帶上位機(jī)軟件曲線圖分析的微型數(shù)顯推拉力計(jì)

帶上位機(jī)軟件曲線圖分析的微型數(shù)顯推拉力計(jì)設(shè)計(jì)方案

一、產(chǎn)品概述

成都精炬達(dá)電子科技有限公司生產(chǎn)的這款帶微型數(shù)顯推拉力計(jì)是一款集成了高精度傳感檢測(cè)、數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與上位機(jī)分析功能的便攜式力學(xué)檢測(cè)設(shè)備，主要面向小量程推力、拉力測(cè)試場(chǎng)景，能夠完成實(shí)時(shí)力值顯示、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)配套上位機(jī)軟件生成力值變化曲線圖，支持力值變化趨勢(shì)分析、峰值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、測(cè)試報(bào)告導(dǎo)出等功能，滿足工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)、科研院校實(shí)驗(yàn)、精密零部件性能測(cè)試等多個(gè)領(lǐng)域的使用需求。

相較于傳統(tǒng)指針式推拉力計(jì)與普通數(shù)顯推拉力計(jì)，本產(chǎn)品在保持微型化便攜優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，新增了上位機(jī)數(shù)據(jù)可視化分析能力，解決了傳統(tǒng)設(shè)備無(wú)法記錄力值變化過(guò)程、無(wú)法開(kāi)展后續(xù)趨勢(shì)分析的痛點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)更小的體積設(shè)計(jì)，適配狹窄空間內(nèi)的力學(xué)測(cè)試場(chǎng)景，填補(bǔ)微型推拉力計(jì)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析功能的市場(chǎng)空白。

二、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 硬件整體架構(gòu)

本產(chǎn)品硬件系統(tǒng)分為五個(gè)核心模塊，分別是力學(xué)傳感模塊、信號(hào)調(diào)理與AD采集模塊、主控處理模塊、顯示交互模塊、通訊傳輸模塊，各模塊功能銜接如下：力學(xué)傳感模塊將受到的推力或拉力轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大與濾波處理，AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給主控單元，主控單元完成數(shù)字信號(hào)校準(zhǔn)、力值計(jì)算后，將實(shí)時(shí)力值輸出到數(shù)顯屏幕，同時(shí)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)軟件，完成后續(xù)的曲線圖分析。

2.2 外觀與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為微型推拉力計(jì)，本產(chǎn)品整體外形設(shè)計(jì)為圓柱形手持式結(jié)構(gòu)，主機(jī)直徑設(shè)計(jì)為35mm，總長(zhǎng)度120mm，重量控制在150g以內(nèi)，適配單手操作與狹窄空間測(cè)試需求，測(cè)試端頭采用可更換設(shè)計(jì)，支持拉伸鉤、壓縮壓頭、夾具等多種端頭配件更換，適配不同測(cè)試場(chǎng)景的需求。機(jī)身采用高強(qiáng)度ABS工程塑料外殼，表面做防滑紋理處理，底部設(shè)計(jì)Type-C充電與數(shù)據(jù)傳輸接口，側(cè)面設(shè)置三個(gè)實(shí)體按鍵，分別為開(kāi)機(jī)清零鍵、峰值保持鍵、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)鍵，操作邏輯簡(jiǎn)單便捷。

三、核心硬件選型與設(shè)計(jì)

3.1 力學(xué)傳感模塊

本產(chǎn)品針對(duì)微型化設(shè)計(jì)需求，選用微型輪輻式應(yīng)變式壓力傳感器，傳感器量程覆蓋0~50N、0~100N、0~500N三個(gè)常用規(guī)格，精度等級(jí)達(dá)到0.5級(jí)，非線性誤差小于±0.3%FS，靈敏度為1.0±0.1mV/V，傳感器整體尺寸設(shè)計(jì)為直徑20mm、厚度8mm，能夠嵌入主機(jī)機(jī)身，不會(huì)增加產(chǎn)品整體體積，應(yīng)變片采用高精度金屬箔式應(yīng)變片，溫度漂移小于0.02%FS/℃，長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于0.03%FS/年，能夠保證長(zhǎng)期測(cè)試的精度穩(wěn)定性。

3.2 信號(hào)調(diào)理與AD采集模塊

由于應(yīng)變式傳感器輸出的信號(hào)為毫伏級(jí)弱信號(hào)，因此需要進(jìn)行信號(hào)放大處理，本設(shè)計(jì)選用低噪聲儀表放大器AD8221，該放大器增益可調(diào)范圍為1~1000，共模抑制比高達(dá)120dB，能夠有效抑制環(huán)境共模干擾，將傳感器輸出的mV級(jí)信號(hào)放大到0~3.3V范圍內(nèi)，適配AD采集的輸入范圍。AD轉(zhuǎn)換模塊選用16位高精度SAR型ADC芯片ADS1115，轉(zhuǎn)換分辨率達(dá)到16位，支持連續(xù)采樣，采樣速率最高可達(dá)860SPS，滿足推拉力測(cè)試過(guò)程中力值變化的動(dòng)態(tài)采集需求，該芯片內(nèi)置可編程增益放大器與電壓參考源，不需要額外設(shè)計(jì)外圍參考電路，進(jìn)一步縮小了硬件電路板的尺寸。

3.3 主控與存儲(chǔ)模塊

主控單元選用低功耗32位單片機(jī)STM32G030，該芯片采用Cortex-M0+內(nèi)核，最高工作頻率64MHz，內(nèi)置16KB RAM與64KB Flash，滿足本產(chǎn)品的運(yùn)算與存儲(chǔ)需求，芯片支持多種低功耗模式，待機(jī)電流低于1μA，能夠有效延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，單片機(jī)內(nèi)置Flash可存儲(chǔ)1000組測(cè)試數(shù)據(jù)，同時(shí)支持外接SPI Flash存儲(chǔ)芯片，可擴(kuò)展存儲(chǔ)容量到10000組以上，滿足大量連續(xù)測(cè)試的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

3.4 顯示與交互模塊

顯示模塊選用1.3寸OLED液晶顯示屏，分辨率為128×64，對(duì)比度高，在強(qiáng)光環(huán)境下依然能夠清晰讀數(shù)，屏幕顯示區(qū)域占據(jù)機(jī)身正面大部分區(qū)域，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前力值、峰值、單位、電池電量四個(gè)核心信息，清晰直觀。交互模塊采用三個(gè)實(shí)體輕觸按鍵，分別實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)、力值清零、峰值保持/取消、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)四種功能，操作邏輯簡(jiǎn)潔，不需要復(fù)雜學(xué)習(xí)即可上手使用。

3.5 電源與通訊模塊

電源模塊選用3.7V可充電鋰電池，容量為300mAh，充滿電后可支持連續(xù)工作12小時(shí)以上，滿足日常外出測(cè)試需求，內(nèi)置TP4056充電管理芯片，支持Type-C接口充電，充滿電自動(dòng)停止充電，具備過(guò)充過(guò)放保護(hù)功能。通訊模塊選用Type-C轉(zhuǎn)USB虛擬串口方案，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)置USB功能實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的有線通訊，通訊速率最高可達(dá)115200bps，能夠?qū)崟r(shí)將采集到的力值數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，同時(shí)支持上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送校準(zhǔn)指令、參數(shù)設(shè)置指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的遠(yuǎn)程配置。

四、下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序流程

下位機(jī)軟件主程序流程分為初始化、按鍵掃描、數(shù)據(jù)采集、力值計(jì)算、顯示更新、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸六個(gè)環(huán)節(jié)：設(shè)備開(kāi)機(jī)后首先完成系統(tǒng)時(shí)鐘、ADC、IO口、顯示、通訊模塊的初始化，隨后進(jìn)行傳感器零點(diǎn)校準(zhǔn)，將當(dāng)前空載狀態(tài)的力值作為零點(diǎn)存儲(chǔ)，之后進(jìn)入主循環(huán)，依次掃描按鍵狀態(tài)，根據(jù)按鍵操作執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能，完成一次數(shù)據(jù)采集與濾波處理，計(jì)算得到當(dāng)前力值，更新顯示屏上的力值與狀態(tài)信息，如果觸發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或者上位機(jī)實(shí)時(shí)傳輸指令，則將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地Flash或者通過(guò)USB串口發(fā)送給上位機(jī)，完成一輪循環(huán)后進(jìn)入下一次采集。

4.2 數(shù)據(jù)處理算法

為了提高力值測(cè)試的穩(wěn)定性，下位機(jī)軟件加入了多級(jí)濾波處理：首先對(duì)ADC采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波，取連續(xù)10次采集數(shù)據(jù)的平均值作為原始濾波結(jié)果，然后剔除濾波結(jié)果中的最大與最小值，再次取平均值，有效抑制脈沖干擾與工頻干擾，最后通過(guò)線性校準(zhǔn)算法對(duì)力值進(jìn)行溫度補(bǔ)償與非線性校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)參數(shù)存儲(chǔ)在單片機(jī)Flash中，根據(jù)不同傳感器的標(biāo)定參數(shù)計(jì)算得到最終的精確力值，保證測(cè)試精度。

4.3 核心功能實(shí)現(xiàn)

· 實(shí)時(shí)力值顯示：默認(rèn)模式下實(shí)時(shí)更新當(dāng)前測(cè)試力值，刷新頻率為10Hz，保證力值變化顯示流暢；

· 峰值保持功能：按下峰值保持鍵后，自動(dòng)鎖定測(cè)試過(guò)程中的最大力值，屏幕顯示峰值數(shù)據(jù)，再次按下取消峰值保持，返回實(shí)時(shí)顯示；

· 本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)：按下存儲(chǔ)鍵后，將當(dāng)前峰值或者實(shí)時(shí)力值存儲(chǔ)到本地Flash，最多可存儲(chǔ)1000組數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)完成后屏幕提示存儲(chǔ)成功；

· 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳：連接上位機(jī)后，可開(kāi)啟實(shí)時(shí)上傳模式，將采集到的力值數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)，數(shù)據(jù)上傳頻率可通過(guò)上位機(jī)設(shè)置，最高支持10Hz上傳；

· 離線數(shù)據(jù)導(dǎo)出：本地存儲(chǔ)的測(cè)試數(shù)據(jù)可隨時(shí)通過(guò)上位機(jī)導(dǎo)出，導(dǎo)出完成后可清空本地存儲(chǔ)，準(zhǔn)備下一批次測(cè)試。

五、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

5.1 整體功能架構(gòu)

上位機(jī)軟件基于Windows平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，整體分為四個(gè)功能模塊：串口通訊模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、曲線圖分析模塊、報(bào)告導(dǎo)出模塊，軟件支持Windows 7/8/10/11全版本系統(tǒng)，安裝包體積小于10MB，安裝過(guò)程簡(jiǎn)單，不需要配置額外環(huán)境。

5.2 核心功能實(shí)現(xiàn)

（1）串口通訊功能

軟件啟動(dòng)后自動(dòng)掃描電腦端可用串口，用戶選擇對(duì)應(yīng)串口后，設(shè)置通訊波特率等參數(shù)，即可完成與推拉力計(jì)的連接，連接成功后可實(shí)時(shí)接收推拉力計(jì)發(fā)送的力值數(shù)據(jù)，也可以向下位機(jī)發(fā)送校準(zhǔn)命令、參數(shù)設(shè)置命令、數(shù)據(jù)導(dǎo)出命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

（2）數(shù)據(jù)管理功能

上位機(jī)軟件支持兩種數(shù)據(jù)獲取方式，一種是實(shí)時(shí)采集模式，即連接下位機(jī)后實(shí)時(shí)采集力值數(shù)據(jù)，另一種是離線導(dǎo)出模式，即將下位機(jī)本地存儲(chǔ)的測(cè)試數(shù)據(jù)批量導(dǎo)出到上位機(jī)，所有采集到的數(shù)據(jù)都會(huì)存儲(chǔ)在上位機(jī)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，用戶可以創(chuàng)建不同的測(cè)試項(xiàng)目，對(duì)不同批次的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，支持按測(cè)試時(shí)間、測(cè)試項(xiàng)目名稱搜索查詢歷史數(shù)據(jù)。

（3）曲線圖分析功能

曲線圖分析是本產(chǎn)品的核心功能，軟件接收到實(shí)時(shí)力值數(shù)據(jù)后，會(huì)自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)更新的力值-時(shí)間曲線圖，X軸為測(cè)試時(shí)間，Y軸為當(dāng)前力值，曲線圖支持手動(dòng)縮放、拖拽查看，能夠清晰展示測(cè)試過(guò)程中力值的變化趨勢(shì)，軟件自動(dòng)識(shí)別測(cè)試過(guò)程中的峰值、谷值，在曲線圖上自動(dòng)標(biāo)記出關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)與數(shù)值，用戶也可以手動(dòng)添加標(biāo)注，記錄測(cè)試過(guò)程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息。

針對(duì)批量測(cè)試場(chǎng)景，軟件支持多組測(cè)試數(shù)據(jù)的曲線圖疊加顯示，將同一批次多個(gè)樣品的測(cè)試曲線放在同一個(gè)坐標(biāo)系中，方便用戶對(duì)比不同樣品的力值變化差異，分析產(chǎn)品性能的一致性，同時(shí)支持計(jì)算曲線的面積、平均力值、最大力值、最小力值等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)表格。

（4）數(shù)據(jù)導(dǎo)出與報(bào)告生成功能

測(cè)試完成后，用戶可以將曲線圖導(dǎo)出為PNG、JPG等圖片格式，也可以將所有測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel格式的表格，方便用戶后續(xù)進(jìn)行二次分析，軟件支持生成標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試報(bào)告，報(bào)告包含測(cè)試項(xiàng)目信息、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試參數(shù)、曲線圖、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等內(nèi)容，用戶可以自定義報(bào)告抬頭與logo，適配不同企業(yè)的文檔規(guī)范，報(bào)告可導(dǎo)出為PDF格式直接打印。

六、產(chǎn)品性能參數(shù)

七、適用場(chǎng)景

本產(chǎn)品主要適用場(chǎng)景包括：小型電子零部件插拔力測(cè)試、精密彈簧拉壓性能測(cè)試、小型五金件鉚接拉力測(cè)試、科研實(shí)驗(yàn)中小力值力學(xué)性能測(cè)試、醫(yī)療器械組件力值檢測(cè)、電子產(chǎn)品按鍵按壓力測(cè)試等多個(gè)領(lǐng)域，微型化的體積設(shè)計(jì)適配產(chǎn)線在線檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)室小空間測(cè)試等場(chǎng)景，上位機(jī)曲線圖分析功能滿足研發(fā)過(guò)程中對(duì)力值變化過(guò)程的分析需求，幫助研發(fā)人員直觀掌握產(chǎn)品力學(xué)性能的變化規(guī)律。

帶上位機(jī)軟件曲線圖分析的微型數(shù)顯推拉力計(jì)