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作者:游景鈺(2002-07-12);推薦:徐業良(2002-07-12)

防音耳罩測試機台改良設計

防音耳罩舒適性測試包含夾緊力測試、散熱性測試、與密合度測試,在勞委會計畫期間已經完成第一代模組化機台設計,測試機台的各項測試功能皆已完成。本文敘述此測試機台之改良設計,主要改善內容為應用PIC單板電腦取代原A/D轉換卡,使測試機台與個別電腦的資料傳輸與連結更加方便,此外,並將測試軟體整合為三合一軟體介面,使介面簡化並縮短測試時間。

1.     防音耳罩舒適性測試機台簡介

防音耳罩舒適性測試機台如圖1所示,包含架撐模型及控制盒。控制盒中包含了各種測試所需之訊號處理電路,而架撐模型則為放置待測防音耳罩之測量平台,防音耳罩夾緊力、散熱性、與密合度測試所需之感測元件皆整合於架撐模型,測量時不需一測試項目更換而裝卸耳罩,測試訊號傳至電腦,經由電腦程式分析並顯示結果。以下即將依硬體架構逐一介紹。

1. 防音耳罩舒適性測試機台

(1)   傳輸介面與軟體介面

本測試機台將感測器所得之類比訊號轉換為數位訊號,藉由電腦程式分析並顯示結果。在第一代測試機台中,類比數位轉換由PC818H AD/DA轉換卡達成,因此測試設備中所需之電腦必須事先裝置此轉換卡。測試軟體介面係由VB撰寫,每項測試皆有其測試程式,顯示測試結果。

(2)   架撐模型

架撐模型上整合了夾緊力感測模組、散熱性感測與控制模組、密合度測試模組以及頭型調整機構,使單一架撐模型達到三項測試功能,其中夾緊力感測模組包括荷重規裝置,散熱性感測與控制模組包括加熱平板、風扇以及兩組熱電偶,密合度測試模組包括氣流管路。

(3)   夾緊力控制盒

夾緊力控制盒為荷重規原廠附件,用以精準處理荷重規訊號,其上已具有完善的輸出介面,有校準能力並可直接由內建之七段顯示器讀出夾緊力數值。

(4)   散熱性控制盒

散熱性控制盒分為兩個部份,一為恆溫控制部分,一為訊號處理部分,恆溫控制部分的功能在使與耳罩接觸之平板維持攝氏37度,由一PID控制器藉由熱電偶訊號控制加熱平板與風扇而達成,訊號處理部份由另一組熱電偶量測耳殼護蓋內溫度,經過濾波、放大處理後輸出。

(5)   密合度控制盒

密合度控制盒分為兩個部份,一為氣流產生部份,一為氣流感測部分。氣流產生部份的功能在於產生一穩定氣流,經由氣流管路灌入耳罩內,再由氣流感測部分感測流入耳罩前的氣流量與自管路流出耳罩的氣流量,感測耳罩的氣流洩漏率。此控制盒包含一小型空氣幫補,兩個氣流感測器。

2.     第一代測試機台設計改良點探討

第一代測試機台在硬體部份,除傳輸介面外,各項硬體設計與功能皆已完成整合並能符合各項要求,而在軟體測試程序則還有相當大的改良空間,歸納如下:

(1)   硬體連結介面相容性不佳

由於PC818H AD/DA轉換卡為PCI介面,進行測試時,機台需與一部已安裝此轉換卡的電腦連接,使實驗設備的彈性減少。另外,此轉換卡價格昂貴,而機台實際應用的功能也只有A/D部份,應以其他方式取代以降低設備價格並提高測試機台的相容性。

(2)   測試程式未加以整合

第一代機台之測試程式為3個不同的測試軟體,同時間內只能執行一種測試,使得測試的時間冗長,應整合為一測試程式,使各項測試可以同時進行,縮短測試時間。

(3)   電源與開關需手動控制

第一代機台之電源控制設計為手動控制,測試時需與電源連接並開啟各模組電源,其中共有3個開關且有4個電源線需與插座連接,測試程序繁瑣,若能將電源控制整合於測試程式中,自動判斷電源的供給與否,將使測試程序簡化。

3.     測試機台改良設計概念

針對上述第一代測試機台的缺點,歸納出以下改良之設計概念以及實際做法:

(1)   提升測試機台硬體介面之相容性

使用單板電腦取代PC818H轉換卡,達成類比數位轉換功能,並經由RS-232傳輸介面達成測試機台與電腦設備間的溝通,如此測試時將不再需要特定已經安裝PC818H的電腦設備,任何具有RS-232連接埠的電腦設備皆可使用,僅需加裝測試軟體,如此將可成功的提升測試機台的相容性。

本改良設計採用的單板電腦為PIC16F877,如圖2所示,其所須達成的功能為感測器訊號A/D轉換、測試機台啟動與關閉、以及以RS-232介面傳輸訊號等,大部份控制與資料分析功能仍由電腦上的VB測試程式達成。本測試機台中,共需擷取、轉換4組訊號(夾緊力、溫度各一組,密合度兩組),電源啟動共需3組。PIC程式端一開始便由VB端接收指令,依不同指令執行各項功能,其中的功能分為三類:開啟指定之硬體模組、關閉指定之硬體模組、擷取指定訊號並以RS-232傳輸,完成一項指令後,程式將再度接收VB指令,直到測試結束,關閉機台。

2. PIC程式流程圖

(2)   簡化測試機台操作步驟,縮短測試時間

改良設計中將原本的三項測試程式整合,以一主要選單選擇欲進行的測試實驗,由程式啟動所選擇之硬體模組,並同時進行各項測試,縮短整體測試時間。下圖3VB程式流程圖,如圖所示,程式一開始將要求使用者輸入欲進行的實驗項目,傳輸指令至PIC程式端,要求PIC開啟需要的硬體模組、擷取訊號並傳輸至VB程式端,當每一筆訊號完成接收與分析後,重複傳輸要求訊號擷取與傳輸的指令至PIC程式端直到達成終止條件,最後將結果顯示於各測試項目介面上。其中,終止條件在此為各項所選取的實驗完成或者是使用者按下重新開始按鍵。在此改良設計中除VB程式介面改良外,由於PIC16F877輸出之電流不足推動繼電器,須以觸發外部電源方式來控制繼電器,以達到控制硬體模組電源。在軟體訊號擷取部份,為避免4組訊號因取樣時間的誤差而搞混,傳輸時先由VB測試程式傳送要求指令,PIC程式才傳送訊號,並將所得的訊號以廣義變數定義,以供各測試項目表單呼叫使用、及時顯示測試數據。

3. VB測試程式流程圖

4.     測試機台設計改良成果

(1)   硬體介面及測試程式介面改良

設計改良完成後,在電腦設備與硬體模組間增加了PIC程式介面,改變了電源與訊號傳輸的方式,測試機台得以RS-232介面與電腦設備連結,提高了測試機台之相容性。測試程式也改為多重視窗介面,達成同時進行測試功能,圖4為新測試程式介面,程式開啟時會先開啟一主要視窗,供使用者選擇測試項目,依使用者所選取項目開啟測試項目視窗,在結束時顯示測試的數據,而散熱性測試的數值則即時以曲線圖方式顯示。

4. VB測試程式介面圖

(2)   測試程序簡化

藉由程式介面的改良以及電源控制功能,測試程序簡化許多,圖5為改良前後程序比較圖,其中最大的不同在於改良後的測試程式可以同時進行各項測試,人為操控的部份如打開開關、連接電源等已減少許多,成功簡化測試程序,縮短測試時間。

5. 改良前後程序比較圖