（机械设计及理论专业论文）基于labview的运输环境数据分析系统的研究.pdf

基于l a b v i e w 的运输环境数据分析系统的研究 摘要 目前，国内运输包装测试水平较低，对于一些包装破损原因很难定量分 析，存在分析时具有主观性大等问题。根据实际需要，本项目小组共同研究 开发了一种针对运输环境的小型信息采集、存储装置，本论文主要侧重于装 置数据处理分析软件的开发。 首先，本文介绍了课题的意义、国内外研究现状及虚拟仪器的概念。根 据市场对运输环境数据采集器的需求，针对国内实际需求，提出了以硬件数 据采集为基础，利用l a b v i e w 软件，共同组成运输环境现场数据采集、数 据分析与处理系统的设计思想。本论文研究的主要目的是利用l a b v i e w 编 程语言对硬件记录的测试数据进行分析处理，得到反映流通环境的可靠数 据。 其次我们在对包装件的一般流通环境条件进行深入分析后，得知引起包 装件破损的主要原因是在公路、铁路、海运、空运等流通环境中产生的振动、 冲击以及温湿度影响，故将包装件受到的振动、冲击以及流通环境的温湿度 条件等参数作为运输环境采集器的测试对象。硬件方面我们采用l m 3 s 8 1l 微控制器为核心芯片，利用温湿度和加速度传感器分别自动采集湿度、温度、 加速度三个参数，将记录的数据存入大容量存储c f 卡，湿度、温度检测电 路和时间控制器利用1 2 c 总线实现。 运用虚拟仪器技术能够达到共享硬件和软件资源，从而快速、方便地组 建各种自动测试系统，并可以方便地利用计算机的强大功能，进行信号分析、 数据处理、存储以及图形化显示等。所以在软件方面我们借助l a b v i e w 编 程语言，发挥其强大的仪器控制、数据分析与处理功能，通过u s b 数据通 信读出记录存储装置中的三向加速度、温湿度数据，开发出了运输环境数据 采集器的用户软件。 本系统提供了丰富的数据分析功能，并对系统数据分析功能进行了详 细的说明，介绍了数据读取、数据预处理、数据统计分析、频谱分析和功率 谱分析等模块，通过这些模块完成了对测试基本信息的提取，单次冲击信号 峰值、冲击持续时间、有效值的确定，各次记录的互相关、自相关分析，整 体记录的加速度一时间曲线、功率密度谱分析等。 实验证明，本文研究开发的基于l a b v i e w 的运输环境采集器软件分析 系统基本达到了课题的要求。与其他运输包装测试分析系统相比有其自身的 优势和独特之处。文中也说明了不足之处和需进一步完善的工作。 关键词：运输包装，虚拟仪器，l a b v i e w ，信号处理，软件开发 i i r e s e r c ho nd a t aa n a l y s i ss y s t e m o ft r a n s p o i 誓te n v i e r o n m e n t b a s e do nl a b v i e w a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h et e s t i n go fp a c k a g ef o rt r a n s p o r ti sn o ta d v a n c e di no u r c o u n t r y i t i sv e r yd i f f i c u l tt oq u a n t i t a t i v ea n a l y z et h er e a s o n sf o rp a c k a g i n g d a m a g e d a c c o r d i n gt o t h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t ，t h ep r o j e c tt e a mj o i n t l y d e v e l o p e das m a l ld e v i c ef o rg a t h e r i n ga n ds t o r i n gi n f o r m a t i o na i m e da t t r a n s p o r t e n v i r o n m e n t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e do nd e v e l o p m e n to ft h e d a t a p r o c e s s i n ga n dd a t a - a n a l y z i n gs o f t w a r ef o rt h i sd e v i c e f i r s to fa l l ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es u b j e c ts i g n i f i c a n c ea n di n t e m a t i o n a l s t u d ys t a t u sa r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h en e e do ft h em a r k e tt ot h ed a t a a c q u i s i t i o nf o rt r a n s p o r te n v i r o n m e n t ，i nv i e wo ft h ea c t u a ld e m a n d ，w ep u t f o r w a r da ni d e at od e s i g naf i e l dd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g s y s t e mt h a tb a s eo nh a r d w a r et h a tf o rc o l l e c t i n gd a t ea n du s el a b v i e ws o f t w a r e t h em a i np u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st oa n a l y s i st h et e s td a t at h a tr e c o r db y h a r d w a r eu s i n gl a b v i e w p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，a n dg e tt h er e l i a b l ed a t at h a t r e f l e c tt h ef l o wo fe n v i r o n m e n t a l b ya n a l y z i n gt h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so fp a c k a g ec i r c u l a t i o n ，a u t h o r p u tf o r w a r dt h em a j o rc a u s eo fd a m a g e dp a c k a g ea r ev i b r a t i o n ，s h o c k ，a n d t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n d i t i o n so fs o m ec i r c u l a t i n ge n v i r o n m e n t a ls u c ha s r o a d ，r a i l ，s e aa n da i rt r a n s p o r t s ov i b r a t i o n ，s h o e k , a n dt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yc o n d i t i o n so fp a c k a g e sw i l lb et e s t e dw i t ht h i sd e v i c e l m 3 s 6 5 。 m i c r o c o n t r o l l e ri sc o r ec h i po ft h i sd e v i c e h u m i d i t y ，t e m p e r a t u r e ，a c c e l e r a t i o n c a nb ea u t o m a t i c a l l yc o l l e c t e ds e p a r a t e l yb yt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y ，a c c e l e r a t i o n s e n s o r sa n dt h e s ed a t ac a nb es t o r e da tl a r g e - c a p a c i t yc fc a r d h u m i d i t y ， t e m p e r a t u r ed e t e c t i n gc i r c u i ta n dt i m ec o n t r o l l e rh a sb e e nd e v e l o p e db y 1 2 cb u s t h a n k st ov it e c h n o l o g y ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s o u r c e sc a nb e s h a r e d ，v a r i o u sa u t o m a t i ct e s ts y s t e m sc a nb eb u i l tr a p i d l y ，a n ds i g n a la n a l y s i s ， d a t ap r o c e s s i n ga n dg r a p h i c a l z e dd i s p l a yc a nb ec a r r i e do u tc o n v e n i e n t l y t h e d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to ft h i ss o f t w a r ei sl a b v i e w b e c a u s eo fi t sp o w e r f u l i i i i n s t r u m e n tc o n t r o l ，d a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gf u n c t i o n s ，t h es o f t w a r eo ft h i s d e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e db yr e a d i n go u ta c c e l e r a t i o n ，t e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yd a t ai nt h em e m o r yo f t h i sd e v i c et h r o u g hu s bi n t e r f a c e t h es y s t e mh a sp r o v i d e da b u n d a n td a t aa n a l y s i sf u n c t i o n s ，a n dc a nc a r r yo n t h ed e t a i le x p l a n a t i o nt ot h es y s t e md a t aa n a l y s i sf u n c t i o n i ti n t r o d u c e dt h ed a t a r e a d i n g ，d a t ap r e p r o c e s s i n ga n dd a t as t a t i s t i c a la n a l y s i s ，s p e c t r u ma n a l y s i sa n d p o w e rs p e c t r u ma n a l y s i sa n do t h e rv i s b yt h e s ev i s ，i tc o m p l e t e de x t r a c t i o no f b a s i ct e s t i n gi n f o r m a t i o n ，d e f i n i t i o no ft h ep e a ko ft h es i n g l es h o c ks i g n a l 、t h e s h o c kd u r a t i o n 、e f f e c t i v ev a l u e ，a n a l y s i so fa u t o c o r r e l a t i o na n dc r o s sc o r r e l a t i o n f o re v e r yr e c o r d s ，a c c e l e r a t i o n - t i m ec u r v eo fw h o l er e c o r d s ，p o w e rd e n s i t y s p e c t r u ma n a l y s i s ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yd a t af i t t i n g e x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h es o f t w a r ea n a l y s i ss y s t e mo ft h et r a n s p o r t e n v i r o n m e n tc o l l e c t o rb a s e do nl a b v i e wb a s i c a l l ya c h i e v e dt h eg o a l so f s u b je c tb a s i c a l l y i th a ss o m eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s s o m es h o r t a g e so fs t u d y a n dw o r k sr e q u i r e dp e r f e c t i n ga r ee x p l a i n e d k e yw o r d s ：t r a n s p o r tp a c k a g i n g ，v i r t u a li n s t r u m e n t s ，l a b v i e w , s i g n a l p r o c e s s i n g ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 陕西科技人学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：4 支当盐 日 期：2 q q2 堑旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：桂当避导师签名：窆：! 堑日期：2 q qz 生旦 基于l a b v i e w 的运输环境数据分析系统的研究 1 绪论 1 1 课题研究的意义 在现代社会中，随着人们生活水平的提高，商品经济的繁荣，产品和物资的流通早 已成为经济活动中重要的组成部分。在激烈的市场竞争环境中，生产厂家不仅仅要做到 能提供物美价廉的产品，而且还要将产品在地方法规的规定下合理包装，无任何破损地 运输到消费者的手中。这些都使得运输包装的安全、合法、低成本成为生产厂家关注的 焦点。因此，对流通环境中产品可能遭遇到的各种影响因素进行考察和评价，优化产品 包装，减少因包装造成的环境污染，降低运输费用已成为当务之急。 产品、货物流通过程中，相关利益群体，包括产品生产者、产品的承运商、产品的 销售商以及最终客户。他们密切关注以下几个问题： a 产品、货物及包装件经过流通环境后受到了什么影响； b 导致这些影响的主要因素是什么； c 如何改进产品及包装设计以避免因流通环境造成对产品的负面影响，简化货物 包装，节省包装与运输开支； d 作为以运输储存为主要目的运输包装在这个过程中发挥了什么样的作用； e 如何改进物流管理，减小装卸、运输、仓储过程中对产品的影响，充分挖掘运 输潜力，降低运输费用； f 显著减少货损、货差事故，保证到达客户时，产品、货物损耗降低到可接受的 水平。 在货物运输过程中，我们为保护产品在流通过程中不被损坏、方便储运，将产品按 照一定的技术方法，采用容器、材料及辅助物加以包装，即运输包装。因此，要满足物 流过程中各利益群体的要求，解决上述诸多的现实问题，要求对运输过程中产品受到的 各种力学、气象条件进行记录、分析。这也是本课题研究的主要内容。 运输包装的质量除了由其本身包装质量决定外，它还受产品本身特性以及产品流通 环境的制约。因此可以认为，运输包装质量是对产品本身特性、包装设计、流通环境的 综合体现。这三个制约因素之间也存在着相互关系，包装设计方式的选择依赖产品本身 特性和运输环境的影响，产品本身特性是客观的不可更改，因此，运输环境的影响在保 证运输包装质量的过程中起着决定性的作用，本课题的提出正是源于这一现实需要。 然而，产品流通环境千变万化。它包括了以生产工厂为起点，以消费者为终点之间廖 经历的全部过程。广义上说，它包括了商品及包装的运输、中转、装卸、仓贮、陈列、销售 等环节。其中，运输、中转、装卸、仓贮被定义成流通环境条件，即包装件在运输流通过稻 陕两科技大学硕士学位论文 中所经历的一切外部因素。由此可见，环境负荷随机性相当大，很难预测。这不仅使得在产 品运输包装设计中，我们常采用的包装设计五步法( 确定环境、确定产品的脆值、选用适当 的缓冲垫、设计与制造原型包装、实验原型包装) 或六步法( 定义运输环境、产品脆值估计、 产品重新设计、缓冲材料计算、设计包装系统、试验包装系统原型) ；由于流通环境很难预 测，包装设计者缺少真实的环境数据，这些步骤都存在保守设计因素，包装设计的合理性很 难保证。其次，包装设计可靠性要经过运输包装试验才能确定。即使用专用的试验设备和测 试仪表，在室内模拟再现实际流通环境的负荷，模拟试验可以精确控制试验条件，但与实际 流通情况有一定差距，且要求较高的设备投资和技术，给这种试验技术的普及应用带来困难， 也使得包装设计的可靠性难以保证。 如能生产一种小型信息采集、存储装置，对包装件内运输情况的各种危害因素及环 境状况记录下来，随后通过计算机处理系统再现这些危害的波形，并通过冲击响应谱、 随机振动的功率谱分析来评估某一特定运输环境对包装件的危害量级。根据得到的各种 数据，对产品、包装和物流管理等的原设计方案提出修改建议，使产品、包装件及包装 容器的结构、强度、内部缓冲衬垫、集装堆码方式、物流方案等更加趋于合理，确保产 品流通过程的可靠性；同时监测运输企业是否按操作规程进行装卸，给运输企业的管理 者提交真实记录，便于管理；也为厂商提供产品运输过程中的数据资料，尽量减少产品 在流通过程中的损失。此外，利用有关数据可以解决流通过程中的经济纠纷，保护用户 的利益，以及进行包装事故的责任仲裁。本课题的研究、发展和推广，为产品和包装设 计工程师和运输企业提供了详实的第一手运输过程中的数据资料；使得企业在减小流通 损失及降低包装成本两方面获利；课题研究的相关技术和成果可以应用到其它类似的存 储测试领域中，为此类研究提供技术指导；另外，通过对大量典型运输过程的数据采集、 分析与综合对于制定更为合理更切实可行的企业、行业及国家标准会起到很好的推动作 用【l 】。 1 2 虚拟仪器技术 1 2 1 虚拟仪器的概念【2 j a 虚拟仪器【3 】的基本概念 由文献 4 5 】可知，虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的概念是由美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 最先提出的。由文献 6 8 】可知，所谓虚拟仪器是基于计算机的软 硬件测试平台，依托计算机强大的资源，它具有很强的数据处理、存储和分析能力。它 可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成 于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之 后的新一代测量仪器。 虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器。该技术把仪器分为计算机、仪器硬 2 基丁l a b v i e w 的运输环境数据分析系统的研究 件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器( 包括 g p i b 、r s 一2 3 2 等传统仪器以及新型的v x i 模块化仪器) 为基础，将仪器硬件连接到各 种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件( 处理器、存储器、 显示器) 和测量仪器( 频率计、示波器、信号源) 等硬件资源与计算机软件资源( 包括 数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面) 有机的结合起来。 b 虚拟仪器的特点及优势 由文献 9 1 1 可知，虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电 子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心( 如图1 1 所示) ，其中软件的基础部分是设备驱 动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟 仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应 用程序将可选硬件( 如g p i b ，v x i ，r s 2 3 2 ，d a q 板) 和可重复用库函数等软件结合 在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。原码库函数为用户构造自己的虚拟仪 器( v i ) 系统提供了基本的软件模块。由于v i 的模块化、开放性和灵活性，以及软件 是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块， 或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时， 就能简单地构造出新的v i 系统而不丢失己有的硬件和软件资源。 图卜1 虚拟仪器开发框图 f i g 1 1d e v e l o p i n gc h a r to f v i 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易 构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化 的发 展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、 信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数， 如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作 灵活，完全图形化界面，风格简约，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。 陕两科技大学硕七学位论文 1 2 2 虚拟仪器与传统仪器的比较 由文献 1 2 1 5 1 可知，虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势( 如表1 1 所示) 。 在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域， 虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的 拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。 简单地说，虚拟仪器技术就是用户自定义的基于p c 技术的测试和测量解决方案。 相对于传统仪器，它有四大优势：性能高、扩展性强，开发时间少、完美的集成功能 1 6 1 。 表1 - 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 t a b l e1 - 1c o m p a c t i o nw i t hv 1a n dt r a d i t i o ni n s t r u m e n t s 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低开发和维护费用高 技术更新周期短( 0 5 1 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 软件是关键 硬件是关键 价格低价格高 开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定 可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备 自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便 1 2 3 虚拟仪器开发工具的比较 目前可用于虚拟仪器开发的软件可以分为如下两大类，它们都包含界面设计模块和 功能函数设计模块。 a 文本式编程语言，如：v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、j a v a 、c + + b u i l d e r 、 l a b w i n d o w s c v i 等； b 图形化编程语言，如：l a b v i e w 、h p v e e 等。 虚拟仪器的重要组成部分是软件开发平台，它是代表虚拟仪器的整个驱动软件，因 此，软件开发平台的水平在很大程度上代表了虚拟仪器的水平。随着计算机技术和软件 技术的飞速发展，各种专用仪器开发系统的功能也越来越强大和完善，虚拟仪器的重要 组成部分是软件开发平台，它是代表虚拟仪器的整个驱动软件，因此，软件开发平台的 水平在很大程度上代表了虚拟仪器的水平。随着计算机技术和软件技术的飞速发展，各 种专用仪器开发系统的功能也越来越强大和完善，这里有n i 公司的l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v i ，h p 公司的v e e ，i o t e c h 公司的d a s l a b ，k e i t h l e y 公司的 v i e w d a c ，h e m ：d a t e 公司的s n a p m a s t e r 等，其中别具特色且在世界上销售量最大的 要数n i 公司的l a b v i e w 了。 l a b v i e w 是建立在w i n d o w s ( n t 乃1 9 5 9 8 2 0 0 0 ) 基础上的图形化仪器开发系统( 也 可用于m a oo s 、s u n 、h p u x 等) 。用l a b v i e w 编写的仪器软面板，其界面友好操作 简单直观；与传统文本语言相比，用l a b v i e w 编程易学易懂省时省力，可以节省大量 4 基丁l a b v i e w 的运输环境数据分析系统的研究 系统开发时间，即使对于没有文本语言基础的非软件工程师来说，也可以很快学习、掌 握并应用l a b v i e w 来开发虚拟仪器。 l a b v i e w 是一个完全的开放的仪器开发系统，利用它可以构成任意形式的虚拟仪 器，如g p i b 、v x i 、p x i 、串行系统、p l c 和插入式数据采集系统等，并可通过互联网 与其它数据源连接进行动态数据交换，还可以在l a b v i e w 中嵌入a c t i v e x 控件。从其 它开发环境调用l a b v i e w 的源代码，或用l a b v i e w 以动态链接库的形式在w i n d o w s 下或在其它平台下以分享库的形式调用现存代码。 l a b v i e w 具有以下特点： 1 ) l a b v i e w 使用“所见即所得的可视化技术建立人机界面。提供了大量的仪器面 板中的控制对象，如表头、旋钮、图表等。 2 ) l a b v i e w 使用图标表示功能模块，使用图标间的连线表示各功能模块间的数据传 递，使用大多数工程师和科学家所熟悉的数据流程图式的语言书写程序源代码。这样使 得编程过程与思维过程非常近似。 3 ) l a b v l e w 继承了传统的编程语言中的结构化和模块化编程的优点，这对于建立复 杂应用、提高代码的可重用性来说是至关重要的。 4 ) l a b v i e w 可以采用编译方式运行3 2 位应用程序，这就解决了其它用解释方式运 行程序的图形化编程平台运行程序速度慢的问题。 5 ) l a b v l e w 支持多种操作系统平台，如w i n d o w s 9 5 9 8 2 0 0 0 n t 、p o w e r m a c i n t o s h 、 h p u x 、s u ns p a r c 等；在以上任何一个平台上开发的l a b v i e w 应用程序都可以直接 移植到其它平台上。 6 ) l a b v l e w 提供了大量的函数库供用户直接调用。从基本的数学函数、字符串处理 函数、数组运算函数和文件t o 函数到高级的数字信号处理函数和数值分析函数。还提 供了许多具有标准接口( 如v ，g p i b 等) 仪器的驱动程序，用户可以使用现成的模 块方便地组建自己的测试系统。 7 ) l a b v l e w 是一个开放式的开发平台，l a b v i e w 提供d l l 库接口和c i n 节点使用 户有能力在l a b v i e w 平台上使用由其它软件平台编译的模块。 8 ) 借助d d e 、a c t i v e x 、d a t as o c k e t 等技术，扩充系统的开发能力。 9 ) l a b v i e w 运用多线程技术改善系统的运行及可靠性。 综上所述，虚拟仪器是计算机技术、仪器技术、测量技术、d a 、a d 转换技术、 软件等技术完美的结合，成为当今测量测试领域里的一支最重要的力量。 1 3 国内外现状 目前，建立在单片微型计算机和微电子技术基础上的数据采集器已广泛应用于汽车， 飞机，轮船的行驶记录，兵器检测，石油测井等领域，其核心是将微测试系统直接放入 陕西科技大学硕十学位论文 被测体内，直接测试被测体在工作过程中的各种主要参数变化，将数据存在存储器中。 而后将存储器的数据通过计算机接口读出，从而得到被测参数随时间变化的曲线。然而 适用于运输包装现场测试的数据记录仪并不多见。 在运输包装环境研究方面，国外一直处于领先地位。1 9 9 9 年由美国5 个大的跨国公 司组成了一个联盟，来共同对付他们所面临的问题：运往中国及在中国国内运输的产品， 一直无法忍受的高破损率。于是，采用真实模拟试验方案开展了“中国项目”，做了大量 的静态和动态测量，至此之后这五个公司根据数据改进了其包装设计，减少了破损，但 没有公布其测试数据。国内还没有进行相关项目的研究。另外，国内出于现实需要，上 海大学，西安理工大学进行过此项目的研究，取得了一定的成果，为我们进行本课题相 关领域的研究奠定了基础，但由于一方面，这些工作还处于研究阶段，另一方面，对测 试信号的采集仅限于跌落高度和运输环境的单向激励，不能1 匕 徊1 i k 好的反映包装件运输过程 中受到的各种负荷，再加上装曼外型尺寸偏大，不利于该产品的推广应用；用户软件开 发的空缺，也给包装设计者提取有用的测试信息带来不便。 在现场测试技术方面，美国l a n s m o n t 公司生产的系列产品具有很强的竞争力，技术 在国际上是领先的。其刚刚推出的s a v e r t m9 x 3 0 运输记录仪，体积只有1 2 7 1 2 4 4 3 m m ，系统共有2 5 个通道，其中9 个动态通道，1 6 个静态通道，可多通道记录与跌落 高度，冲击，车辆运动和振动，温湿度等等相关的数据，采用1 6 位a d ，最大1 0 0 9 测 量范围，相配的软件具有强大的谱分析能力，是当前市场上功能最强大的便携式冲击和 振动环境记录仪。但分析发现，它的存储容量为1 2 8 m ，对数据存储还是有一定的限制， 影响还原效果，另外1 3 万2 的昂贵价格是难以接受的。而典型产品s a v e r3 l 6 0 数据采 集装置也要2 7 6 0 0 元，功能减少很多，仅可以显示和分析量值最大的1 0 0 个动态事件且 不具备气象条件记录功能。我国虽然有较多的机械产品、电器产品和军工用品一直沿用 这种测试方法。但是现场试验水平较低，缺点较多：首先缺乏专门的测试记录装置，对 破损原因很难定量分析，分析时主观性较大；其次，操作人员、操作技术上的差异，导 致测试记录数据相差较大，失去试验结果的客观性、可比性；再加上测试记录项目单一， 同一流通过程常需进行多次单项目测试。包装件流通过程现场测试装置研究已成为我国 包装工程领域急待解决的一个关键课题。 随着计算机技术同新月异的发展以及高速度、高精度a d 转换器的问世，使得开 发价格合理，测试精确的运输包装现场测试与存储装置成为可能。在不久前于上海举行 的第七届电子封装技术国际学术会议( i c e p t 2 0 0 6 ) 上，意法半导体( s t ) 宣布已经促使其 从昂贵而又占据空间的封装向便宜和小型化方向转变。m e m s ( 基于微电子机械系统) 传感器技术近年得到了长足的发展，各种传感器的体积不断减小，性能逐步提高，m e m s 传感器可以实现传统产品更新换代，同时也为存储测试技术插上翅膀，拓宽了其应用领 6 基丁l a b v i e w 的运输环境数据分析系统的研究 域。同时虚拟仪器技术的发展为包装测试这一传统的课题注入了新的血液。把运输包装 现场测试与虚拟仪器技术结合起来具有较高的学术意义和实用价值。 1 4 本课题研究的主要内容 课题研究利用虚拟仪器技术搭建数据采集及分析平台，借助图形化编程l a b v i e w 强大的数字处理与分析功能，开发了运输包装采集器的数据处理及分析系统，研究的主 要任务如下： ( 1 ) 流通环境数据采集 利用单片机或a r m 为核心的数据采集器，记录包装件在公路、铁路、海运、空运 等流通环境中受到的振动、冲击以及流通环境的温湿度状况，并以确定的数据格式保存 在闪存中。 ( 2 ) 测试数据的分析与处理 在实际的测试过程中，由于测试装置的原因，或者是在检测被测量的同时混入了其 它的输入源，测试信号中既包含了被测量的信息，同时也包含了各种干扰噪声。对测试 数据的分析处理就是要研究测试信号的构成与特征值，从测试信号中提取反映被测量的 信息。 本课题研究要完成三类信号的分析处理，温湿度信号的时域分析，冲击、振动信号 的时域分析和频域分析，得到运输包装设计所需的各类曲线和特征数据。 ( 3 ) 测试数据的管理 运输过程的随机性使得一次测试所得的数据，并不能完全反映整个运输过程，因此， 需要将多次测试所得的数据进行分析比较，才能使分析结果更接近实际值。 同时，l a b v i e w 基于数据流的编程方式，也给测试数据的管理带来不便，因此，在 软件设计过程中，在不影响系统运行速度的前提下，要求有对新测试数据的读取，以往 记录的回放的功能。 ( 4 ) 程序主界面的防呆板设计 为方便非专业人士使用，程序界面设计应该简单易懂，不需要说明，用户便能使用。 1 5 本章小结 本章分析了在流通环境中，市场对运输环境数据采集器的需求，阐述了课题提出的 目的和意义，根据国内外数据采集装置产品和研究的现状，针对国内实际，提出了以硬 件数据采集为基础，利用l a b v i e w 实现分析软件，共同组成流通环境现场数据采集、 数据分析与处理系统的设计思想。本课题研究的主要内容是根据硬件记录的测试数据， 利用l a b v i e w 编程语言如何处理分析数据，得到反映流通环境的可靠数据。本章同时 对虚拟仪器技术也进行了简单的介绍。 7 陕两科技大学硕十学位论文 2 系统软件的总体设计 本课题的目的是研究开发出运输环境数据采集器的数据分析处理系统。该系统是将 采集器采集到的信号，通过计算机进行数据读取、显示和数据分析处理。 流通环境现场数据采集、分析系统研究包括两大方面的研究，一是数据采集器硬件 的研究和设计，另一是数据分析软件的开发和设计，计算机通过u s b 接口读取采集器的 记录数据，以文件存取方式实现，统一的表单文件，即将数组数据存储为电子表格文件。 这样，记录数据就是一系列规格化了的文件，记录中产生的大量信息可以方便、快捷的 被分析软件读取。采用电子硬盘也使得该装置的使用灵活方便，在目前任何一台计算机 上都可以顺利的获取信息，通用性强。在本论文中，将重点研究开发出运输环境数据采 集器的数据分析系统，而现场数据记录装置软硬件部分的详细设计由他人完成。 2 1 总体设计思想及方案的选择 根据第一章绪论中客户需求可知，运输包装采集器设计的主要目标是： 记录流通环境中引起产品、货物及包装件等破坏的主要因素； 对记录的数据信号读取并进行分析处理，对流通环境进行还原。 总体设计指导思想为：将流通过程中的主要环境条件简化为冲击、振动、温度、湿 度。在流通过程中，通过记录包装件在流通过程中承受外界负荷时的响应加速度( 上下， 左右，前后) 来体现对应的冲击、振动影响，通过在确定时间间隔连续记录的温度，湿 度信号来反映当时流通环境的气象条件。然后，利用测试所得的数据，进行分析处理， 评价流通环境的严酷程度，以及产品发生破坏的具体地理位置，追溯引起破坏的真实原 因。 系统设计方案主要有两个方向的思路： 方案一：进行现场数据记录，同时对其进行分析，据此结果给出声、光信息，达到 实时监测、反馈、处理的目的； 方案- - - ：仅就现场数据进行详细记录，事后由软件分析研究 方案一要求处理器有很强的运算与分析能力，特别是对于频率谱的分析判断，需要 使用快速傅立叶算法，因此硬件方面应该选用d s p 等高性能器件，软件方面利用 d a t a s o c k e t 技术实现远程数据采集，通过数据发布、共享的方式传送测控数据，可以很 好的完成任务，但使得采集器体积、功耗都难以令人接受，根据本次设计研究对象的分 析，现场的反馈信息不是需求的重点，有条件利用国内应用成熟、产品系列齐全的5 l 系列单片机完成，这样就可以避免因选购相对昂贵的d s p 器件及相关外围电路和开发装 置的费用，降低成本，保证需求。本设计选用方案二。 因此确定系统总体设计方案为：流通环境现场数据采集、分析系统工作时，将数据 8 基于l a b v i e w 的运输环境数据分析系统的研究 采集器置入包装件内，数据采集器是以单片机为核心自动采集湿度，温度，加速度三个 参数，将所采集的参数用时间控制器产生的时间信号控制存入存储器中。待包装件被打 开，取回运输包装采集器，通过数据转换接口连接到微型计算机，微型机计算机取出带 有时标的三个参数的数据集，通过软件输出三个参数随时间变化的曲线，并利用软件强 大的分析功能得出包装设计者所需被测参数随时间变化的曲线，随机振动的功率谱，冲 击的响应谱等。 依据总体设计方案，本研究思路硬件方面拟采用l m 3 $ 8 1 l 微控制器作为系统控制核 心，自动采集湿度、温度、加速度三个参数，将采集记录的数据存入具有较大容量的存 储器中，这里宜选用f l a s hm e m o r y ，因为本数据采集装置工作环境千差万别，设计时必 须考虑数据的安全性，并且工作时间为数天甚至数十天，为避免因电池耗尽或意外掉电， 这样的选择是必须的。传感器检测电路和时问控制器选用技术成熟稳定的产品来实现， 设置数据交换接口，这样构成数据采集装置。软件开发方面利用l a b v i e w 成熟的数据 处理技术，采用结构紧凑、易于读取得数据格式在不同的功能模块间传递数据，选择合 理的运行控制技术对数据的分析处理进行控制，以达到用户程序简洁，易用，运行速度 快的要求。计算机通过u s b 接口读取采集器的记录数据。文件是统一的表单文件，这样 的设计对于运行在p c 机上的数据分析系统而言，现场记录装置采集的数据就可以被作 为标准的电子表格文件来处理，而记录数据就是一系列规格化了的文件，记录中存储的 大量信息可以方便、快捷的被分析软件读取。采用电子硬盘，使得该装置的使用灵活方 便，在目前任何一台计算机上都可以顺利的获取信息，通用性强。在本论文的研究中， 将重点研究数据分析软件的开发和设计。 2 2 流通环境分析 产品在运输流通过程中所经历的一切外部因素统称为流通环境条件【l 刀。流通过程中， 存在因装卸运输工具、路线状况、地域条件、仓储设备的不同，使得产品要受到许多环 境负荷的影响，各种环境变化也很大，但在这诸多环节中，处在包装件内部的产品主要 受到哪些流通环境条件的影响昵? 要对流通环境进行数据采集，首先一个问题就是要对 流通环境条件进行分析。 2 2 1 流通环节 流通环境中，主要的流通环节和影响因素归纳为： 装卸搬运环节：装卸作业中的抛掷、堆垛冲击、装载机械的骤然启停、跌落等都会 对产品造成影响及损坏。 运输环节：由于推车、铲车、汽车、火车、飞机、轮船等各种运输工具对产品造成 影响主要表现在冲击和振动上：大范围的运输气候条件也会对产品造成影响，这包括温 度、湿度、气压以及化学环境等。 9 陕西科技大学硕十学位论文 存储环节：堆码挤压、气候条件。 由此可见流通环境干差万别，产品对不同环境因素的敏感程度也不同，但对处在包 装物内的产品产生主要影响的物理量是加速度、温度和湿度( 工程应用中，一般用振动 加速度来描述振动量级) ，对这三个物理量的检测和记录就是本设计的主要内容。 2 2 2 流通环境的冲击特性 a 装卸时受到的冲击 冲击是一种瞬时的、猛烈的机械振动，即物体在极短的时间内发生很大的加速度变 化或完成突然的能量转化。流通环境中冲击主要发生在垂直向，水平方向冲击较少，主 要发生在运输碰撞和颠簸中发生。冲击可能出现在运输过程中的任何一个环节，最严重 的冲击是出现在搬运环节上。 对于人工装卸而言，最常见的是货物从人肩上或手中跌落。冲击加速度的值取决于 跌落的高度和重量。有些行业经过统计归纳，冲击加速度同包装件的重量有下列关系： 高冲击值： g h = 8 0 1 w 。0 7 0 4 ( 2 1 ) 中冲击值： g m = 2 0 3 w 旬3 0 6 ( 2 2 ) 低冲击值： g l = 5 3 2 w 。0 1 0 0( 2 3 ) 式中： 仁一击加速度； k 包装件重量 据测定，人工装