一種基于模塊的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

趙 茜 張修建

（1.華北計(jì)算技術(shù)研究所 北京 100083）（2.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 北京 100076）

1 引言

近年來(lái)，隨著型號(hào)研制的不斷深入，地面試驗(yàn)可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集需要研制一種高性能的測(cè)試系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)流程的自動(dòng)化。目前，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)不斷成熟、成本迅速降低，已成為大規(guī)模測(cè)試系統(tǒng)的首選方案［1］。EtherCAT是工業(yè)以太網(wǎng)家族的新成員，它基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，具有靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，全雙工通信，系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸高效，總線利用率高，其數(shù)據(jù)有效率可達(dá)90%以上［2～4］。

為滿足某型號(hào)地面試驗(yàn)的測(cè)試需求，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件及硬件，介紹了基于模塊的測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案和功能實(shí)現(xiàn)，并給出軟件實(shí)現(xiàn)的主要界面。

2 系統(tǒng)總體方案

整個(gè)系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，由傳感器和測(cè)試系統(tǒng)硬件、軟件組成［5］。其中，傳感器主要包括接入試驗(yàn)系統(tǒng)的壓力傳感器、溫度傳感器、電流傳感器等。測(cè)試系統(tǒng)硬件主要包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試單元、擴(kuò)展控制單元和測(cè)控間總控單元。測(cè)試系統(tǒng)軟件安裝于測(cè)控間總控單元的總控計(jì)算機(jī)上，用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、操作控制、反饋控制、數(shù)據(jù)采集、曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放等。

測(cè)試系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。在試驗(yàn)系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試單元主要分為控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊等部分。控制模塊接收來(lái)自試驗(yàn)系統(tǒng)中傳感器信號(hào)和閥芯位置反饋，并通過(guò)控制電磁閥的啟閉實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)流程的自動(dòng)控制。數(shù)據(jù)采集模塊高速、高精度地采集試驗(yàn)過(guò)程中的壓力、溫度、流量、電磁鐵線圈電流等物理量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與控制系統(tǒng)接入同一網(wǎng)絡(luò)，也能通過(guò)以太網(wǎng)和同步線纜連接成為獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。擴(kuò)展控制單元采用與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試單元中控制模塊相同的架構(gòu)，是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試單元的擴(kuò)展，也可單獨(dú)使用。測(cè)控間總控單元以安裝有測(cè)試軟件的總控計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試單元、擴(kuò)展控制單元通信，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)人員在測(cè)控間對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)的工作原理圖

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，總控機(jī)作為主站，能夠通過(guò)EtherCAT以太網(wǎng)接口與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試單元控制模塊中的通訊模塊、擴(kuò)展控制單元控制模塊中的通訊模塊接入同一工業(yè)以太網(wǎng)，形成一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，共同完成系統(tǒng)的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)的采集［6］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件主要提供給試驗(yàn)人員使用，具備良好的人機(jī)交互界面，接收試驗(yàn)人員的設(shè)置和指令，同時(shí)要與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試單元、擴(kuò)展控制單元通信，因此應(yīng)具備相應(yīng)的通信功能模塊，還要使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試單元和擴(kuò)展控制單元按照接收的指令對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)或其他試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集，這要求軟件不但具備相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)模塊，還要具備相應(yīng)的控制和數(shù)據(jù)采集功能，能夠同步控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多臺(tái)設(shè)備同步控制和采集，按照等時(shí)間間隔、時(shí)序、壓力反饋?zhàn)詣?dòng)控制電磁閥的啟閉［7］。

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件須具備基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信、控制和數(shù)據(jù)采集功能，具體功能細(xì)化如下：

1）參數(shù)設(shè)置功能

參數(shù)設(shè)置包括數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置和控制參數(shù)設(shè)置兩部分。在數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置功能下，可以靈活設(shè)置傳感器通道及相應(yīng)的信號(hào)輸入類型，可自由設(shè)置采樣率，調(diào)用傳感器相關(guān)參數(shù)；在控制參數(shù)設(shè)置功能下，可以設(shè)置控制通道與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)應(yīng)，控制方式是手動(dòng)、時(shí)序還是壓力反饋，以及不同控制方式下的控制參數(shù)等。

2）數(shù)據(jù)顯示功能

用于實(shí)時(shí)顯示各通道對(duì)應(yīng)的測(cè)量曲線，同時(shí)要定時(shí)更新顯示相應(yīng)通道的數(shù)值，此數(shù)值要以數(shù)字型式顯示在軟件界面上，將控制歷程和采集到的數(shù)據(jù)以通用格式（TDMS文件）進(jìn)行存儲(chǔ)。

3）控制功能

控制功能主要有兩部分：一是對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多臺(tái)設(shè)備同步控制和同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，二是手動(dòng)或按照等時(shí)間間隔、時(shí)序、壓力反饋?zhàn)詣?dòng)控制電磁閥、氣控閥的啟閉。

4）數(shù)據(jù)分析功能

用于讀取已保存過(guò)的數(shù)據(jù)文件，對(duì)該數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)回讀和曲線顯示，對(duì)回放的曲線可以進(jìn)行放大、縮小等操作，從而更具針對(duì)性地觀察和分析比較感興趣的數(shù)據(jù)段。

5）數(shù)據(jù)通信功能

具備通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸控制指令和采集模塊采集數(shù)據(jù)的功能，以安裝有TwinCAT軟件的總控計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試單元、擴(kuò)展控制單元通信，并通過(guò)ADS與LabVIEW人機(jī)界面程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，共同完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制［8］。

6）硬件驅(qū)動(dòng)功能

測(cè)試系統(tǒng)軟件需要具備控制和數(shù)據(jù)采集功能，兩種功能都屬于軟硬件相結(jié)合才能完成的功能，因此具備基于控制和數(shù)據(jù)采集模塊的硬件驅(qū)動(dòng)程序，使軟硬件正常地工作，同時(shí)要防止兩種硬件驅(qū)動(dòng)程序的互擾［9］。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件主要由試驗(yàn)配置模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、傳感器管理模塊和數(shù)據(jù)通信模塊組成，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

1）試驗(yàn)配置模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)配置模塊用來(lái)設(shè)置本次試驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)需要記錄本次試驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)信息，主要包括項(xiàng)目信息讀取、參數(shù)讀取、項(xiàng)目信息設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)保存模塊。

試驗(yàn)配置模塊主要用來(lái)設(shè)置本次試驗(yàn)的項(xiàng)目信息和參數(shù)，以記錄本次試驗(yàn)項(xiàng)目信息，修改各個(gè)通道的參數(shù)，如輸入信號(hào)類型、量程、靈敏度、校驗(yàn)有效期等相關(guān)參數(shù)信息，自由設(shè)置采集或控制頻率和通道的啟用狀態(tài)，所有通道設(shè)置完畢即可保存形成本次試驗(yàn)的配置文件；根據(jù)測(cè)量任務(wù)的實(shí)際情況，修改某個(gè)通道的開啟狀態(tài)或其它參數(shù)，完成本次試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置，并保存形成新的配置文件，從而省去了手動(dòng)輸入的麻煩。

2）控制模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制模塊主要由同步控制、反饋控制和過(guò)程控制模塊組成。同步控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多臺(tái)設(shè)備同步控制，并可以保證數(shù)據(jù)的同步采集；反饋控制是按照等時(shí)間間隔、時(shí)序、采集的壓力等反饋的數(shù)據(jù)來(lái)自動(dòng)控制電磁閥、調(diào)節(jié)閥和加熱器等部件的執(zhí)行，同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中伴隨著壓力、流量、電流和溫度等信號(hào)的采集，反饋控制有相對(duì)獨(dú)立的用戶界面；過(guò)程控制模塊用于控制數(shù)據(jù)采集的參數(shù)加載、啟動(dòng)、停止、同步和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。

3）數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊由參數(shù)讀取、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保存模塊組成。參數(shù)讀取模塊負(fù)責(zé)讀取試驗(yàn)配置文件中的各項(xiàng)參數(shù)。數(shù)據(jù)顯示模塊能夠顯示采集到的壓力、流量、電流和溫度等信號(hào)，可以實(shí)時(shí)顯示所選通道的信號(hào)曲線和相應(yīng)的數(shù)值；當(dāng)多個(gè)通道被選擇時(shí)，會(huì)顯示每個(gè)通道的采集數(shù)據(jù)和曲線，可以看到多條曲線同時(shí)顯示。數(shù)據(jù)保存模塊負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為TDMS文件，并能記錄采集數(shù)據(jù)的時(shí)間。

4）數(shù)據(jù)分析模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析模塊包含數(shù)據(jù)回放、分析處理和數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊。在數(shù)據(jù)分析模塊中，可以選擇已經(jīng)保存的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和回放，在界面上有專門的區(qū)域顯示該段數(shù)據(jù)的曲線，可以選擇顯示的通道，方便進(jìn)行不同通道之間數(shù)據(jù)的比較；可以對(duì)曲線進(jìn)行放大、縮小等操作，可自動(dòng)求出數(shù)據(jù)曲線段的平均值、最大值和最小值，進(jìn)以方便用戶觀察并分析感興趣的數(shù)據(jù)。

5）傳感器管理模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器管理模塊由數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)修改和數(shù)據(jù)保存模塊構(gòu)成。在此模塊中可以錄入并保存不同傳感器的各項(xiàng)參數(shù)，方便管理和查閱；可以設(shè)置不同的查詢條件，查詢出滿足條件要求的傳感器信息，以供用戶調(diào)用或修改。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)流圖

6）數(shù)據(jù)通信模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)通信模塊主要保證接入工業(yè)以太網(wǎng)或者以太網(wǎng)中的設(shè)備的檢測(cè)、連接和通信，保證同步線纜連接的設(shè)備相互間的同步控制［10］。測(cè)控間總控單元以安裝有TwinCAT軟件的總控計(jì)算機(jī)為主站，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試單元的通訊模塊、擴(kuò)展控制單元的通訊模塊接入同一工業(yè)以太網(wǎng)，形成一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，控制與數(shù)據(jù)采集并網(wǎng)同步進(jìn)行，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制。

3.3 軟件數(shù)據(jù)流圖

測(cè)試系統(tǒng)軟件內(nèi)部和外部的數(shù)據(jù)流向如圖3所示，軟件內(nèi)部各個(gè)模塊之間的控制流和數(shù)據(jù)流向有單向和雙向之分，最終的測(cè)量控制數(shù)據(jù)和配置參數(shù)都存儲(chǔ)在相應(yīng)的文件中。測(cè)試系統(tǒng)軟件與外部的硬件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和控制，保證數(shù)據(jù)的采集、輸出和硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟閉。

4 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試單元、擴(kuò)展控制單元和測(cè)控間總控單元組成，主要選用的是德國(guó)Beck?hoff公司系列產(chǎn)品。另外，對(duì)傳感器供電采用電源隔離模塊進(jìn)行有效隔離，擺脫各通道之間的信號(hào)干擾。控制模塊用于接收來(lái)自試驗(yàn)系統(tǒng)中傳感器信號(hào)和閥芯位置反饋，并通過(guò)同步控制、反饋控制和過(guò)程控制等模塊實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)流程的自動(dòng)控制。數(shù)據(jù)采集模塊主要完成對(duì)于試驗(yàn)系統(tǒng)中壓力、溫度、電流、流量等物理量的高速、高精度地?cái)?shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。

為了有效地保證系統(tǒng)硬件通信的可靠性并結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要，整個(gè)軟件設(shè)計(jì)分為TwinCAT和LabVIEW兩部分，分別作為底層控制程序和上層人機(jī)界面程序。TwinCAT是基于變量對(duì)Beckhoff控制器硬件編程的，TwinCAT PLC Control軟件負(fù)責(zé)控制主站/從站EtherCAT通訊，并通過(guò)ADS與Lab?VIEW人機(jī)界面程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊［11～12］。人機(jī)界面程序采用NI圖形化的編程環(huán)境LabVIEW實(shí)現(xiàn)，界面友好、美觀、操作簡(jiǎn)便。LabVIEW獨(dú)特的圖形化開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)化了與所有測(cè)量設(shè)備的接口，其具備的交互式助手、代碼生成以及與數(shù)千種設(shè)備的連接等特性，極大地簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集。另外，NI還提供了對(duì)于第三方軟件的驅(qū)動(dòng)支持。LabVIEW的這些特點(diǎn)使整個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有良好的靈活性和可擴(kuò)展性。

軟件的部分界面見圖4、圖5所示。可以看到首界面的左側(cè)提供了5個(gè)按鈕，通過(guò)點(diǎn)擊不同的按鈕可進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)軟件的“試驗(yàn)配置”、“設(shè)備控制”、“采集顯示”、“數(shù)據(jù)分析”和“傳感器管理”等功能模塊。

圖4 軟件主界面

圖5 測(cè)試系統(tǒng)采集界面

5 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建了完整的基于模塊構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)。整個(gè)系統(tǒng)是基于Ether?CAT工業(yè)以太網(wǎng)建立采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并網(wǎng)同步進(jìn)行及試驗(yàn)流程的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行后，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)和控制效果，傳輸數(shù)據(jù)可靠，滿足型號(hào)試驗(yàn)的測(cè)試需求。

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