操作者框架在車輛傳動系旋轉耐久試驗中的研究與應用

蘇全在，胡世廣

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300000；2.中汽研汽車工業工程（天津）有限公司，天津 300000）

汽車驅動橋在汽車行駛過程中承受復雜的載荷，它既要傳遞系統中的扭矩，又要支撐汽車的荷重。驅動橋必須具有足夠的強度、剛度和壽命。因而驅動橋總成及其零部件必須經受嚴格的試驗[1]。研究一種性能好、高精度的汽車傳動系耐久試驗臺非常有必要。

1 試驗臺的構成

傳動系旋轉耐久試驗臺主要由驅動電機、驅動端變速箱、驅動端試件扭矩傳感器、驅動端試件轉速傳感器、驅動端軸承測溫傳感器、負載1驅動電機、負載1端變速箱、負載1端試件扭矩傳感器、負載1端試件轉速傳感器、負載1端軸承測溫傳感器、負載2驅動電機、負載2端變速箱、負載2端試件扭矩傳感器、負載2端試件轉速傳感器、負載2端軸承測溫傳感器、驅動端變速箱油溫控制、負載1變速箱油溫控制、負載2變速箱油溫控制、試件油溫控制、電氣傳動系統、自動化及采集控制系統等構成。試驗臺結構框如圖1所示。

圖1 傳動系旋轉耐久試驗臺結構框

2 操作者框架

整個試驗臺的控制集中在上位機，并使用高級語言編制控制程序。上位機軟件完成驅動電機、負載1電機、負載2電機、4個潤滑系統的溫控、以及其他設備的控制，同時還要進行數據采集和圖形界面顯示。驅動電機、負載1電機、負載2電機均可以工作在速度模式、轉矩開環模式和轉矩閉環模式，每個電機根據具體試驗的要求分別工作在相應的工作模式下以相互匹配。例如在旋轉耐久試驗中，驅動電機工作在轉速模式，負載1電機和負載2電機同時工作在轉矩開環模式或者轉矩閉環模式；但在差速試驗中正好相反，驅動電機工作工作在轉矩閉環或者轉矩開環模式，而負載1電機和負載2電機均工作在轉速模式。試驗臺有的試驗需要同時使用4個電機，但還有一些試驗只使用2臺電機，控制模式較多。4個潤滑站的功能基本相同，均可以完成溫度設定和溫度實時檢測。

根據車橋種類的不同，這種旋轉耐久試驗臺還會出現4電機，6電機等相似結構和功能的試驗臺，同時他們的潤滑溫控系統也會相應增加。設計上位機控制軟件時不但要滿足4電機配置試驗臺，還應為該軟件擴展成4電機，6電機等試驗臺做好準備。

以往的工控機配置的基本都是單核心CPU，為了提高計算機系統的性能，可以提高CPU的主頻和帶寬，這樣會產生各種實際很難處理的問題，比如溫度飆升等。單核CPU性能達到一定程度后，計算速度難以提升。不過現在的工控機基本都配有多核心CPU。線程是CPU處理實際業務的實體，就是說一個CPU在同一時刻只能執行一個線程，需要執行其他線程就必須要把當前的線程“掛”起來，再去執行。要加強程序的計算能力，就需要多創建幾個線程把每個實際的物理CPU都利用起來。舉個簡單的例子，我們有一個8核心的CPU，以查詢字典的方式破解密碼，可創建8個線程，把字典拆成8份，每一個線程運算一份，并行計算。這樣比單核心CPU要快得多。為了提高程序運行速度，不但要提高CPU核心數量和單核CPU性能，而且應用軟件也必須根據多核CPU特性進行多線程設計。以往的文本高級編程語言有的不支持多線程編程，有的雖然支持多線程編程，但開發環境并不友好，對于測試工程師開發難度過大。尋找一種適合測試工程師使用，同時又具有高性能、易擴展、友好的支持多線程編程的編程軟件非常有意義。

Labview是美國國家儀器公司的創新軟件，允許用圖形方式編程，拋棄了晦澀難懂的文本代碼，使得計算機編程不再是少數人的專利。Labview是由測試工程師開發的專用編程語言，主要用于測試測量領域。在Labview編程環境下，使用不同的專用工具包可以覆蓋工業自動化、測量測試、嵌入式應用、運動控制、圖像處理、計算機仿真、FPGA等各種不同的領域[2]。

操作者框架是Labview特有的編程結構，它面向對象，面向多線程，可使擴展性和重復使用得以解決。在拓展功能或者添加其他處理需要復制很多代碼時，操作者框架可以很好地解決這類問題。操作者框架完全基于多線程，可以充分有效利用多核CPU系統的性能。

操作者是Labview類表示某個任務的狀態。所有操作者類都從Labview的操作者類繼承。該類主要由3個部分構成。

（1）操作者的核心程序命名為操作者核心，專門用來定義操作者的連續行為，它定義了操作者的消息處理。該類的子孫類重寫該方法用來顯示操作者的用戶界面、添加并行循環以及啟動嵌套操作者。操作者核心程序作用相當于一個隊列消息處理器。該程序接收并響應系統中其他操作者發送給它的消息和數據。因為操作者是Labview類，所以比傳統的隊列消息處理器更容易重復使用和擴展。（2）操作者的特定方法的程序是Labview類的成員，用來定義操作者。通常每個方法對應操作者可以執行的一個任務。祖先類包含專門設計用于被子孫類重寫的方法。對于響應消息而發生的行為，應首先創建操作者方法，然后創建觸發方法的消息。（3）操作者的消息是一個Labview類，定義了操作者可以接收的指令和能夠作出響應的方式。其他操作者將該消息發送到一個操作者，以便讓操作者調用其中的某個方法。使用操作者框創建應用程序時，一般需要為操作者的所有方法分別定義一個消息。全部消息都從Labview中消息類繼承。盡管消息本身不是操作者的一部分，但用戶一般在定義操作者同時定義了操作者的消息。因為這種緊密的聯系，操作者框架模板將操作者和消息放在同一個項目庫中。通常情況下特定操作者只可把消息發送到調用方操作者或者嵌套操作者。消息是通過隊列發送的，每個操作者可以訪問操作者用來將消息發送至調用方的隊列和操作者用來將消息發送至自身的隊列。為了防止其他操作者釋放其消息隊列，操作者框架引入了待入消息隊列，它是一個引用，只能使操作者發送消息到隊列，但不能執行任何其他操作。

操作者框架通常包括多個彼此獨立而又需要相互通信的任務。操作者之間的通信線路構為樹狀結構。通常在操作者框架的應用程序中，一個子程序啟動一個根操作者。該操作者調用一個或多個嵌套操作者。每個嵌套的操作者可能會啟動屬于它自己的嵌套操作者，依次類推。調用方至操作者的關系和操作者層次樹是操作者框架應用程序的基礎。為減少出錯并提高應用程序的可靠性，操作者框架限制了能夠互相發送消息的操作者。一般情況下，一個操作者只能和它的調用方，或者屬于它自己的嵌套操作者通信。這樣只有一個通信路徑需要管理，很容易寫入代碼，并且可以確保在退出之前保證其他的操作者可以接收到消息，并作出響應。雖然盡量避免在操作者層次樹中建立任何直接通信，但特殊情況下，在層次樹中跨越節點而直接通信可提高性能。

3 應用

使用操作者框架可將通用功能封裝到一個通用操作者中。通用操作者是一個Labview類，本身無法創建實例，無法進行控制測量；但是通用操作者的成員可以從總體上定義需要哪些步驟，每個步驟都和一個成員子程序相關聯。

因為通用操作者是一個類，因此可創建從通用操作者繼承通用操作者功能的子操作者。子操作者獲得父操作者全部功能，同時還會添加子操作者所需的特殊功能，這樣子操作者就可以完成連續測量控制和顯示結果等功能。這種方法將通用功能封裝到通用操作者，從而最大化代碼的重復使用性。

在旋轉試驗臺中，主要被控對象有電機、潤滑站、各種測量設備。本旋轉試驗臺中電機可以作為通用操作者，具有速度控制、轉矩控制、報警功能等。試驗臺中3臺電機分別是驅動電機、負載1電機、負載2電機，3臺電機可分別繼承電機通用操作者從而完成除通用功能外的一些特殊功能。對于潤滑站有的潤滑站帶加熱功能，有的沒有該功能，可以建立潤滑站通用操作者，完成油站起停、溫度控制、流量控制等。4個潤滑站可分別建立4個操作者，每個操作者均繼承自潤滑站通用操作者來完成除通用功能外的其他功能。可以看到，不管是增加、刪除、改變新的類似設備，都可以利用通用操作者，讓代碼重復利用率大幅提高。

4 結語

該上位機控制系統已經運行數月，可以完全滿足車輛傳動系耐久試驗系統要求。該上位機軟件可以很容易地擴展成四電機或者更多電機的類似試驗臺的上位機控制軟件。