基于WinForm的變速箱電磁閥測試系統軟件設計與實現

譚光興 戚秋晨

摘 要：變速箱電磁閥是汽車重要的零部件之一，其性能好壞直接影響換擋平滑與否，因此變速箱電磁閥的性能測試有著重要意義。為提高變速箱電磁閥測試的可視化程度，提出了一套變速箱電磁閥測試軟件。在.NET Framework 4.8環境下，基于WinForm技術進行軟件設計實現了電磁閥測試的數據采集、串口傳輸與測試過程可視化，并利用相關控件對性能參數自動繪制波形。通過對軟件的相關功能進行測試，證明該測試軟件功能運行穩定，滿足了變速箱電磁閥測試的需求。

關鍵詞：WinForm；電磁閥；上位機測試軟件；變速箱

中圖分類號：TP271.31 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.02.012

0 引言

近年來，隨著我國居民汽車保有量大幅度增長，汽車零部件再制造行業也迎來了高速發展。國家發改委等八部委印發《汽車零部件再制造規范管理暫行辦法》，要求立足我國汽車零部件再制造行業發展實際，對再制造企業規范條件、舊件回收管理、再制造生產管理、再制造產品管理、再制造市場管理、監督管理等方面作出要求。汽車零部件再制造是指用現有的機械加工技術對回收的汽車零部件進行加工修復，或使用新的零部件對一些不可修復的部分零部件進行替換，使原已報廢的產品實現產品使用性能的恢復或達到再次使用標準的性能參數[1]。為了確保再制造變速箱電磁閥的質量，在出廠前，廠家需要對其進行性能測試。傳統的測試需要檢測者通過人眼去觀察一系列儀表動態并手動記錄，或是通過拍照來記錄，這樣對測試信息的動態捕捉存在一定誤差，并且很難對測試過程進行重要信息記錄。因此，設計一套自動化程度高的測試系統具有重要意義。

文獻[2]根據使用相應采集技術采集到的高壓共軌柴油機噴油電磁閥的實時電流值來提取電流特征，再根據電流特征對電磁閥的工作狀態做出判斷，判斷電磁閥是處于正常還是短路或者斷路故障，最后使用CPLD（復雜可編程邏輯器件），以只包含硬件的方式設計了電磁閥故障檢測系統。該系統對電磁閥實時電流進行直接采集，根據電磁閥驅動電流來判斷電磁閥是否故障，但測試過程難以記錄，不利于技術員操作。文獻[3]提出了一種基于模型和數據驅動的故障檢測方案，此種方案中的電磁閥檢測是在不同的制動過程中實現的，同樣也是采集電磁閥的驅動電流，用驅動電流的大小判斷電磁閥的狀態。基于模型的電磁閥檢測方法在瞬態運行、元件退化和測量誤差方面具有很好的效果，但是，該方法計算復雜度高，很難快速得出電磁閥的性能參數，導致應用中的效率不高；其次，這種測試方法也難以捕捉過程測試走向，對測試環境的硬件要求很高。

對此，本文在液壓回路的基礎上設計了一個變速箱電磁閥液壓測試系統，該系統通過壓力傳感器對待測電磁閥的溫度、輸入壓力、輸出壓力、流量等多種參數進行實時采集[4]，通過變頻器對其輸出端壓力進行控制，通過WinForm設計上位機軟件實現測試過程記錄及結果保存[5]。

1 測試平臺組成與工作原理

1.1 測試平臺組成

變速箱電磁閥測試系統主要由三大部分組成，分別是上位機軟件、數據采集電路以及試驗臺。上位機軟件運行在本地計算機上，能夠在Windows10版本系統上穩定運行。電磁閥測試系統在完成單個型號的電磁閥測試后會生成測試結果，存儲在指定文件夾下。待測電磁閥放置在試驗臺上，數據采集電路通過多個傳感器采集目標量并以串口通信的方式傳輸到上位機。該系統的組成以數字化技術及信息化技術為支撐，能滿足電磁閥測試的各種復雜工況，同時提高了測試的自動化程度及測試效率[6]。變速箱電磁閥測試平臺如圖1所示。

1.2 工作原理

電磁閥液壓系統原理如圖2所示。液壓系統的運行是以電機為驅動，使得油箱里的液壓油經過液壓泵加壓后流向直動式溢流閥，再經過直動式溢流閥定壓溢流之后流向壓力調節閥，在這里可以通過外接穩壓電源來對流過壓力調節閥的電流進行調節，以此達到調節其輸出端壓力大小的作用。在工裝臺的正確位置裝入被測試的電磁閥，在其入口處和出口處分別接有壓力傳感器，油液最后經過壓力傳感器（10）流回油箱中，形成一個完整的回路。系統將標準電磁閥得到的IP特性曲線設置為參考標準，然后將此類型中剩下的電磁閥得到的IP特性曲線與之進行對比[7]。

2 測試平臺上位機軟件設計

2.1 系統功能總體設計

軟件具有與下位機通信的功能，可采集各種目標參數，測試數據保存到本地數據庫，并記錄日志用于問題分析。圖3所示為上位機軟件設計框架，界面設計扁平化，具有良好的人機交互體驗[8]。

2.2 串口監視流程設計

通過System.IO.Ports.SerialPort類實現串口通信。首先調用靜態方法GetPortNames（ ）獲取下位機的串行端口。根據獲取的串口名稱初始化SerialPort對象，設置參數，調用Open（ ）方法打開串口。若采用輪詢的方式來接收數據會比較浪費時間，同時也會造成線程堵塞。采用DataReceived事件觸發的方法可以較好地接收定長數據。此外，SerialPort讀取數據的方法都是同步阻塞調用，可以使用異步處理或線程間處理。圖4為串口監視功能設計流程圖。

2.3 基于Chart控件的曲線繪制及測試報告自動生成設計

軟件使用Chart圖表控件實現動態曲線顯示。因數據采集會實時傳輸數據，曲線圖需要實現循環更新，在此使用Queue集合存放數據。Queue集合是先進先出的集合，調用Enquque（ ）方法配合Timer定時器可以實現更新數據及刷新圖表。當Queue集合中的數據大于屏幕顯示的最大寬度時，可以通過刪除已經顯示過的數據實現曲線隨時間動態移動的效果。

使用Chart控件需要先定義圖表區域、存儲和顯示點的容器以及圖表顯示的樣式。曲線數據更新使用Queue.Dequeue（ ）的方法先從隊列Queue取點，再用Chart.Series.Points.AddXY（ ）的方法添加到曲線中來更新曲線。

由于C#WinForm窗體程序中需要把界面顯示線程與其他功能線程分開，為了防止線程沖突導致界面顯示線程停止響應，在多線程編程應用中，需在任務執行的線程中去更新界面顯示，需要用到跨線程調用控件，而在多線程中直接調用界面的控件是錯誤的方法，通常會以線程間操作無效反饋給編程人員。為了應對上述問題，軟件設計使用了委托調用的方法。委托調用最常用的方法就是delegate委托方法和BeginInvoke方法，從其他線程中調用控件安全地更新界面顯示。委托調用控件如圖5所示。

2.4 基于多線程的系統程序設計

根據需求，電磁閥測試系統上位機軟件需要同時運行串口通信、界面控件顯示、測試數據采集、波形實時顯示及電磁閥測試報告生成等功能模塊，因此需要多線程的編程技術實現系統并行處理線程。在WinForm設計窗體程序時，界面顯示控件程序即UI線程是人機交互最基本最重要的部分，因此界面顯示控制線程是整個測試系統的主線程。根據CPU默認的進程運行方式處理多個功能進程時，Chart控件會出現數據波形繪制不連續、不能實現實時顯示或者出現部分數據波形缺失錯亂的問題。同時，將測試數據波形繪制進程寫入測試系統主程序中運行，由于該線程需要通過串口通信采集大量的數據，因此波形繪制線程會與界面顯示控件線程產生沖突，導致系統當前的線程阻塞，失去對系統的操作控制。

為了解決多個復雜功能模塊運行相沖突的問題，本文將下位機數據采集、串口通信傳輸、動態數據波形繪制進程及其他功能進程以多線程運行的方法寫入測試系統的主程序中，結合多線程優先級的設置實現不同功能模塊的并行處理。測試系統同時配置了Timer定時器來刷新時間，從而連續地采集下位機系統的測試數據，實現電磁閥測試數據的實時采集，以串口通信的方式將電磁閥測試數據傳輸至數據波形繪制的進程中，實現了連續的數據波形動態顯示[9]。圖6為多線程系統設計原理圖。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗環境

本文針對變速箱電磁閥測試平臺，在Visual Studio（Microsoft Visual Studio）開發環境下基于C#設計了平臺上位機測試軟件。實驗的硬件平臺為Intel（R） Core（TM） i5-8300H CPU，頻率為2.3 GHz，內存為24 G；編程平臺為Visual Studio2019，在 .NET Framework 4.8環境下基于WinForm實現。

3.2 標準參考線的設置及測試參數設置

實驗過程中，電流的調節先從0逐漸增大，達到設定的電流峰值1 000 mA后，再從1 000 mA減小到0。通過實驗證明，當電流從0增加到300 mA的時候，電磁閥的輸出壓力基本上沒有變化，所以在測試電磁閥的時候，初始電流的設置可以是100 mA，也可以是300 mA。標準電磁閥實驗測得的電流真有效值和平均值分別如圖7（a）和圖7（b）所示。因為真有效值啟動曲線和返回曲線很接近，不容易分辨，為了增強對比效果，電磁閥測試參考線采用平均值。

本次實驗對待測電磁閥性能測試的定義是：將同類型電磁閥中一號電磁閥得到的IP特性曲線設置為參考標準，然后將此類型中剩下的電磁閥得到的IP特性曲線與之進行對比，如果重合就是合格，否則就是不合格。以1型-2MPa-300-1100 mA為例，電磁閥試驗2次以示一致性。圖8（a）為第一次試驗結果，圖8（b）為第二次試驗結果。

分別選取電磁閥試驗電流為400 mA、600 mA、800 mA和1 000 mA處的2次試驗的壓力值作標準差。

電流從300到1 100 mA時，2次試驗壓力的標準差為：

σ =0.002 219 414. （1）

電流從1 100到300 mA時，2次試驗壓力的標準差為：

σ =0.002 579 687. （2）

通過計算可知電磁閥在設定電流處得到的壓力標準差比較小，由此得出，設計的系統能夠比較準確地獲取待測電磁閥的IP特性曲線。

進入測試系統主頁面，需要設置測試參數。測試參數設置主要是對測試系統中的一些常規參數進行設置，不同型號的電磁閥對應的測試參數設置不同。以1型-2MPa-300-1100mA為例，該型號電磁閥的試驗壓力需設置為2 MPa，試驗電流從300 mA到1 100 mA，最后再返回到300 mA，結束試驗。控制器用PID算法來進行控制，使得控制器通過D/A輸出合適的控制電壓給變頻器，進而對液壓系統中待測電磁閥的輸入端壓力進行實時調節。測試參數設置如圖9所示。

3.3 實驗結果

軟件運行后先驗證用戶名與密碼，系統的用戶名和密碼存儲在本地數據庫中，如需要授予用戶新權限，需先在數據中添加。驗證成功后會彈出消息提示框，并切換頁面到測試系統主頁面。

試驗電流從1 100 mA返回300 mA，測試完成后，測試電磁閥的IP曲線與標準電磁閥的IP曲線可通過曲線圖來比較，同時測試數據會保存在本地數據庫，通過界面也可以查詢。完成上述操作之后界面如圖10所示。

電磁閥測試系統在完成指定型號的電磁閥測試后會生成測試結果，并存儲在指定文件夾下，測試報告記錄了測試閥的型號、性能曲線以及測試日期。在添加using System.Drawing命名空間后，調用Chart.SaveImage（ ）方法將完整的波形以.jpeg的格式保存到本地目標文件夾。

圖11為設計的系統對同一類型的6個不同電磁閥進行測試的試驗報告。通過試驗報告中測試電磁閥的IP特性，可以判斷出電磁閥的性能好壞。圖11（a）、（c）、（e）對應的電磁閥的IP曲線平滑，無明顯鋸齒波，說明電磁閥的性能符合再制造標準。

圖11（b）對應的電磁閥在試驗電流從0到300 mA的過程中出現了明顯的鋸齒波，可能是由于電磁閥在測試前內部有污垢造成的。在進行沖洗后復測，所得IP曲線仍然在0到300 mA過程中產生鋸齒波，因此圖11（b）對應的電磁閥不符合再制造標準。同理，圖11（d）對應的電磁閥在整個測試過程中存在鋸齒波，圖11（f）對應的電磁閥在試驗電流從700 mA到1 000 mA的過程中存在鋸齒波，因此，圖11（d）、（f）對應的電磁閥也不符合再制造標準。

3.4 多線程優化性能對比

本次軟件測試，曲線繪制用到的電磁閥輸出壓力曲線由2 000個離散點構成。通過對比測試線程在曲線繪制線程下的運行耗時，可以發現，多線程提升了目標線程的性能，提高了CPU的效率。

為了比較單線程系統與多線程系統的運行效率，通過使用Stopwatch類來記錄程序運行耗時。Stopwatch類使用了操作系統和硬件提供的最高分辨機制，通常情況下分辨率少于1 ms，相比之下DateTime.Now方法和Environment.TickCount方法分辨率在15 ms左右。程序運行耗時對比如表1所示。

單線程的程序耗時取決于所有程序順序執行完畢的總時間，而多線程的程序耗時取決于耗時最長的線程。如表1所示，單線程在處理復雜線程時速率較低，當后期系統功能越來越復雜時，與多線程的耗時差距會越來越大。在僅UI線程運行下，多線程的運行速度較單線程提升了64%，在曲線繪制線程下提升了78%[10]。

如表1所示，在多線程應用中對比設置了不同優先級的測試線程運行耗時，可以發現在設置了最高優先級Highest后，測試線程會被優先處理，設置了最低優先級的線程將會最后執行。由此可知，多線程的應用可以使得測試系統的性能達到預期要求，并且為測試系統中的調度機制設置提供了參考。

4 結束語

針對工廠里現有的人工作業分析效率低下、自動化測試程度低等問題，本文的這套基于WinForm的測試系統軟件較好地解決了此類問題，且軟件在工程人員的PC端運行，測試環境要求不高。基于串口通信實現了對液壓系統的控制以及上、下位機的實時數據傳輸，解決了繁瑣的手動調節控制并降低了數據采集的丟包率；基于Chart控件技術的動態曲線繪制提高了工程師對電磁閥測試的性能分析能力，同時，測試報告自動保存功能及日志功能為測試提供了結果及操作記錄的保障，測試結果達到了預期設定的目標。

通過多線程的調度機制使不同功能模塊并行處理，提高了測試系統的整體性能。測試軟件可使測試過程操作簡易化，有效降低了人工測試的誤差率，提高了變速箱電磁閥再制造的可靠性。除了滿足各項功能需求，軟件設計力求達到高內聚低耦合的效果。

目前本軟件僅實現了本地的傳感器數據采集，下一步還需要將測試系統優化成遠程控制方式，同時將測試曲線的相似性分析算法融入系統，以功能模塊調用的方式實現也是測試系統優化的目標。此外，隨著工業上圖像檢測技術的發展，自動化測試中引用機器視覺來對目標測試對象進行瑕疵測試也成為了趨勢[11]。

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Design and implementation of test system software of transmission

solenoid valve based on WinForm

TAN Guangxing， QI Qiuchen

（ School ofAutomation， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545616， China ）? Abstract： Transmission solenoid valve is one of the most important parts of the automobile， and its? performance directly affects whether the shift is smooth or not， so the performance test of transmission? solenoid valve is of great significance. In order to improve the visualization of transmission solenoid? valve test， a set of transmission solenoid valve test software is proposed. In. NET Framework 4.8? environment， the software based on WinForm technology is designed to implement the visualization of? the data collection， serial port transmission and test process. And the related control is used to? automatically draw the waveform of performance parameters. By testing the related functions of the? software， it is proved that the software runs stably and meets the requirements of the transmission? solenoid valve test.

Key words： WinForm; solenoid valve; test software of upper computer; transmission