基于多線程的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)

于思源， 汪 波， 李 陽(yáng)

(1.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710129； 2.蘭州萬(wàn)里航空機(jī)電有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070)

襟縫翼作為飛機(jī)增升裝置，位于機(jī)翼的前緣或后緣。打開(kāi)襟翼，能夠增大翼展面積，使飛機(jī)在起飛、降落等低速過(guò)程中保持較大的升力，從而縮短滑跑距離。同時(shí)，打開(kāi)縫翼也能夠調(diào)整氣流方向，使機(jī)翼保持較大的壓力差和足夠的升力。襟縫翼的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置按照飛行控制系統(tǒng)的工作指令，驅(qū)動(dòng)翼面進(jìn)行展開(kāi)和收回，并向飛行控制系統(tǒng)反饋工作狀態(tài)。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置作為襟縫翼控制系統(tǒng)中的重要組成部分，其可靠性決定了飛機(jī)的飛行安全[1-3]。因此，在設(shè)計(jì)、出廠、使用和返修等多個(gè)環(huán)節(jié)需要對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試過(guò)程需執(zhí)行通信、控制和數(shù)據(jù)采集等多項(xiàng)任務(wù)，從而保證測(cè)試的實(shí)時(shí)性和可靠性。

目前電液加載方式廣泛應(yīng)用于大型動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的測(cè)試中，其具有加載力矩大、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，但存在力矩超調(diào)大、響應(yīng)緩慢、環(huán)境污染大的弊端[4]。在測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用電動(dòng)加載方式，將電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用直接轉(zhuǎn)矩控制策略，將加載力矩作為控制對(duì)象。電動(dòng)加載方式的響應(yīng)時(shí)間短、超調(diào)小，加載力矩穩(wěn)定[5-6]，且工作噪聲小、污染低。在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)能精確快速地跟隨期望力矩曲線，為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置提供穩(wěn)定的負(fù)載。相較于液壓加載系統(tǒng)，電動(dòng)加載方式在測(cè)試中具備較大的優(yōu)勢(shì)。

上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)基于NI(美國(guó)國(guó)家儀器)公司提供的LabWindows/CVI虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabWindows/CVI使用C語(yǔ)言編程，通過(guò)事件觸發(fā)和回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)所需功能[7-8]。與使用圖形編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)工具LabVIEW相比，LabWindows/CVI使的編程方式更為靈活，有利于實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的功能，更適合于大中型復(fù)雜測(cè)控軟件的開(kāi)發(fā)。

在軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)用多線程技術(shù)合理分配系統(tǒng)資源。在不同線程中處理不同任務(wù)，保證了多個(gè)任務(wù)同步進(jìn)行，避免了不同任務(wù)之間的相互影響，提高了軟件的效率，滿足了測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。軟件能夠同步完成控制指令的下發(fā)、加載力矩的給定、供電電源的參數(shù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)的后續(xù)分析與管理等多項(xiàng)任務(wù)。在測(cè)試完成后，可根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)生成結(jié)果報(bào)表進(jìn)行打印，無(wú)須人工抄寫(xiě)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，減輕了操作人員的負(fù)擔(dān)。較傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)而言，本文設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)具有效率高、測(cè)試精度好、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)大、中型測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 硬件平臺(tái)搭建

襟縫翼動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由上位機(jī)分系統(tǒng)、襟縫翼動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、加載平臺(tái)、加載控制柜、傳感器組、信號(hào)調(diào)理模塊等組成。

圖1 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置測(cè)控系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

測(cè)控系統(tǒng)工作時(shí)，上位機(jī)向動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送工作指令，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置按照接收到的工作指令完成指定動(dòng)作，并向上位機(jī)反饋工作狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)時(shí)，上位機(jī)向加載控制柜發(fā)送期望力矩指令，加載控制柜根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)位于加載平臺(tái)的電機(jī)輸出要求的力矩。上位機(jī)采集動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的電源狀態(tài)信息和加載平臺(tái)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、位置信息，對(duì)采集的數(shù)據(jù)和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的反饋信息進(jìn)行分析和處理，將處理后的結(jié)果用于控制或顯示，并根據(jù)用戶需求進(jìn)行存儲(chǔ)。

上位機(jī)分系統(tǒng)由研華工控機(jī)、上位機(jī)軟件和計(jì)算機(jī)板卡組成，通過(guò)發(fā)送工作指令控制測(cè)控系統(tǒng)工作，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和顯示。上位機(jī)軟件提供人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)顯示測(cè)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)并響應(yīng)用戶的操作。加載平臺(tái)分系統(tǒng)由加載電機(jī)、聯(lián)軸器、光電編碼器、智能傳感器和固定裝置組成；霍爾電壓、電流傳感器與頻率傳感器用于監(jiān)測(cè)設(shè)備電源的狀態(tài)。

襟縫翼動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置控制器和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成[9]，文獻(xiàn)[9]介紹了一種襟縫翼動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)。其中控制器用于與襟縫翼飛行控制單元(FSECU)進(jìn)行通信，并控制與檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。襟縫翼控制器和上位機(jī)之間的通信通過(guò)429板卡實(shí)現(xiàn)，采用ARINC429協(xié)議，該協(xié)議具有抗干擾性強(qiáng)、安全性好、可靠性高的特點(diǎn)[10]。襟縫翼控制器接收上位機(jī)的工作指令，依據(jù)制定好的協(xié)議判斷工作指令是否正確，在確認(rèn)收到正確的工作指令后，根據(jù)指令內(nèi)容控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，并向上位機(jī)反饋工作狀態(tài)。

1.2 軟件功能需求

上位機(jī)軟件作為測(cè)控系統(tǒng)的控制中心，需控制測(cè)控系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的工作，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和顯示，并提供人機(jī)交互界面，響應(yīng)用戶的操作。如圖2所示，上位機(jī)軟件需具備以下功能。

圖2 測(cè)試軟件功能需求

① 實(shí)時(shí)控制動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置工作。上位機(jī)軟件需在每一個(gè)指令周期向襟縫翼動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送一次工作指令，并根據(jù)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的當(dāng)前狀態(tài)更新工作指令的內(nèi)容。

② 接收、處理與顯示動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的反饋信息。上位機(jī)軟件需接收動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置上報(bào)的狀態(tài)反饋信息，并保證不遺漏任何信息。在對(duì)反饋信息進(jìn)行分析和處理后，在監(jiān)測(cè)界面顯示動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的當(dāng)前工作狀態(tài)。

③ 實(shí)時(shí)控制加載力矩。在進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)時(shí)，上位機(jī)根據(jù)加載平臺(tái)當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和位置狀態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算期望力矩值，并發(fā)送到加載控制柜。

④ 實(shí)時(shí)繪制實(shí)驗(yàn)圖像。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以時(shí)間為自變量實(shí)時(shí)繪制轉(zhuǎn)矩曲線、轉(zhuǎn)速曲線，并在監(jiān)測(cè)界面實(shí)時(shí)顯示位置信息。

⑤ 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源狀態(tài)。上位機(jī)軟件需對(duì)傳感器所采集的電壓、電流、頻率傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算，在監(jiān)測(cè)界面實(shí)時(shí)顯示電源的狀態(tài)信息。

⑥ 存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。軟件需將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的全部歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，形成數(shù)據(jù)文件。

⑦ 及時(shí)響應(yīng)用戶操作。上位機(jī)需及時(shí)響應(yīng)由鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等產(chǎn)生的用戶事件，及時(shí)滿足用戶的請(qǐng)求。

2 多線程技術(shù)

2.1 單線程與多線程的技術(shù)特點(diǎn)

線程是在進(jìn)程內(nèi)部可獨(dú)立執(zhí)行的基本單元，是操作系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)資源的基本調(diào)度單位。一個(gè)進(jìn)程至少包括一個(gè)線程，稱為主線程。除主線程外，還可在一個(gè)進(jìn)程中添加多個(gè)輔助線程[11-13]。每個(gè)線程獨(dú)立執(zhí)行自身的代碼指令，線程之間可以相互通信，共享同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)部的全局?jǐn)?shù)據(jù)，占用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源。多線程機(jī)制是指在一個(gè)進(jìn)程中存在多個(gè)線程，不同的線程獨(dú)立執(zhí)行不同的任務(wù)。多線程機(jī)制下，不同的代碼能夠并行執(zhí)行，適應(yīng)多任務(wù)同步系統(tǒng)的需要。

如圖3(a)所示，在單線程機(jī)制下，測(cè)控系統(tǒng)的全部功能均由主線程實(shí)現(xiàn)。用戶事件作為一個(gè)高級(jí)別的中斷，將優(yōu)先得到系統(tǒng)響應(yīng)，從而打斷了其他任務(wù)的執(zhí)行，這將造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)遺漏、通信控制間斷，無(wú)法保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和控制的有效性。引入多線程機(jī)制后，應(yīng)用程序具有多個(gè)執(zhí)行不同功能的線程，如圖3(b)所示。在主線程創(chuàng)建、顯示與運(yùn)行用戶界面，在次線程中完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示等任務(wù)。這成功消除了其他功能的運(yùn)行過(guò)程和用戶界面之間的相互影響，避免了系統(tǒng)阻塞。多線程機(jī)制在應(yīng)用程序內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)擴(kuò)展，滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

圖3 單線程、多線程結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)的多線程工作機(jī)制

LabWindows/CVI提供了2種多線程機(jī)制，一是異步定時(shí)器，二是線程池[14]。異步定時(shí)器是一種在程序中適時(shí)生成的定時(shí)器，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)反復(fù)執(zhí)行相同的代碼。線程池相當(dāng)于一個(gè)容器，其中存放和管理多個(gè)線程，每個(gè)線程之間可以相互通信。

2.2.1 異步定時(shí)器機(jī)制

使用異步定時(shí)器的原因有以下兩點(diǎn)。

① 線程分離。異步定時(shí)器使用Windows多媒體線程，其獨(dú)立于主線程外工作。因此，相較于占用主線程資源的普通定時(shí)器而言，它的優(yōu)點(diǎn)是在產(chǎn)生拖曳面板、單擊控件等用戶事件時(shí)，其工作不會(huì)被打斷，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，保證了程序能夠連續(xù)穩(wěn)定的執(zhí)行。

② 高精度。Windows多媒體線程中的定時(shí)器應(yīng)用于音樂(lè)、動(dòng)畫(huà)等的播放，在多媒體應(yīng)用中要求保證播放的流暢度[15]。因此，該定時(shí)器需具備高精度的特性。異步定時(shí)器的最高精度為10 ms，其取決于Windows系統(tǒng)所支持的分別率間隔。文獻(xiàn)[15]介紹了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中對(duì)比了使用不同定時(shí)器完成執(zhí)行相同代碼所耗費(fèi)的時(shí)間，得到了異步定時(shí)器的精度遠(yuǎn)高于普通定時(shí)器的結(jié)論。

工作命令下達(dá)、反饋信息接收與處理是按照固定指令周期執(zhí)行的任務(wù)，每隔固定時(shí)間執(zhí)行一次，適用于在異步定時(shí)器中完成。期望力矩的計(jì)算需結(jié)合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的工作狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)圖像繪制與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄需采用前三項(xiàng)任務(wù)的數(shù)據(jù)，且隨著實(shí)驗(yàn)過(guò)程的結(jié)束而停止，因此也放在異步定時(shí)器中實(shí)現(xiàn)。異步定時(shí)器的使用步驟如下。

① 創(chuàng)建異步定時(shí)器。設(shè)置時(shí)間間隔并傳遞在異步定時(shí)器中所執(zhí)行函數(shù)的名稱。

timerID=NewAsyncTimer (0.03,-1,0,AsyncCB,0);//時(shí)間間隔為30 ms

② 添加異步定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)。該函數(shù)的功能即為異步定時(shí)器所需實(shí)現(xiàn)的功能。

int CVICALLBACK AsyncCB (int reserved,int timerId,int event,void *callbackData,int eventData1,int eventData2)

{

Command_deta();//工作命令下達(dá)子函數(shù)

LoadRef();//力矩指令給定子函數(shù)

AnalysisFeedback();//反饋信息接收與處理子函數(shù)

PlotChart();//圖像繪制子函數(shù)

SaveData();//實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄子函數(shù)

}

③ 使能異步定時(shí)器，開(kāi)始執(zhí)行對(duì)應(yīng)任務(wù)。

SetAsyncTimerAttribute(ansy_panel,ASYNC_ATTR_ENABLED,1);

④ 關(guān)閉異步定時(shí)器，并從程序中刪除異步定時(shí)器。

SetAsyncTimerAttribute(ansy_panel,ASYNC_ATTR_ENABLED,0);

DiscardAsyncTimer (timerID);

2.2.2 線程池機(jī)制

電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)中所監(jiān)測(cè)的電源為交流電源，且需采集多路電流、電壓和頻率信息。傳感器測(cè)量得到的是交流電的瞬時(shí)值，而最終顯示在監(jiān)測(cè)界面上的是交流電的有效值。為了在滿足香農(nóng)采樣定理的前提下，盡可能準(zhǔn)確地計(jì)算出交流電的有效值，每路通道均設(shè)置5000個(gè)采樣點(diǎn)。電源監(jiān)測(cè)任務(wù)中所采集的數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)分析的計(jì)算量大，導(dǎo)致完成該任務(wù)需耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。

若將其放在異步定時(shí)器中執(zhí)行，會(huì)使定時(shí)器實(shí)際的時(shí)間間隔大于設(shè)定的時(shí)間間隔，降低了異步定時(shí)器的精度。因此，單獨(dú)建立一個(gè)輔助線程用于實(shí)現(xiàn)電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)。

異步定時(shí)器只能創(chuàng)建一個(gè)次線程，若在多媒體線程內(nèi)創(chuàng)建多個(gè)定時(shí)器，不同定時(shí)器之間的相互影響會(huì)引入不確定的結(jié)果，也失去了定時(shí)器內(nèi)代碼獨(dú)立執(zhí)行的優(yōu)勢(shì)。若要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)輔助線程，則使用線程池功能。線程池相當(dāng)于一個(gè)容器，其中存放和管理著多個(gè)線程。線程開(kāi)啟后，通過(guò)在while循環(huán)中執(zhí)行相應(yīng)子函數(shù)實(shí)現(xiàn)所需功能。電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)從軟件運(yùn)行后即開(kāi)始執(zhí)行，直到軟件退出才停止執(zhí)行，適合于在while循環(huán)中實(shí)現(xiàn)。線程池的使用方法如下。

① 開(kāi)啟線程池，傳遞要在輔助線程中執(zhí)行函數(shù)的名稱。

CmtScheduleThreadPoolFunction(DEFAULT_THREAD_POOL_HANDLE,ThreadFunction,NULL,&threadID);

② 編寫(xiě)線程池需執(zhí)行函數(shù)的功能。

int CVICALLBACK ThreadFunction (void *functionData)

{

While(1)

{

GatherCVFdata();//采集電量信息子函數(shù)

ProcessCVFdata();//處理計(jì)算采集數(shù)據(jù)子函數(shù)

DisplayCVFdata();//顯示計(jì)算結(jié)果子函數(shù)

}

}

③ 關(guān)閉線程函數(shù)，不需線程函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，可使用該函數(shù)關(guān)閉線程。

CmtWaitForThreadPoolFunctionCompletion(DEFAULT_THREAD_POOL_HANDLE,ThreadID,OPT_TP_PROCESS_EVENTS_WHILE_WAITING);

④ 釋放線程資源，關(guān)閉線程函數(shù)后，應(yīng)釋放線程句柄，使其不再占用資源。

CmtReleaseThreadPoolFunctionID(DEFAULT_THREAD_POOL_HANDLE,ThreadID);

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件運(yùn)行后，首先驗(yàn)證用戶名和密碼完成登錄，在選擇設(shè)備型號(hào)并配置好實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)后，即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)主界面。在主線程中運(yùn)行用戶界面，響應(yīng)用戶的操作。除主線程外，通過(guò)異步定時(shí)器和線程池技術(shù)創(chuàng)建兩個(gè)輔助線程。在測(cè)控系統(tǒng)完成初始化工作后，啟動(dòng)兩個(gè)輔助線程。在異步定時(shí)器中實(shí)現(xiàn)工作指令下發(fā)、期望力矩給定等與實(shí)驗(yàn)的控制和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理相關(guān)的功能。在線程池創(chuàng)建的線程中可實(shí)現(xiàn)電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能。3個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行，分別完成不同的功能，各線程之間相互獨(dú)立，消除了不同任務(wù)之間的影響。系統(tǒng)總體流程如圖 4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的襟縫翼動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置測(cè)控系統(tǒng)的功能，對(duì)某型待交付的襟縫翼驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)標(biāo)幺值處理后，分別繪制轉(zhuǎn)速圖像和轉(zhuǎn)矩圖像。轉(zhuǎn)速圖像中包括測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)量轉(zhuǎn)速和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的上報(bào)轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)矩圖像中包括測(cè)控系統(tǒng)的期望轉(zhuǎn)矩和測(cè)量得到的實(shí)際轉(zhuǎn)矩。

圖5 測(cè)試結(jié)果

如圖5所示，轉(zhuǎn)速波形、轉(zhuǎn)矩波形在任一時(shí)刻均保持同步，不存在丟失數(shù)據(jù)的問(wèn)題。拖曳面板、單擊按鈕等用戶操作不會(huì)干擾程序運(yùn)行過(guò)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

在LabWindows/CVI環(huán)境下，基于多線程技術(shù)開(kāi)發(fā)了襟縫翼動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)。多線程技術(shù)適用于多任務(wù)同步的系統(tǒng)，能夠提高對(duì)CPU的利用率，消除用戶界面操作和程序運(yùn)行過(guò)程的相互影響。滿足測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的關(guān)鍵在于使用了多線程技術(shù)，結(jié)合測(cè)控系統(tǒng)不同功能的特點(diǎn)，分別采用異步定時(shí)器技術(shù)或線程池技術(shù)實(shí)現(xiàn)，取得了較好的結(jié)果。測(cè)控系統(tǒng)工作時(shí)，能夠快速響應(yīng)用戶操作，有效控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程，完整記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本套測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為襟縫翼動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的性能驗(yàn)證工作提供了極大便利。