嵌入式终端上质量管理控制图的研究与实现

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　　“21世纪是质量的世纪.”产品和服务质量的好坏，已成为企业生存和发展的重要影响因素.统计过程控制即SPC(StatisticalProcessControl)是质量管理中的常用方法，其核心是控制图理论.但目前，在很多企业现场管理中，控制图还没有得到很好应用，究其原因,主要是现有SPC软件系统使用不方便，效率不高.

　　

　　因此，有必要引入迅速发展的嵌入式技术，开发集数据采集和统计分析于一体的可移动的嵌人式统计质量管理器，实现现场质量的在线实时统计管理.而质量控制图作为嵌人式质量管理器的主要功能有必要单独研究.文中主要对嵌人式质量管理器中质量数据的录人、保存和处理以及控制图的生成与显示作重点研究.

　　

　　1.嵌入式终端简介

　　

　　嵌人式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁减、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的计算机系统，已经得到广泛的应用.Linux作为一种源代码公开的可裁减的软件平台系统，具有多任务、多用户、多平台和强大的网络通信功能，正在嵌人式开发领域稳步发展，是发展未来嵌人式产品的绝佳选择.

　　

　　嵌人式质量管理器是实现质量控制图的终端平台,它所采用的MCU是32位的嵌入式专用处理器芯片.终端具有16MB的SDRAM和320x240象素的单色液晶显示屏LCD、键盘、串口与网口、电子盘（用于存储质量数据）和报警器（包括报警灯和蜂鸣器）等，采用uClinux作为嵌入式操作系统,程序的编写采用C语言.嵌人式终端结构图见图1.其中，LCD用于质量数据和控制图以及其它质量信息的显示，数据存储器为32MB的电子盘键盘是用于质量数据的录人和对终端的操作与控制，串口和网口是质量数据自动采集和导出的主要通道，报警器用于质量状况异常报警?

　　

　　2.控制图理论

　　

　　控制图是用来分析和判断工序是否处于稳定状态的一种图形工具.它通过监视生产过程的质量波动状况（即工序是否处于受控状态），来判断并发现工艺过程中的异常因素,它具有稳定生产、保证质量、积极预防的作用.

　　

　　控制图是在平面直角坐标系中，作出三条平行于横轴的线段而形成的.其中，纵坐标表示需要控制的质量特性;横坐标表示按系统取样方式得到的编号.而三条横线是中线（实线）即CL(CentralLine)，上控制界限（虚线）即UCL(UpperCentralLine)和下控制界限(虚线）即LCL(LowerCentralLine).在控制时通过抽样检验，测量质量特性数据，用点描在图上相应的位置，便得到一系列坐标点，将这些点连接起来，就得到一条反映质量特性值波动状况的折线.通过分析折线的形状和变化趋势,以及折线和三条控制线的相互关系,得到工艺过程的状况.

　　

　　控制图中的上、下控制界限是判断工序是否失控的主要依据，控制图的核心问题之一是确定经济合理的控制界限线.当前，我国和大多数工业国家都是根据±3^法来确定上、下控制界限线的.采用3^法确定控制界限时，一般计算公式如下，这些计算公式也是进行数据处理的主要依据：

　　式中4为样本统计量A(幻为-的平均值;?(-)为$的标准偏差.

　　

　　在统计质量管理中常用的控制图主要有计量值控制图和计数值控制图.其中计量值控制图包括平均值与极差控制图G控制图）、中位数与极差控制图(i控制图）、单值与移动极差控制图&控制图）等，计数值控制图包括不合格品率控制图（P图）、不合格品数控制图图）、单位缺陷数控制图（f/图）和缺陷数控制图（C图）等.

　　

　　3.质量数据的录人、保存与处理

　　

　　质量数据是进行统计分析和生成控制图的数据基础,有必要对嵌人式终端上的数据录入、数据的保存形式和相关处理进行必要的研究.

　　

　　质量数据的录人是通过键盘完成的，当键盘有按键按下时，首先将该按键的读取值转换成系统能够识别的ASCII码，并保存在字符串数据中，然后调用字符显示函数将该字符在LCD的指定位置上显示出来.当一个数据录人完毕后，系统调用数据类型转换函数将录人的字符串转换成整数或浮点数，一个数据的录入就完成了.

　　

　　图2是在嵌人式终端上实现的5-/?控制图的质量数据录人与数据浏览时的界面.

　　

　　嵌入式终端采用文件形式保存质量数据.因此,定义合适的数据结构就成为进行数据保存和处理的必然选择，在C语言中，结构体就是一种有效的数据类型.针对不同的控制图类型分别定义的结构体就是进行数据保存和处理的基本单位.

　　

　　通过对样本数据的研究发现，生成控制图所需的样本数据和相关信息都有一定的规律性.以平均值-极差控制图为例,结构体中不仅要具有样本号和保存样本数据的数组的数据项，还要包括样本的基本尺寸和每组数据的平均值与极差以及每组数据的个数.

　　

　　由于平均值-极差控制图和中位数-极差控制图有着类似的数据结构，所以两种控制图采用相同的数据结构.下面是定义的各种控制图的结构体类型的数据结构，依次为平均值（中位数）与极差控制图G控制图或i-/?控制图）、单值与移动极差控制图U-佑控制图）、不合格品数控制图（Pn图）、不合格品率控制图(P图）、缺陷数控制图（C图）和单位缺陷数控制图（f/图）：

　　

　　质量数据的处理主要是计算样本的一系列特征值，以平均值与极差控制图为例，在平均值-极差控制图中需要计算的特征值有每组样本的平均值、极差值、总样本的平均值、标准偏差等以及控制图的中线值和上下控制界限值等.

　　

　　此外,数据的处理还包括控制图的异常判断.控制图的异常判断不是在生成控制图自动完成的，而是对质量数据计算的结果.控制图的判断异常主要是进行数据大小的比较，比如当控制图的点超过控制界限时，就是比较点子所代表的数据与控制界限值的大小完成异常判断的.而异常判定结果就是嵌人式质量管理器发出异常报警的主要依据.

　　

　　4.控制图的生成与显示

　　

　　控制图是质量特征信息的主要表现形式.在嵌人式终端上，控制图的生成是基于保存在文件中的质量数据完成的，而控制图的显示主要是通过调用点绘制函数、直线绘制函数、矩形绘制函数等函数来实现的.下面是其实现的主要方法与步骤.

　　

　　1)首先从数据文件内读出数据.针对每一种控制图数据文件都定义有不同的数据读写函数，这些函数将数据从电子盘的相应数据文件中读入内存.

　　

　　2)控制图坐标系的绘制.在LCD上显示的尺寸是以象素来计算的，LCD的大小为320x240个象素，首先选定点(20，220)作为坐标原点，通过直线绘制函数来绘制坐标系.下面是在LCD上绘制坐标系的源代码：

　　

　　3)控制图的中心线CL、上控制界限UCL和下控制界限LCL的绘制.这些控制界限线是根据数据处理结果完成的.中心线是直接采用绘制一根直线的方式实现的.而UCL和LCL(LCL为0或负值时不绘制）由于是用虚线来表示，它的绘制采用直线段和空格交替的方式实现的.在上下控制界限线的绘制中要考虑控制图的显示比例，因此针对不同的控制图，在LCD上选取一个合适的纵坐标值作为上控制界限或者最大上控制界限计算出纵坐标方向的显示比例.横坐标方向上的显示比例与上面的方法是类似的.这样就解决了控制图的显示比例问题，保证了一张控制图能够完整地显示在LCD上.下面是绘制控制图上下界限的源代码.

　　

　　4)点的绘制.为了在LCD上直观地显现控制图的点，采用以该点为中心绘制一个小正方形来表示一个点的方法实现的.下面是在LCD上打“点”的源代码.

　　5)控制图曲线的绘制.控制图曲线的绘制是将相邻两个坐标的“点”用直线连接起来即可，绘制曲线的源代码见下.

　　

　　下面是在嵌人式终端上实现的S-i?控制图（见图3)，它是从某轧钢厂生产的钢板上测得的100个样本数据并分成20组生成的.

　　

　　通过对嵌人式质量管理器上质量数据的录入、保存与处理和控制图的生成与显示的研究和实现，解决了嵌入式质量管理器中的相关问题，为最终实现现场质量的在线实时统计管理奠定了基础.

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