da n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to f t h es y s t e m t h e nt h e p i v o t a lt e c h n o l o g yi nt h es y s t e mi sa n a l y z e dd e t a i l e d l y s e c o n d l v - t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ef r a m ei sd e s i g n e do nt h es y s t e mf u n c t i o n 1 1 l e nt h ee l e c t r o c i r c u l t o fe v e r ys u b s y s t e mi sc o m p l e t e d d o u b l e - c p ui su s e di nt h em o d u l ei no r d e rt oa v o i dd a t al o s si nt h ed a t a a c q u i s i t i o np r o c e s s t h eh i g h - s p e e da dc o n v e r t i o nc h i pa b o u tm a x l 5 6i ss e l e c t e dt oe n s u r ec o n v e d n g t h r o u g hm u l f i c e n t e ra t t h es a m et i m e i to v e r c o n 3 e st h es h o r t c o m i n g so fc o s i l ys p e n d i n ga n db a d s i m u t t a n e i t yo fh a r d w a r ew h e nm u l t i c e n t e ra dc o n v e y o rw o r k i n g i ti ss i g n i f i e a t i v eu s i n gc l o c kc h i pt o i d e n t i f i e a t ef o rd a t aa n a l y s i sa f t e ra c q u i s i t i o n t h i r d l y , t h ed a t a - b l o c kp r o b l e me x i s t i n gi nt h ep r o c e s s0 fd a t a - c o m m u n i c a t i o n d a t a - s h a r i n ga n d b i g f l u xd a t at r a n s m i s s i o ni ss o l v e db yu s i n gt h ed o u b l er a m i nt h ed a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e e t h e m e tf o r d a t at r a n s m i s s i o ni sm o r es u i t a b l ef o rt h ea c t u a ld e m a n do fd i s t r i b u t e dt r a n s m i s s i o no fq u a l i t yi n f o r m a t i o n w h i c hi se x i t i n gi nm u l t i s t a g em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s f i n a l l y , b a s e do nt h ed e s i g n e dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t at r a n s m i s s i o nm o d u l ea n dt h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tf e a t u r e s ，t h es y s t e ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e d i ti sf e a s i b a l ef o rt h ed e s i g no ft h e t e r m i n a le q u i p m e n tb yt h er e a l i z i n gt h ec o m m u n i c a t i o nw i t hu p p e rp c t h et e r m i n a lc a nm e e tt h en e e d so fd i s t r i b u t i o n ，b i g - f l u x , a n dh i g h - s p e e df o rq u a l i t yi n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n i n q u a l i t yc o n t r o l o fm u l t i s t a g em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s t h i st e r m i n a l e q u i l c m e n th a st h et r a i to fp o w e r f u lf u n c t i o n ，c h e a pc o s ta n da n t i - j a m m i n ga b i l i t ye t c i ti sc o n v e n i e n tf o r d a t aa c q u i t i o na n dp r o c e s s i n go fm m p i ni n t r i c a t ee n v i r o n m e n t i ti s p r o v e d t h a ti th a sa s t r o n g p r a c t i c a b i l i t ya n dn o v e l t y k e yw o r d s ：m u l t i s t a g em a n u f a c t u r i n gp r c c e s s q u a l i t yc o n t r o l d a t aa c q u i s i t i o n e t h e m e t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加阻标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的；乇明并 表示了谢意。 研究生签名：壶錾蕉日期：! 型坐箩 东南。大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研触繇挫堕黝繇也逾日期芝盟吁 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 工序是产品制造过程的基本环节，也是组织生产过程的基本单位。从工序的组合及影响工序质 量因素的角度看，工序是机器设备、工具、工艺方法、材料和操作者等在特定环境条件下的结合“。 多工序制造过程( m u l t i s t a g em a n u f a c t u r i n gp r o g r e s s ，删p ) ，是指采用多个工序( 或工位) 生产 产品的一种制造过程“。 在当今社会化大生产过程中，科学技术的进步带动了工业产品的技术含量越来越高，生产过程 也越来越复杂，产品经过一道工序就加1 二完成的情况越来越少，多t 序制造在工业生产中越来越普 遍，例如复杂产品加工、半导体生产、汽车车身装配等。而产品制造过程是产品质量形成的主要环 节，即工序质量。工序质茸信息包含大量的质量数据和质量知识，质量数据包括影响加工质量的原 材料、加工设备、制造工艺参数、操作人员、工作时间以及质量检测项目和检验数据；质量知识是 指采用质量分析方法对质量数据进行分析从而产生的质量知识积累。本文主要关心的是质蠡 数据对 加工质量的影响。这主要包括以下三个因素： i ) 机器设备 该种情况往往是工序的重复程度虽然较高，但是随着加工时间的推移，由于工具的磨损、试剂 的耗尽、机器设备的升温等情况的发生和变化，质量特性数据之间会发生较大的变化，甚至会出现 不合格品。为此必须对机器设备进行定期检查和校正。属于机器设备是主导因素的典型工序有：自 动包装、自动切割切削、容积充填、重量充填、造纸、电子器件焊接等。 2 ) 操作人员 在以操作人员手工操作为主的工序，往往操作人员的劳动态度和技能成为主导因素，而且它也 是产品缺陷的主要根源。凡是在操作人员起主导作用的工序，其所产生的缺陷，通常可以由操作人 员来控制。以操作人员为主导因素的工序有：手工焊、人工研磨、喷漆、手工包装、修理、校正、 检验等。 3 ) 原材料 对于装配、合成等工序，外购原材料、零部件、自制的零件将起着主导作用。他们的质量，及 其结合的质量，对产品的最终质量有着决定性的影响。例如汽车、机械产品的装配，化工产品的合 成，食品的配制等。 此外，制造t 艺参数、工作时问及制造环境也对加工质量或多或少的存在着影响，在制造过程 中，应根据不同工序的主导因素的分析结果，采取有效的控制措施，建立控制系统，从而达到保证 质量的目的。 但是，多工序制造过程质量信息与传统传统生产模式下的质量信息相比有着更大的复杂性，主 要体现在以下几个方面： i ) 质量信息的分布性与相关性。分布性是多工序制造模式的关键特征，质鼍信息存在与产品生 产周期的各个阶段，各道工序，体现了它的分步性；但各种信息之间又相互关联、相互影响，从而 又具有相关性。 2 ) 质量信息发生的随机性和度量上的时间性。在多工序制造过程中，随时都有可能产生有关的 质量信息，但什么时间发生什么样的信息却是随机的。产品的质量信息一般采用与时阃有关的单位 来表示，这一点决定了质量信息采集和处理的特殊性。 3 ) 质揖信息的时效性。多1 ：序制造过样中的质量信息有很强的时效性。信息的价值会随着时间 的推移而衰减，有时信息一经产生，就需及时传输到j l ：程人员那里处理，否则就会造成严重的后果。 4 ) 质量信息的多源多样性。我们这里涉及剑的质量信息，是指多工序制造过程中产生的一些信 一1 一 东南大学硕l 学位沦文 息，它的来源多样。按照确定性与否可以分为确定性信号和随机性信号；按照模拟信号的性质区分 又包括电压、电流、温度、压力、载荷、位移等，所以，这也导致了多i ：序制造过程中产生的质量 信息也更多、更复杂。 当前，产品质量的低劣已严重制约着我国国民经济的健康发展，削弱了我国产品在国际市场上 的竞争力，导致了资源的浪费，经济效益低下。曾有数据显示“”嘲即使按照工业总产值的5 计 算，我国的质量损失每年也要高达几千亿元( 我国1 9 9 5 年1 ：业总产值为9 1 8 9 4 亿元，1 9 9 6 年工业 总产值9 9 5 9 5 亿元，1 9 9 7 年工业总产值1 1 3 7 3 3 亿元，1 9 9 8 年工业总产值1 1 9 0 4 8 亿元，1 9 9 9 年工 业总产值1 2 6 1 1 1 亿元) 。当前我国产品质量水平能达到国际先进水平的只有1 3 左右，有6 5 的产 品落后于世界先进水平2 0 年左右。如中国产汽车的平均故障里程最高的仅为国外产品的3 3 ，低 的只有5 ，约相当于西方国家7 0 年代的水平。欧美发达国家也存在着同样的质黉问题”“”。世界 质量管理研究院副主席哈林顿认为，西方国家的工业企业不良质量成本约占制造成本的2 0 3 0 。 法国质量协会主席雷麦特认为，法国每年的质置损失约占企业增值的1 3 2 0 。美国的统计资料 表明该国的不良成本通常占售价的3 0 左右，如i b m 公司的质簧不良成本始终在2 0 4 0 间波动。 由此可见，即使是两方发达国家尽管采取了一系列科学严格的管理措施，由于质量问题而导致的 质量损失也是巨大的。造成这种质量水平低下的主要原因之一就是制造过程的质量控制不力，缺乏 必要的质控手段；而且现有的统计过程质量控制技术不能有效的满足企业的需要，企业看不到明显 的效益，因而对企业缺乏吸引力。所以说，加强在线控制，强化工序管理，采取有效措施，掌握多 工序制造过程质量控制的规律，建立控制系统，对各工序的加工质量进行控制，降低工序不良品损 失，己成为国家和企业提高产品质量、增强经济效益的当务之急，也对提高我国产品质量、促进国 民经济增长和对外贸易发展有巨大的促进作用。 但是，多工序制造过程往往工序分散、工艺复杂、自动化程度高“，要求处理的信息量愈来 愈大、速度愈来愈高，导致了测试任务复杂，测试系统庞大，需要大量的测试采集终端，再加上系 统中各测试点之间以及测试点与中央处理机之间的信息交换鼍越来越大，配合也越来越密切，这就 给多t 序制造过程质量控制和质量改进带来了很大困难。在线数据采集传输系统作为多工序制造过 程质量控制系统的最前端，其工作性能如何，将直接影响到诊断与预测的结果。为此，提出了测试 和控制的现场化、远程化、网络化要求。 传统的单机仪器已远远不能适应大规模、高质量的多工序制造过程信息采集的要求。现代科学 技术的飞速发展，尤其是计算机技术与非接触传感器的广泛应用，使得在工序质量控制时对于零件 进行全部检验和测试成为可能；而通信技术和宽带数据网络的发展。特别是互连网络( i n t e r n e t ) 和 各种专用网络的发展为数据的传输提供了不同的手段，为建立各种远程的数据采集、控制和自动化 系统提供了有利条件，从而不必像传统的( q u a l i t yc o n t r 0 1 ) 那样抽样；不必将零件移至检验 工位，既人大减少时问损失和减少劳动量，又可以使生产过程中的加工质量问题消失在萌芽中。由 于可以进行全捡，减少了错误的发生；再加上是计算机处理数据，对数理统计理论方法的充分应用 有了最大的可能，因而为工序质量的提高奠定了基础。 目前，国内对这种多工序制造过程质量信息采集、传输、处理和应用技术还缺乏深入研究，与 国外相比，起步较晚，技术比较落后，但对这种网络化测控发展趋势、符合信息化发展要求的研究 有了高度重视。 1 2 相关领域研究现状 分布式数据采集终端设备是多工序制造过程质量控制的前端设备，因此要首先了解多工序制造 过程质簧控制的研究现状，其次是分布式数据采集技术的发展过程。 第一章绪论 1 2 1 多工序制造过程质量控制技术的发展 多工序制造过程质量控制作为质量管理学的一部分与质量管理的发展过程致，丈体经历了 三个发展阶段1 ： 第阶段，从二十世纪初到四十年代是质量检查( q u a l i t yi n s p e c t ) 阶段，也叫事后检查阶段。 这是质量管理的初级阶段。 在这阶段，美国的泰勒提出科学管理理论，要求按照职能的不同进行合理的分工，首次将质 量检验作为一种管理职能从生产过程中分离出来，建立了专职质量检验制度。 第二阶段，从四十年代到五十年代末是统计质量控制( s t a t i s t i e dq u a li t yc o n t r 0 1 ) 阶段。 人们从长期的生产实践中发现，产品质量的事后检查，虽可有效地完成及时剔出不合格品地任 务，这对工业生产来说，当然是很必要。但是，出了废品，损失已经造成，即使检查再严，也无法 挽 亓l 经济损失。而且，由于过分强调检查人员和检查职能部门的作用，容易引起操作人员的对立情 绪。其次，有的产晶还要作破坏性检查，这种事后检有的方式是被动的、消极的。随着工业的发展， 生产规模的日益扩大，生产批量不断增加，对质量管理提出了新的要求，即寻求以最经济的方法， 进行质量检查，并能预测和控制影响产品质量的各种因素，包括人的因素。该阶段的主要特点是： 从单纯依靠质茸检验事后把关，发展到工序控制，突出了质量的预防性控制与事后检验相结合的管 理模式。统计质量控制阶段是质簧管理发展史上的一个重要阶段。在管理科学中首先引入统计数学 的就是质量管理，而在2 0 世纪四无十年代的统计质量控制阶段，除去定性分析以外，还强调定量分 析，这是质茸管理科学开始走向成熟的一个标志。 这一历史时期，质量管理的基本特征是：在继续实行质量检查的同时，也推行使用抽样检查， 从而显著地降低了检查费用；用控制图，对大量生产的工序进行动态控制，有效地预防废品的产生， 利用数理统计法和有关工具，把过去那种以评价加工结果的质量管理体制，转变到重点研究影 响产品质量的原因上来，提倡以预防为主。 统计方法的应用减少了不合格品的产生，降低了生产费用。但是现代化大规模生产十分复杂， 影响产品的质量因素是多种多样的，单纯依靠统计方法不可能解决一切质量管理问题。随着大规模 系统的涌现与系统科学的发展，质量管理也走向系统工程的道路。 第三阶段，从六十年代至今为全面质量管理阶段一般称为t q c ( t o t a lq u a l i t yc o n t r 0 1 ) 。 提出全面管理的代表人物是美国通用电气公司f e i g e n b a t n a 博士。全面质量管理主要就是“三全” 的管理，“三全”是指：全面的质量，即不限于产品质量，而且包括服务质量和工作质营等在内的广 义的质量；全过程，即不限于生产过程，而且包括市场调研、产品开发设计、生产技术准备、制造、 检验、销售、售后服务等质量环的全过程；全员参加，即不限于领导和管理干部，而是全体工作人 员都要参加。 可以看到，质量管理发展的三个阶段不是相互孤立、互相排斥的，前一个阶段是后一阶段的基 础，后一阶段是前一阶段的继承和发展。 当今许多发达国家，己把产品质嚣零缺陷当作现阶段改进工序质量的终极目标，并且在任何实 现零缺陷质量目标上进行研究和探索，提出了许多行之有效的改进方法。如2 0 世纪8 0 年代以来， 美国、加拿大等国利用其计算机工业方面的优势开始将计算机技术与统计过程控制理论相结合， 正在力求实现在线质茸控制，以使许多因计算复杂、在手工条件下很难实施的试验设计成简单易行 的常用方法“。随着机电一体化技术的发展和计算机在企业中的广泛应用，两方工业发达国家纷纷 加大了对工序质量控制的研究，为保证产品质量、提高生产率、降低生产成本起到了巨大的作_ h j 。 许多行之有效的理论方法已经开始固化到现代设备中，极大的提高了质量控制的自动化水平，使其 能够自动判别工作状态，修正不良偏差，自动识别产品质量，从而增强了其在遏际市场的竞争能力。 但是，随着新的制造模式，如c i m s 、n i s 、a m i 、a i 等的出现，使得以大批量生产加工为基础的统计 过程控制理论的应用暴露出明显的不足和缺陷。在新的控制理论尚未出现的情况下，这些先进制造 模式在发挥其应有的作剧方面受到了约束。 东南大学硕上学位论文 8 0 年代中期，人们在c i m s 框架f 提出了作为c i m s 组成部分的计算机辅助质餐控制系统( c o m p u t e r a i d e dq u a l i t ys y s t e m ，c a q ) 的概念。计算机进入质量1 i ：群领域，不仅加快了质量信息的处理速度和 质量，更重要的是它进一步丰富了质量控制理论，促进了质餐管理理论的发展。另一方面计算机 进入质革控制领域，可以快速处理大量的生产现场数据，为提高产品质量提供了保证手段。它除了 能：玎效的弥补传统方法的不足外还能有机的与敏捷制造、并行丁程、精良生产、及时制造和计算机集成 制造等先进的现代制造技术相结合“。 但是，在我国推行c i 惦的企业中，由于企业的基础管理_ 作者难以提供c a q 运行的基本条件及目的 不明确等原因，c a q 系统的建立尚不足以保证c i l i s 的正常运行“”。在c a q 之后，发展出来的集成质量系统 ( i n t e g r a t e dq u a l i t ys y s t e m , i t s ) 强调质量控制的集成”，其覆盖产品的整个周期和企业的各个层次， 强调从质量计划和质鼙控制观点出发进行人的资源开发，实现企业中与质量有关的过程和资源的控制。由 于多工序制造过程的多工位性，现今的质量控制模型多采用实时分布式数据采集系统，但是国内外常用的 一些通信技术如共享式通信方法、u d p 、t c p 、r i p 等”“”，其中任何一种单一的技术都难以满足分布式实 时数据采集系统的高实时性和数据传输可靠性这两方面的要求。 就我国制造企业工序质量控制而言，基本上仍采用非在线检验的方式来保证产品质量。由于企 业设备陈旧，管理手段落后而导致产品质量低劣，已成为工业经济发展中的“瓶颈”，严重制约着人 民生活水平的提高和国家经济实力的增强。 最近，也有研究者注意到统计方法和工程知识融和的优势，提出了一些新的多工序质量模型，能够在 线同步采集多个_ 丁序的质鼍数据，研究各工序数据的统计特征，同时监视工序间的异常情况。国内有学者 提出了“一种基于c a n 总线的零件检测质量控制系统”，c a n 总线是一种多主方式的串行通讯总线，该系 统基于c a n 总线对多工序制造过程的数据进行检测。系统士要由检测工位、c a n 总线和系统服务器三太部 分组成，如图卜1 示： 系 统 p c i 服总线 l 山 务州接口舟 器 c a n 节点0 斗传感器0 c a n 节点l + 传感器1 c a n 节点“+ 呻传感器n 图卜1 基于洲总线的多工序质量控制系统图 1 2 2 分布式数据采集技术的发展 数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ) 。是指将温度、压力、流量、位移等模拟量通过传感器转换为 信号，并经过信号调理、采样、簧化、编码和传输等步骤，再由计算机进行存储、处理、显示或打 印的过程。相应的系统称为数据采集系统。数据采集技术是以前端的模拟信号处理、模拟信号数字 化、数字信号处理和计算机控制技术等高科技为基础而形成的- - h 综合技术。它在许多领域得到了 广泛的应用。数字技术促进了上述这些领域的发展，而反过来又对数据采集系统提出了愈来愈高的 要求。 分布式的测控的需求由来已久，但是直到2 0 世纪7 0 年代，随着大规模集成电路和微计算机技 术的发展分布式测控理论与应用的研究才开始人量地进行，并出现了工业上的分布式计算机测控 系统。到8 0 年代中期，分布式地数据采集测控系统己在航空、汽车、石油、化工、冶金、造纸、电 力等部fj 获得广泛应用。 8 0 年代末以来，数据通信技术和计算机网络技术的发展，它们与自动测控技术相结合，产生了 通过总线或网络实现的分布式自控系统。特别是近几年来，国外不少著名仪器公司推出了自己的产 一4 - 第一章绪论 品，如美国f l u k e 公司的2 6 4 0 a 2 6 4 1 a 、2 6 4 5 a 2 6 4 6 a 系列产品，k e i t h l e y 公司的s m a r t l i n k 系列 中的1 6 中产品，美国国家仪器( n i ) 公司的f i e l d p o i n t 系列产品，h p 公司的h p 4 8 0 0 0 系列产品， 英国s c h l u m b e r g e rt e c h n o l o g i e s 公司的i m p 系列产品等。这些产品有很强的信号调理、网络通信 和本地处理能力。例如k e i t h l e y 公司的s m a r t l i n k 系列产品，在网络通信方面，支持多种串行总线 ( r s 一2 3 2 c 、r s 一4 8 5 、r s 一4 2 2 ) 多种以太网( 1 0 b a s e - t 、l o b a s e - 2 、l o b a s e f 、a v i ) 和多种【业网 ( d e v i c e n e t 、f i e l d b u sh i 、p r o f i b u s 、h a r t ) 。 网络技术的发展对测控系统产生了深刻的影响，推动了测控领域全方位的技术创新。在当今网 络化时代，以i n t e r n e t 为代表的计算机网络通信的发展和虑用取得了前所未有的突破和成功，网络 化测量、采集和( 对网中仪器设备的) 控制技术正随着网络技术的发展而迅速发展。网络化、分布式 的数据采集优势体现在：采集范用扩大，处理能力增强，信息索取更加方便，并且能够适应场合变 更的需要。凭借这些优良的性能，网络化测量和控制已经成为数据采集技术发展的必然趋势。数据 采集系统是计算机与外部世界之间联系的桥梁，是获取信息的重要途径。一个大型的数据采集系统 由以下几个部分组成：数据测量、数据采集、数据传送、数据存储、数据处理、分析和显示等。计 算机技术的发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，导致了现代的测量系统在数字信号处理方 面的能力也大大加强，形成了所谓的数字化测量技术，数字化测量就是借助于各种类型的传感器检 测外部世界的各种信号，并转换成电信号，然后进行信号调理和a d 转换，使之转换成为能够在数 字系统中进一步处理的数字信号。具体来说，就是将电压、电流、温度、压力等物理信号转化为数 字量并传递到计算机中。作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要作用；目前，传感 器正不断朝着多功能性和智能性方向发展。 传感器技术、计算机技术和通讯技术的长足发展以及由此所产生的测量需求促进了数据采集技 术的发展，并对数据采集技术提出了更新、更高的要求：测量的方法、可测量的种类和范围应不断拓 宽和更新，准确度要提高，可靠性要增强，并能够适应各种不同的实验环境需要。简而言之，现 代数据采集技术的发展离不开传感器和计算机控制技术，网络化测量、采集和控制是其发展的必然 趋势。国内现在有不少数据测量和采集的系统，在硬件实现上，主要通过单片机、d s p 等完成，有 基于p c i 总线、基于v x i 总线的高速数据采集系统等。在软件上，有基于li n u x ，u c o s ，n u c l e u s ， v x w o r k s 等实时操作系统( r t o s ) 的实现。这些数据测量和采集系统的研制成功解决了用户需要， 但是也有一部分系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂，处理能力有限，对测试 环境要求较高并且返修率高等问题。这些设备正在从以前的不用操作系统、采用简单操作系统阶段 向采用嵌入式实时操作系统、面向网络化和i n t e r n e t 的方向发展“”“。 概括起来，现代数据采集系统具有以下几个特点： ( 1 ) 现代数据采集系统一般都内含计算机系统，这使得数据采集的质量和效率大为提高，同时 显著节省了硬件投资。 ( 2 ) 软件在数据采集系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵活性。 ( 3 ) 数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成了数据采集与处理相互融和的系统，可实 现从数据采集、处理到控制的全部工作。 ( 4 ) 速度快，数据采集过程一般都具有实时性。对于数据采集系统一般希望有尽可能高的速度， 以满足更多的应用环境。 ( 5 ) 总线与网络技术应用越来越广泛。总线技术与网络技术对数据采集结构的发展起着重要作 用。 1 2 3 多工序生产系统在质量信息采集和传输方面的难点 由于多工序生产系统的基本特点其质量信息的采集和传输主要有咀下四个难点： 1 ) 多l 序制造过程生产工序多、工艺过程复杂、生产周期长，不利于数据的采集传输，从而影 响数据的采集传输速度。 多_ 序制造过程最显著的特点就是工序多，有的工序制造过程还包括复杂的物理、化学变化， 一5 一 东南大学顾士学位论文 工艺过程复杂；而且相互关系也很复杂，加上地点分散，这就容易使信号传输受剑干扰，不利丁| 采 集与传输。 2 ) 两种质量“的相互影响，产生的误差较大，导致数据采集的精度不会太高。 通常，一个产品在生产过程中要经过若干道i ：序才能完成。因此，每道丁序对产品的最终质量 都起作用。传统分析方法采阁的是道道工序把关即上道t 序只允许把只允许把合格品送往下道工 序加工，这样就可以保证产品的晟终质量。这种分析方法是假定上道= 序的产品总是合格品，从而 无需考虑上道r 序对下道工序的影响。 但是，在现实工作中更多的是上道工序与下道工序总是或多或少相互影响。由于上工序与本道 工序的加工是综合在一起的，如果不能加以区分，就分不清上、下道工序的质量责任，也就无法进 行科学的质量控制与诊断。为了分清上下道r 序的质量责任，就需要对上工序进行诊断。 为了便于分析，张公绪将包含上工序质量的现行质量称为总质量”“，也称综合质量，而将与上 质量无关的当前工序本身的同有加工质量称为分质量，也称固有质量。它们的特点如下所述： ( 1 ) 总质量 总质量不但包括末道工序的加工质量，而且综合了所有上道工序加工质量的影响在内。 ( 2 ) 分质量 分质量是指该工序本身同有的加工质量，它与上道工序无关。分质量是客观存在的它反映了该 工序的工作质量。它的影响因素包括操作人员、机器设备、原材料、操作法规及制造环境。其中， 原材料、半成品来自上道工序，与本道工序无关；由于整条生产线大多处于相同的环境下，故可将 环境看成是一个共同的因素而不必给予特殊的考虑；其余的操作人员、机器设备以及操作法都与人 的因素有关。 二者关系从加工过程来看，总质鼍是在上道工序提供的半成品的基础上经过本工序的加工后 综合而成的产品质量。分质量是总质量的一部分。这样就导致上道工序的误差不可避免的传递到下 一道工序，导致误差迭代，从而影响了数据采样的精度。 3 ) 数据采样精度与传输速度相互制约。 在数据采样过程中，为了提高采样的精度，必须通过提高采样频率的方法来解决，由于多工序 制造过程多工序的存在，这就导致了大量的数据信息产生，容易形成数据堵塞，制约了数据的传输 速度。这种矛盾的相互制约，必将影响数据采集的精度和传输速度。 4 ) 时间标识与时钟同步 在多工序制造过程中，测控节点地理位置分散，由于在多通道采集传输过程中数据经过多次采 集以及网络的传输延时的影响，接收到的信息已经不是对方当前的信息。为了有效地解释接收到的 信息，并将多点数据融和，引入了时钟屯路来标识每个测控信息发生的时刻，那么就必须对各节点 测控时刻有一个统一的标识，即时钟同步。否则，会导致数据信息混乱失去了质量控制的意义；同 时，即使各节点具有时钟电路标识但是时钟的不同步会破坏各节点的时间和空间的正确对应关系。 这在多工序制造过程的测控系统中具有非常重要的意义。 1 3 论文的主要内容与各章节内容安排 本文主要研究是基于多工序制造过程质颦控制条件下，分析多t 序制造过程质量信息的特点， 然后利用集成电路技术、嵌入式技术和网络技术，设计了数据采集传输模块结构，并建立了远程分 布式质量信息采集传输微型系统模型，能够将数据信息输送到企业数据库中，便于工程人员进行质 量分析。 全文共分为六章，备章内容安排如f ： 第一章首先介绍了研究的目的和意义接着详细阐述相关技术领域的发展历程、国内外研究与 应用现状，分析了多_ 序制造j 二稗中影响质督信息箨基本要素，以及多工序制造过程质量信息的特 点；最后详细分析了多工序生产系统在质量信息采集方面具有的特点与难点，晟后给出本文的主要 第一章绪论 内容。 第二章；本章首先根据系统的总体功能设计需求，设计了远程分布式数据采集传输微型系统的 基本框架，然后对系统中的一些关键技术：高速a d 采样、双c p u 设计、数据以太网输出以及时钟标 识数据信息等作了概略性的阐述。 第三章：详细介绍数据采集模块硬件电路的设计原理。文章首先概括介绍数据采集与转换问题 理论研究，接着，权衡确定原裂系统各组成模块的解决方案，确定系统硬件结构组成，并详细阐述 各模块设计原理： 第四章：详细介绍数据传输模块硬件电路的设计原理。首先对数据传输模块中双口r a m - 一 c y 7 c 1 3 6 的存取原理进行分析，接着分析了基于嵌入式c p u 模块r a b b i t 2 0 0 0 的以太网输出设计原理 及外围电路； 第五章：最后，介绍p c b 设计流程以及设计规则，并在此基础上自主设计出原型系统的硬件电 路板。开发出硬件调试程序，并实现了与上位机的通信。 第六章：对本文研究工作进行简要的总结，并对原型系统的改进和进一步研究提出展望。 第二章系统总体结构世计 第二章系统总体结构设计 本研究结台长电科技股份有限公司生产现场分立器件制造过程的特点以及企业制造执行系统总 体要求的调查研究介绍了系统总体应用环境以及在此基础上确立的系统总体设计方案；然后对整 个数据采集传输系统的架构以及主要组成模块功能和关键技术做了详细的说明，并着重讲述了此系 统在设计上的一些优点。 2 1 系统总体需求 通过对江苏长电科技股份有限公司生产现场分立器件制造过程的特点以及企业制造执行系统总 体要求的调查研究，多工序制造过程质量信息采集终端应具有以下一些特点： 1 、数据采集传输要适应多工序制造过稗分布性的特点：分布性是多t 序制造过程的关键特征。 多工序生产系统中每个工序在生产中都将产生质量信息，体现了质量信息的分散性，这就需要研究 基于网络的分布式数据采集传输设备。 2 、数据采集要求速度快，精确高：数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在 保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时控制对速度的要求。同时， 在复杂的生产系统中，产生质鼙波动的冈素很多。而且质量波动具有传递性和组合性，每道t 序都 受到加t 人员、机器设备、加工工艺、加丁环境、原材料等因素的影响，产生质量波动的因素随着 工序数量的增加而增加，上一级t 序的波动会向下级j = 序传播，甚至有被放大的可能；同时，由于 工序过程的复杂性，生产中的某些质量波动往往不是由某一特定因素引起的，而是由多个t 序过程 中的多个因素交互作用而产生的。因此采集的质量信息要准确无误地复现原输入信号，便于工作人 员进行质量分析。 3 、数据采集传输过程要有足够的缓存空间：多工序制造过程中一般要产生大营的实时数据，在 输入路数较多、采集精度较大的情况下，将产生大量的数据信息，因此数据采集传输设备就必须能 够适应这方面的需求来容纳这些数据的传输。 4 、采集的质量数据信息要有时问标识，以方便工程人员进行质量信息分析。 2 2 系统总体设计 根据多工序制造过程的特点，本设计采用集散型的数据采集传输系统。它利用自行研制的在线 数据采集传输设备对多工序制造过程质量信息进行在线监测，该数据采集器可监测加工过程的各种 质量信息参数，数据采集器具有网络接口，可以通过这一接口连接剑企业数据库中。 这样，工作人员就可以在上位机运行自行开发设计的监测软件，采用图形，图标方式，将使管 理人员方便地使用鼠标及键盘对系统进行管理、控制：按一定的质量分析算法设计分析程序，用图 形化的质量分析曲线和表格实现质鼙分析；通过监控画面的切换，进行在线数据查询，状态查询， 数据存储控制管理等各种操作；通过基于s q ls e r v e r 数据库的应用开发，主要实现数据的归档、 查询和分析( 设计还不能进行在线实时质量信息分析) 。 其应用流程如图2 一l 示。 东南大学硕七学位论文 企 _ 1 竺竺h 兰竺兰兰r 忙二j l 二二 业 数 1 匝至b 匝三l 回旺据以太网 库 、j 图2 - 1 系统总体结构框图 具体应f j 流程如下： 加r 现场的质量信息被分散在各工位的传感器被采集传输； 采集模块采集传感器的模拟信号经过传输模块将数据信息通过以太网上传至企业数据库： 工作人员就可以在上位机运行自行开发设计的监测软件，对采集信号进行分析，实现远程质 量控制。 该多1 ：序制造过稃中质晕信息采集设备安装到加工现场的各个工位，对制造过程的质量状况长 期在线监测，通过网络接口将相应工位点的加工质量信息提供给上位计算机。 该系统有以下主要特点： 1 ) 系统的适应能力强。无论大规模的系统，还是中小规模的系统集散型系统都能够适应，因 为可以通过选用适量的数据采集传输设备来构成系统。 2 ) 系统的可靠性高。由于采用了多个以单片机为核心的数据采集设备，若某个数据采集设备出 现故障，只会影响某项数据的采集，而不会对系统的其他部分造成任何影响。 3 ) 系统的实时响应性好。由于系统中各个数据采集点之间是真正“并行”工作的，所以系统的 实时响应性较好。这一点对于多工序制造系统的大型、高速、动态数据采集系统来说，则是一个很 突出的优点。 4 ) 对系统的硬件要求不高。由于集散型数据采集系统系统采用了多机并行处理方式，所以每一 个单片机仅完成数量有限的数据采集和处理任务。因此，它对硬件的要求不高，可以用低档的便件 组成高性能的系统。