（机械设计及理论专业论文）基于web数据库的工程试验数据信息获取系统的开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文基于工程试验数摄的特征和零牛毒命对于用户在开发产懿，跟踪产 磊质量蠢颥溯产品寿命j 毫程中对工程试验数据兹袄羧程度，建立了以计算 机为核心的数据采集系统和基于w e b 数据库的数獭信息管理系婉。探讨改 系统在实现数据采集、处理、分析，错理及查询功能方面的策略、方法及 绣采蜀豹关键鼓本。著叛笺金涂层零转豹寿会试验强捌送行了系统验涯。 本文的主簧内容如下： 1 在进行系统的整体方案设计时，考虑了系统所需实现的功能，将基 于w e b 数撰蓐的工程试骏数握信息获敬系统分成繁于个相对独立的功能模 块，并校攒京稍之瓣酶联系和关系，设h - 出合瑾懿憨傣结梅，馁系统斡整 体设计方案清晰、简洁、含理。 2 建立了数据采集茅口监测系统。该系统为躲个数据管理系统提供了基 鬟 | 理论嚣援絮模式。 3 研究了与数据通傣稽关的技术，并将其应用张工程中。在该研究中， 对数据通信技术的研究生臻集中在p c 机和下位机( 单片机) 间的串行通信。 4 数据处理和分析功能模块的实现。将各数掇避行比较，计磐或分辑， 褥到结论，纛瘸于实舔。 5 研究了基于w e b 的工程试验数据库的建库技术和数据库结构，内容 包括数据建模、数据库系统选择、数据库访问技术、在浏览器界面中实现 瓣络数撵疼懿动态连接和访翊豹主要按零等等。 6 以复涂层零件的澎命试验为例对系统进行了策略实现，并在工程应 用中取得了满意的效果。 【关键词】w e b 数据库；工程试验；僚患获取系统；率行运信：数据采集 煎送望! ：盔堂堡主堂堡堡苎一一 a b s t r a c t f o rs a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n to f t h ed a t af e a t u r ea n dt h er e l i a n c ed e g r e eo n d a t af o ru s e r , t h i s p a p e r e s t a b l i s h e sa ni n f o r m a t i o nc o l l e c t i n ga n dm a n a g i n g s y s t e mb a s e d o nw e bd a t a b a s ef o re n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t a t i o n t h e n i ta r g u e s t h es t r a t e g y ，m e t h o d o l o g ya n dk e y t e c h n i q u e s w h i c ha r eu s e di nc o l l e c t i o n ， d i s p o s i n g ，a n a l y s i s ，m a n a g e m e n ta n dq u e r y i n go f d a t a ，鼹l os y s t e m h a sb e e n v e r i f i e db yt h el i f ee x p e r i m e n t a t i o n o f c o m p o s i t e c o a t p a r t t h e p a p e r i n c l u d e sc o n t e n t sa sf o l l o w s ： 1 啪l i ed e s i g n i n gt h es y s t e ms t r u c t u r e ，c o n s i d e r i n gt h ef u n c t i o n ，t h e s y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e so fs e l f - g o v e r n e d f u r t h e r m o r e ，b a s eo n t h e i rr e l a t i o n s ，8r e a s o n a b l es t r u c t n r ei sf o r m e d 2 b u i l d i n g t h ed a t a c o l l e c t i n ga n di n s p e c t i n gs y s t e m + i tp r o v i d e st h eb a s e t h e o r ya n dt h ef r a m ef o rt h es y s t e m 3 s t u d y i n g d a t ac o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n d a p p l y i n gi ti n e n g i n e e r i n g t h es t u d y f o c u s e so f tt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n d s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r 4 r e a l i z i n go f d a t ad i s p o s i n ga n da n a l y s i sm o d u l e t h r o u g hc o m p a r i n ga n d c a l c u l a t i n gt h ed a t a ，t h ec o n c l u s i o ni so b t a i n e da n dc a n b ea p p l i e d 5 ，s t u d y i n g a n d s e t t i n gu p d a t a b a s eb a s e do nw e bf o re n g i n e e r i n g e x p e r i m e n t a t i o n i ti n c t u d e st h ef o u n d a t i o no f t h ed a t am o d e l 。t h es e l e c t i o no f d a t a b a s es y s t e ma n dt h et e c h n o l o g yo f a c c e s s i n gd a t a b a s e ，t h et e c h n o l o g yo f l i n k i n gd a t a b a s ed y n a m i c a l l y a tb r o w s e r i n t e r f a c e ，a n ds oo b 6 t h ea p p l i c a t i o no f t h i ss y s t e mi nl i r ee x p e r i m e n t a t i o n o f c o m p o s i t e c o a t p a r ti sa l s od i s c u s s e d 。t h ee f f e c ti ss a t i s f y i n g 。 k e y w o r d s ：w e b d a t a b a s e ：e n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t a t i o n i n f o r m a t i o n c o l l e c t i o ns y s t e m ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；d a t ac o l l e c t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的开发背景与意义 1 1 1 开发背景和课题由来 当今人类社会正步入信息时代，信息产业己逐步成为经济增长新的驱动 力。信息技术特别是i n t e m e t w 曲技术和数据库系统的蓬勃发展，促成了 整个社会生产方式的巨大变革。9 0 年代中期，由于i n t e r n e t 的迅速普及， 使i n t r a n e t 成为i n t e r n e t 技术在企业管理信息系统中的应用和延伸，形成 了集计算机，计算机网络、数据库、分布式计算等于一体的信息技术综合体， 它打破了时间和地域的界限，使信息交流变得快捷、准确，为建立现代企业 管理信息系统提供了充足的条件。企业数据信息采集及管理系统在此基础上 延伸、扩展，使之全面贯通。引入i n t e r n e t 后，逐步从传统的客户机服 务器( c 1 l e n t s e r v e r ) 结构发展到了新型的浏览器服务器 ( b r o w s e r s e r v e r ) 结构“。 随着信息时代的各种技术的发展，各项工程研究的不断加深，产生了大 量具有重要科学价值和实用意义的工程试验数据和资料。传统的数据采集和 采用工艺图册管理数据的方法已不再适应时代的需求，因为它在数据的采集 和管理上耗费了大量人力和物力，而且，研究人员在使用数据时极不方便， 无法充分发挥这些宝贵信息资源的作用。为了实现工程试验数据资源共享， 论文基于工程试验数据的特征，建立以计算机系统为核心的数据采集系统和 基于w e b 数据库的数据信息管理系统。并以复合涂层零件的寿命试验为例探 讨该系统中实现远程数据采集、处理、分析和访问，以及管理和查询功能方 面的策略与方法。 1 1 2 课题意义 基于w e b 数据库的工程试验数据信息获取系统是一个复杂的系统。从实 现的功能上来说，它涉及试验数据的采集、处理、分析、存储和查询。本论 文基于工程试验数据的特征和零件寿命对于用户在开发产品，跟踪产品质量 武汉璐工大学硕士学位论文 黧该灏产瑟寿鑫过程串露工羧试验数纂戆蔹菝襟发，掇在蘩摇采爨、处理衣 分析的熬穑上，建立蒸予w e b 数据库的远程数攒管理和查询系统。该系统除 了能舞现动态的补充新的工糕试验数据外，还熊通过网络对试验数据进行查 询，以便使用户能随时根据零件寿命试验结果，调整设计或分析零件的工作 可靠性，从丽实现资源的共攀及其充分利用。 1 2 釉本课题有关的国志扑研究现状分挢 数据采集管理系统从功能上进行简单的划分实际上包括两大部分：一是 数据采集处理。二是数据管理。两者是相辅相成的。 目前，随着计算机技术和数据通信技术的迅猛发展，数据采集投米也飞 速发震。珏诗算掇秀核心静数攥袋关系统强裹豹i 孛壹羞转统懿采集方式，在 国民经济蠹孽各个领域具有缓强的实雳性，褥到了越来越广泛静应瘸。如，在 航天飞行嚣的遥感、遥测与遥控中，在自动飞行控制系统中，在气渤、强度、 发动机燕验中，数据采集技术都有重要的地位。在国民经济的各个领域，如 核电、猫油化工、冶金、机器制造等方面也有很麓要的地位。可以预见，随 著丈翘模集裁电路技术与诗簿凝技术豹发震，数鬃采集技术将在霉达、递嫱、 承声、遥黪、逢质懿搽、振动工程、无损整测、谮啬处理、智熊仪器、工监 自动控制戳及生物医学工程众多领域得到更广溅的应用。特别是计簿机的发 展，网络化的实现可以更好地协调工作，增强系统的可靠性，势必摊动数据 采集在溅加广阔的领域应用。 疆豢僖怠辩学援本豹发袋，数据采集系统褥魏| 越来越广泛应强豹疑辩， 太靛慰敷攥采集系统兹各顼臻拣，弼努：速疫、分瓣率、精度、跤鲻戆力、 软件设计以及抗干扰能力瓣方颟也提出了越来越商的要求，尤其是系统的速 度、精度等指标更成为设计释与使用者所共同激心的问题。从而，锫种高速 或超高遴的商精度数据采集控制系统便应运而生，而且得到快速丽长足的发 展。 懿今簸整各释技寒豹发壤，辩学数蕹农资瓣黪缮多，霹鼗蠢携繁毽箍密 了更离的簧求。6 0 年代发展越来的数据库技术，为有效管理和开发、应用科 学数据创造了有利条件。从7 0 年代开始，各研究所在自己的学科领域中试 建数据库，专业数据库的建立促进了数据科学篱趣的进程。数据库技术的发 2 武汉理工大学硕士学位论文 展经过了4 0 多年的历程。8 0 年代至今，是数据库技术发展的成熟时期，这 个时期出现了众多的大型数据库系统，包括i b m 的d b 2 、微软的s q l s e r v e r 、 s y b a s e 以及i n f o r m i x 相继出现，使数据库系统呈现出夺目的光彩。“。 根据采用的数据模型不同，数据库技术可以分为层次模型数据库技术、 网状模型数据库技术、关系模型数据库技术。其中，关系模型数据库技术数 学模型最完善，最适合应用于复杂的数据管理任务。同时市场上关系数据库 管理系统最容易得到，并且编程工具相对也比较完整，在选择数据库类型时 首先考虑的是关系数据库。 数据库技术作为计算机应用领域的重要组成部分，已经渗透到社会生活 的各个方面，小到基本的公司日常事务管理，大到互连网的电子商务，数据 库技术都发挥着巨大的作用。电子时代的到来，使数据库技术长足发展，它 为软件行业带来了巨大的生机和活力，数据库编程业成为世界软件生产的重 要内容。 计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物，计算机是信息加工 处理的节点，而通信是信息和数据的传输通路，这样可使计算机的功能得到 充分发挥。计算机网络在计算机应用和信息存储、处理、传输过程中起看非 常重要的作用。计算机网络在4 0 多年的时间里，其演变过程大致可概括为4 个阶段；具有通信功能的单机系统阶段；具有通信功能的多机系统阶段；以 共享资源为主的计算机网络阶段；以局域网络及其互联为主要支撑环境的分 布式计算阶段。1 。目前，十分流行的网络应用模式是：客户机服务器 ( c 1ie n t s e r v e r ) 模式和浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r ) 模式“1 。 目前，从网上终端获取大量文献信息己成为现实。而数据库是整个社会 信息资源开发利用的基础，是因特网发展的重要支柱之一，w e b 数据库也 是电子商务的基础，w e b 数据库技术现今己广泛应用于i n t e r n e t i n t r a n e t 开发中，w e b 技术与数据库管理系统( d b m s ) 相互融合领域的研究 己成为热点方向之一，数据库厂家和w e b 公司也纷纷推出各自的产品以及中 间件w e b 技术和d b m s 的融合，将两者取长补短，发挥各自的优势，使用户 可以在w e b 浏览器上方便地检索数据库的内容“1 。建立基于w e b 的数据信息 管理系统已成为各个领域的热点。各种基于网络的数据库应运而生。它不仅 改变了信息资源的管理方式，同时也推进了资源的共享，节省了大量的人力、 武汉理工大学硕士学位论文 物力，减少了重复劳动。 尽管网络及数据库技术发展很快，但有关基于w e b 技术的工程数据库系 统的建设仍存在一定的问题。迄今为止，已建立了不少基于w e b 技术的工程 数据库，不过工程数据库的开发大部分仍是基于管理功能的，只考虑常规数 据管理系统所具有的功能，很少考虑数据的获取、处理与分析功能，即与其 他技术要求相融合的具有自己特色的基于网络数据库的管理系统并不多见。 由此可见，特色数据库的建设及其与有关技术的融合问题仍迫在眉睫。 1 3 课题的主要研究内容 进行本系统的总体设计时，根据系统所要实现的功能，将基于w e b 数据 库的工程试验数据信息获取系统详细的分成若干个相对独立的功能模块。根 据它们之间的联系和关系，设计出合理的总体结构，使其清晰、简洁、合理。 本文的主要内容如下： 1 数据采集和监测系统。 数据采集系统实际上是整个数据管理系统的基础部分，只有数据采集系 统设计合理，有效运行，系统的其它部分才能正常工作。当然脱离了监测、 处理和分析系统，数据采集也没有实际意义。 2 数据通信相关技术的研究及应用。 数据通信在此主要是指p c 机和下位机( 单片机) 间的串行通信。下位机 负责采集试验数据，上位机主要用于数据的集中处理。两者之间通过 r s 2 3 2 c 标准接口进行通讯。本部分主要探讨系统如何实现p c 机与单片机 之间的通讯。 3 对建立基于w e b 的工程试验数据库的建库技术的研究，包括数据建模、 数据库系统选择、数据库访问技术、在浏览器界面中实现网络数据库的动态 连接和访问的主要技术等等。 4 数据处理和分析功能模块的实现。 系统采集的主要目的就是获得试验数据，将进行分析处理后的结论运用 于工程实际。因此，数据分析、处理是尤为关键的部分。数据分析处理主要 是先将采集系统采集到的数据根据具体的工程试验的要求进行相关的处理， 然后将各数据进行比较，计算或分析，得到结论，应用于实际。 4 武汉理工大学硕士学位论文 5 以复合涂层零件的寿命试验为例对系统进行策略实现。 基于w e b 数据库的工程试验数据信息获取系统在复合涂层零件的寿命试 验中具有重要的实践意义。试验数据采集服务器通过传感器和称重仪获得寿 命试验结果，该结果经过试验处理和分析模块进行整理后，和相关的其他试 验数据一起载入数据库。在该系统中，材料以其摩擦学性能为主线，通过链 接查询与材料相关的工艺参数和摩擦过程曲线( 如果数据充分，可以观测磨 损表面形貌) ，从而动态地对涂层的摩擦学性能、涂层质量、工艺参数及与 其匹配的材料性能进行管理。 1 4 系统所采用的关键技术 本课题涉及的范围较广，包括的功能模块较多，在参考同类技术的基础 上，融入了一些较新的思想。本课题所采用的关键技术为： 1 4 1 系统在实现数据动态采集、分析、处理功能方面的策略 与方法 数据采集p c 机和下位机之间采用串口通信技术，通过串口线将两者连 接起来，从而进行数据交换。程序采用自定义串口通信协议类c c 伽来建立 连接，并和多媒体定时器一起来处理底层串口通信细节，从而实现信息的传 输和交换功能。 数据库服务器与数据采集服务器之间也采用串口线相连，从而进行数据 交换。程序采用多线程类c s e r i a l p o r t e x 来处理底层串口通信，按照自定义 串口通信协议( s p c p ) 建立连接，从而实现信息传输交换”。 数据的分析和处理主要通过特定的软件模块实现，该模块为采用v i s u a l c + + 编制的w i n d o w s 应用程序，采用特定的算法，对采集到的数据进行分析、 处理和实时绘图，得到试验结论。 1 4 2 系统中的a s p 技术 w e b 数据库的存取是通过w e b 应用程序实现的。对于一个成功的w e b 应用程序来说，最关键的是用何种方法在服务器上存储信息并将其发送给客 户。目前，在浏览器界面中能实现网络数据库动态连接和访问的技术有很多。 武汉理工大学硕士学位论文 但若从实现的灵活性、编程的复杂性、对程序员的要求、开发时间、可移植 性及c p u 的负担等因素综合进行考虑，活动服务器页- - a s p ( a c t i v es e r v e r p a g e ) 相对于来说，实现的灵活性好，编程简单，对程序员的要求较低，而且 开发时间较短，尤其是可移植性好，c p u 的负担轻，因此，a s p 是一种较合 适的选择”1 。同时，a s p 技术也是b r o w s e r s e r v e r 模式下编制动态网页的一 种很理想的工具，因为它没有最小的特性限制，可以为a s p 的输出任意增加 客户脚本、a c t i v e x 控件和动态h t m l ，以实现用户的编程要求。故我们在 本系统中采用a s p 技术。 1 5 课题来源 本课题的支撑项目： 1 湖北省自然科学基金资助项目爆炸喷涂金属基陶瓷涂层的抗动载 荷适应性研究( 编号9 9 j 0 2 4 ) 。 2 中国石油天然气集团公司资助项目商性能陶瓷涂层的研究与开发 一涂层试验及数据处理系统( 编号2 0 0 1 1 2 8 ) 。 1 6 本章小结 本章首先分析了本课题的背景、意义以及和本课题相关技术的国内外研 究现状，包括发展水平和存在问题等，然后介绍了课题的主要研究内容，并 给出了系统所采用的关键技术，最后给出了本课题的支撑项目。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章系统的总体设计方案 从辩证法的观点来说，系统就是由若干相互联系、相互作用的要素组成 的，具有特定功能和运动规律的整体“。对于我们的基于网络数据库的数据 采集系统来说也不例外。我们的系统要完成特定的数据采集、处理、保存和 查询功能，它就必须由具有不同功能的模块组成。在设计中，我们严格按照 这种划分使整个工作体现出了模块性、层次性和系统性，使设计思路清晰 明了，保证了系统的整体性能。 2 1 系统的整体设计方案 工程试验数据信息获取系统不仅应满足对工程零件进行使用性能跟踪、 材料选择的要求，而且还应便于查询，使用户在新产品的开发过程中，对以 往使用过的零件进行试验条件、工况和环境的类比，以确定新开发产品的寿 命周期与性能可靠性。同时该系统还应兼顾试验数据的采集、处理和评价以 提高试验数据的工程应用可信度。因此，基于w e b 数据库的信息获取系统除 了要满足传统的w e b 数据库系统的信息存储，查询功能外，还必须满足工程 试验所涉及的数据获取、处理等功能。该系统框架见图2 一l 。 幽2 一l系统的整体设计方案 其中用户通过安装浏览器软件得到他们所需要的全部信息，服务器端安 装h t t p 软件来监听并处理客户端的请求“1 ，并将结果发送给用户。试验数据 采集服务器通过传感器和d i - 1 6 0 型称重变送器负责摩擦磨损试验机数据的 动态采集和初步处理，然后经过试验数据处理模块和试验数据分析模块进行 处理后由传输环节传输给数据库服务器。该系统的主要特点是数据传输之前 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ _ _ 一一。 。 经过了数据处理和分析系统，而且数据库对传输来的数据进行工程应用的可 信度判定( 如磨损许用极限值，超过此极限值的磨损数据为无效数据) 。 2 2 系统实现的功能 该系统利用计算机和信息工程技术对工程试验数据信息进行采集、分 析、处理、存储、查询、统计和管理，并实现了对图形对象的属性包括多媒 体信息( 照片、影像) 的查询和播放。还可由i n t e r n e t 作信息发布，并与 有关职能部门连网。 系统建设的首要基础工作是数据的动态采集、整理、编辑各要素数据， 对其进行标准化与规范化处理，进行数据项编码，然后构建数据库。工程试 验数据信息管理系统功能分为两大部份，分别针对系统管理员和客户。其功 能主要有： ( 1 ) 数据的动态采集、分析、处理 试验数据采集服务器负责数据的动态采集，并进行分析、处理，以供后 续的纪录入库工作。试验数据采集服务器与试验机之间有两个拉压力传感 器，传感器获得的被测量信号量经过d i - 1 6 0 称重变送器处理，再通过r s 2 3 2 c 串口线输入计算机，信号经过试验分析模块和处理模块将摩擦磨损试验机试 验所得数据经过分析、处理后，通过远程数据传输环节将其传送到数据库服 务器存入数据库中供用户使用。 ( 2 ) 工程试验数据信息获取系统中各个数据库的维护 各数据库的维护工作即对系统中各个数据库进行管理，包括数据的更新 等基本工作和其他一些必要的辅助性工作。 比如复合涂层零件寿命试验数据库的维护工作如下：完成新增或修改某 一试验材料及其相关属性。若增加一种试验材料，则给其唯一的一个编号， 即材料编号，同时输入该试验材料的相关参数，包括：喷涂工艺参数和涂层 质量以及相关图片。喷涂工艺参数包括：氧气压力、空气压力、乙炔压力、 送丝速度、喷距等等。涂层质量包括：空洞率、显微硬度、涂层厚度、氧化 物含量等等基本参数。图片主要是指试验材料的金相图。 ( 3 ) 查询 数据库的使用人员可以通过一定的限定条件对数据库中资料进行查询 8 武汉理工大学硕士学位论文 检索，获取其需要的信息。当用户在客户端的浏览器上填好网页中的表单所 要求输入的资料并进行提交后，经过网络传递h 订p 请求到w 曲服务器，该 请求在w e b 服务器上执行表单所指定的a s p 程序。在a s p 文档中，a d o 通过o d b c 驱动程序连接到支持o d b c 的a c c e s s 数据库上，发送a s p 指定 的s q l 指令到数据源，最后执行结果将会以h t m l 的格式传送到用户浏览 器上”1 。 比如：用户可以在表单上输入材料名查看材料的相关参数，若输入一对 摩擦副及其试验条件则可检索出在该条件下的试验结果，输入一对摩擦副可 以看其在不同试验条件下的试验结果及其分析等等。 系统的使用者分为三类：系统管理员、注册用户、普通用户。其中系统 管理员负责整个系统的维护工作。包括管理各级用户的使用权限、密码及各 个数据库的管理和维护工作。对于注册用户除了可以查询相关信息以外，还 可以生成报表等其他权限。而对于普通用户则只可以浏览和查询检索当前数 据库中的一定权限内的信息。 2 3 系统硬件设计方案 本系统硬件设计的指导思想是充分利用实验室现有设备和实验装置以及 现有计算机的条件，利用目前逐步发展普及的信息通信技术和网络技术，根 据工程试验数据采集过程的特点，尽可能的做到系统高度集成、高可靠性和 较好的通用性。同时软件的设计力求为用户提供友好、方便、形象的操作环 境。 系统主要仪器设备包括：两台p i i l 8 0 4 高档兼容机，一台作为数据库服务 器，另外一台用作试验数据的采集处理，两个d i _ 一1 6 0 型称重显示仪表，各 接拉压力传感器，通过r s - 2 3 2 c 输出数据，组成单片机与p c 机结合的上 下位机高速数据采集系统，一台摩擦磨损试验机。 传感器引脚处用环氧树脂密封，信号传输引线采用屏蔽线以抗干扰。高 精度拉压力传感器是用于测量摩擦力和正压力，变送器选用日本寺岗生产的 d i 1 6 0 称重变送器，传感器将阻尼力传感信号传给称重变送器，然后经过串 行线输入计算机，实时显示所测量出来的阻尼力值。 9 墓堡望三盔堂堡主堂垡堕苎 一一 x p 销一盘摩擦磨损试验机设备见图2 - 2 。 图2 - 2x p 销一盘摩擦磨损试验机 2 4 系统软件设计方案 进行应用系统的总体设计时，软件设计和硬件设计应统一考虑，相结合 进行。当系统的硬件设备定型后，相应软件的任务也就明确了。系统中的应 用软件是根据系统功能要求设计的。一般来说，软件的功能可分为二大类， 一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量、计算、显示、打印、 输出控制等；另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者之 间的关系，在系统软件中充当组织调度角色。实际设计中两种软件很多情况 下是相互融合的”。本系统在进行程序设计时主要从以下几个方面加以考虑： l 、采用程序结构化设计风格，各功能程序实行模块化“”。这样既便于进 行调试、链接，同时又便于移植、修改，尤其是便于功能的扩充。并依据它 们之间的联系和时序的关系，设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简捷。 2 、为了增强系统程序的可读性以及便于修改和功能扩展，软件设计采用 模块式结构化设计方案。各种逻辑功能既相互独立又相互联系。 3 建立正确的数学模型。即根据功能要求，描述出各个输入和输出变量 之间的数学关系，它是关系到系统性能好坏的重要因素，正确的数学模型是 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 前提条件。 4 注意程序设计的总体效率，以简明、直观的方法对任务进行描述，在 编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。本系统的流程图见图2 3 。这不 仅是程序设计的一个重要组成部分，而且是决定成败的关键部分。多花一份 时间来设计程序流程图，就可以节约几倍源程序编辑调试时间，达到事半功 倍的效果。 圈2 - 3 程序流程图 5 要合理分配系统资源，避免资源的浪费。 6 加强软件抗干扰性设计，它是提高计算机应用系统可靠性的有力措施。 根据以上各条原则，具体的软件设计方案如下。系统数据采集软件在 w i n d o w s 9 8 操作系统环境下设计( w i n d o w s 9 8 以上均可以用) ，利用 w i n d o w s 9 8 多任务功能以及v c + + 6 0 软件编程技术，有效实现前后台 武汉理工大学硕士学位论文 任务的调度信号机制，实现实时数据采集、处理和监控功能。 由于摩擦力和正压力所要求的监控速度和时间相同，故采用同一中断速 度进行数据传输便可保证测量结果的实效性和精确性。采集系统的最终目的 是实时的观察摩擦力和正压力的变化，从而计算出摩擦系数，并进一步了解 两种材料的之间的摩擦磨损机理，试验所提供的准确可靠的数据信息可对工 程零件进行使用性能跟踪和材料选择，并为今后确定新开发产品的寿命周期 与性能可靠性也有极大的意义，因为用户可对以往使用过的零件进行试验条 件、工况和环境的类比，从而确定自己的设计方案，避免不必要的损失。 为了便于用户的使用，软件设计友好的图形界面，用户无须记忆繁琐的 命令和指令，直接从菜单中选择即可，同时设置帮助功能，供用户参考。 为了便于将各种材料在不同试验条件下的试验情况进行对比，同时也为 了方便工程应用，必须设立历史记录。因此，除了实时监测正在运行的测量 数据外，还要建立数据库，对以往的数据进行记录、存储，阻便一旦系统发 生故障或需要进行研究比较时，能够及时、方便的查询、参考。同时数据也 将发布到网上，供其他工程人员在一定权限和范围内进行查询，参考、借鉴 和使用。 2 5 系统的软件模块 软件主要有以下几个模块： 1 初始化模块：包括图形初始化和数据采集系统初始化模块。 2 图形编辑模块：由于系统实时性要求高，为了减少c p u 及内存占用， 提高系统效率，采用直接屏幕绘图，设计时用一个列表( l i s tb o x ) 控件做 数据表，将采集后经过处理的数据显示在屏幕右侧，用一个p i c t u r e 控件作为 实时曲线的绘图窗口。系统在读取a d 端口数据并经计算处理后，一方面 写入l i s tb o x 控件，一方面在p i c t u r e 控件中进行实时曲线的绘制。在试验结 束后将数据保存为文本形式或写入数据库中。同时也可以将最终绘出的图形 以图片的形式保存下来。 3 数据采集模块：在数据采集系统中，微型计算机是在程序控制下完成 数据采集、数据处理功能的。在被研究的对象上安装若干传感器，来自传感 器的信号经放大器放大后通过模拟多路转换器进入a d 转换器，接着将模 1 2 武汉理t ：大学硕士学能论文 h _ ”_ - _ 一一一 毅塞骚羧成数字量霉送入诗冀氍避露分羲处瑾，最嚣褥蜜关予羧萋舅巍慰象戆 各耱动态信息如瞬时谴、特镊值、性能参数、攘台曲线及统诗值等簿。测试 结果可根据用户需要在终端屏幕上显示，或通过打印机打印或通过绘图机绘 图1 。 在此，数据采集主要是攒采集摩擦磨损试骏机的试验数据，并经过传输 环节输入p c 辍送季亍处理，缮剜对予工程实舔藏璐骞爱夔数据。 4 簸攥处理模块：由予怒每隔3 移分别聚蘩一个正压力稻簿撩力数据， 故在此将半分钟内所采集到的l o 个数据进行平均，将平均值保存下来。但 试验的蹦的是为了得到材料的摩擦学性能，其评价指标主要是摩撩系数值。 所以要将同一时刻采集得到的正压力和摩擦力缀过计算处理力可樽到我们 瘊罴的露擦系数。 鼹释试验耪疆，在不霜瀚试验条 孚下掰褥麓多次不藏静试验臻鬃，送行 分析比较，可以得到新的绪论，供工程应用做参考，因此这一部分的分析就 尤为璧鼹了。 5 网络数据库模块：包括系统数据库的物理设计、数据库的访阃接口、 数据库的蜜全设定以及该部分实现的功能，即对掰妻数据懿查询、图形分辑， 结果努掇等等。这方是整令数锤采集警瑾系绫豹爨终瑟鲮，嚣维慕鹣成弱。 6 ，巾断传输模块：主要怒将采集到的数据输送翔计算机进行处璐，以便 实时进行妊测和数据分析。 2 6 本肇小结 零聱飘金齑蕉度套绥了麓予w e b 数器蓐豹王糕试验数据穰惑获联系统秘 结构。系统硬件设计的指导蒜想，设计方案，系统软件设计思想和方案，以 及从实现功能的角度来划分系统的各软件模块。后面各章节将以此为主线， 分别展开阐述。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章数据采集与监测系统的实现 3 1 数据采集系统的概述 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号测量与处 理、计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。它研究信息数据的采 集、存贮、处理及控制等作业，实用性强。 随着计算机技术的迅猛发展，以计算机为核心的采集系统已经强烈地冲 击着传统的数据采集和测试方法，并大有取而代之之势。它不仅能够实现复 杂的测试和控制功能，而且也能够适应环境的变化来自动调整测试与控制方 式，使得测试技术发生了巨大的变革。计算机采集系统可以应用于智能仪表、 工业过程测试和智能采集，从而构成了不同的计算机采集测试系统。 3 1 1 数据采集系统的原理 系统首先与信号源接触的是传感器，它测量出某些物理值并将其转换成 模拟电压。然后，为了实现数据简化和信号改善经过某些预处理，再由采样 和量化过程将其数字化。有时为了以后处理所需，可将信号暂时储存在某些 媒体上。如在数字化之后储存，则媒体可以是计算机的一个公用输入输出装 置也可以把未数字化的模拟信号存储在磁带记录仪或类似装置上。在部分的 或全部的上述中间步骤完成之后，数据最终进入计算机。而后根据不同的需 要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得 到的数据进行显示和打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据 还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量“”。 3 1 2 数据采集系统基本组成 数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和 数字部分“”。 各种数据采集系统尽管形式各不相同，但是其基本组成是相同，见图 3 1 。 采集系统主要包括数据采集器、微机接口电路、数模转换器、应用软件 武汉理工大学硕士学位论文 等。其工作方式一般可归纳为：数据采集主要是解决非电量转换为电量的问 题以及多路复用、数据的模拟形式和数字形式之间的转换问题。即将被测量 的物理信号量转换为计算机能够识别的信号并输入给计算机；数据处理包括 预处理、数据检验与数据分析( 再加工) 等步骤。即由计算机执行以测试为目 的的某些算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或相应的结论、分析与 判断；数据输出是将处理结果送给输出设备，进行显示、打印或绘制成图形， 即可视化；数据纪录即数据的保存问题。 模拟fl 预采li 采样器ll 数字il d a l1 模拟 信号吲样滤削a d尉信号矧变换吲信号 输入ll 波器li 变换ll 处理器jl 滤波器li 输出 图3 1 计算机数据采集系统组成原理框图 采集系统的结构一般可分为以下几种。 1 、单通道数据采集 当被采集的信号只有一个时即为单通道数据采集，其框图如图3 2 所示。 图3 - - 2 单通遭数据采集系统框图 2 、多通道数据采集 被采集的模拟信号量有两个或两个以上时，其结构形式有如下几种：多 路a d 转换方式、多路共享a d 转换和多路开关方式。 多路a d 转换方式。 此结构包括多个a d 转换芯片。对于每路输入信号都有对应的采样保 持电路s h 、a d 转换电路及i o 接口电路，每路占用一个通道。结构 框图如图3 - - 3 。此方式常用于要求数据采集速度较高而且需要同时采集多路 数据的场合。最高采样频率并不会受通道数影响。但系统体积较大，成本相 对于来说较高“” 多路共享a d 转换方式 此方式适合对数据采集频率要求不太高的多路信号采集系统，其得到的 各通道信号是断续的。通道数目增加将影响系统的采集频率。但当采样保持 武汉理工大学硕士学位论文 电路用同一个信号控制时，它可以保证信号问的同步关系和同一时刻采集到 各通道的参数。框图见图3 - 4 。 主 机 图3 - 3 多路a d 转换方式框图 俸感器 委黔持卜 。( s )， ( s 帅 i l 。_ _ _ _ _ 。_ 。_ 。_ - _ - _ 一i _ 。_ 。_ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一模 拟 叶 主 p 厨 多数p 瞑 l ，o 路 ( d ) 机 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 _ 开 关 ： 幕十肼 图3 - 4 多路共享a d 转换方式框图 多路开关方式 此方式速度慢。但节省硬件，体积减小，成本降低，适用范围广。结构 框图见图3 5 。它常用于采集多路变化缓慢的信号。 武汉理工大学硕士学位论文 i 传感i 器p i ( s )| 模 l 传感i 拟斗 主 多 _ 叫采s 一h ) 卜 敦膜 i ，o 呻 旧r 路 开( a d ) 机 关 i 传感b 1 器i i ( 固i 圈3 - 5 多路开关方式框圈 3 1 3 采集系统完成的工作 数据采集技术经过几十年来的发展，己经成为一门比较成熟的技术。它 主要的功能分为两部分：一是信号采样，由采样保持电路完成；二是采样 值的置化，主要由a d 转换器完成。现在a d 转换器的集成化很高，很 多都内置采样保持放大器和电压参考源等单元电路，为应用的简化和成本 的降低提供了方便。 传感嚣是实现测量与控制的首要环节，传感器输出的模拟信号量经过前 置放大器放大后进入采集系统，先经过信号调理电路进行信号的放大、滤彼、 使信号带宽被限制在需要的范围内，使信号的幅度与量程相匹配，并将非线 性的传感器的响应其线性化。经过以上处理后，信号被送入采样保持电路进 行采样，然后被模数转换器量化。量化后的数据被送入存储器进行存储以 供处理。 1 数据采集系统的主要性能指标 在实际应用中所关心的是如何从要求的技术指标出发，设计一个性价比 较高的数据采集系统。数据采集系统主要技术指标有：系统的通过速率、精 度、分辨率、共模抑制比、通道串扰抑制比和短期稳定性。除此之外，还有 系统功耗、可靠性以及总数据存储量等一些重要指标。在这些指标中，对于 高速多通道数据采集系统而言，最为重要的是系统的分辨率、精度与系统的 武汉谶工大学硕士学位论文 透过遮攀。 系统送剐两个福邻模拟电压的能力称为分辨牵，有时也称为爱敏度。它 是相应予= 进制数的最低俄( l s b ) 的模拟量。； 系统精度是指当系统工作于额定通过速率下，每个离散的采样样本的转 换精度。模数转换器的精度是个系统糟度的极限。 系统透过速率是摇在瀵怒系统精度指标懿蘩撬下，系绫露穗入攒羧售号 在鼙佼辩瓣内可完成的采寨次数，它又称为采榘速率或吞睦率等。 2 、系统的采样方式的确定 数据采集的最关键的两个步骤就是采样和掇化。有两种基本的数字化采 样方式：实时采样( r e a l t i m e s a m p l i n g ) 岛簿效时间采样( e q u i v a l e n t - - t i m e s a m p l i n g ) 。实瓣采榉，是指当数字纯开始，售号渡素数篱个采样 点裁竣浆入并棱数字像，然麓经过一个采搀阕隔，秀采入第二个耱零，这样 一直将熬个信号波形数字化厝存入波形存储器。其主要优点在于信母波形一 到就被采入，因而适用于从单个到重复的任何形式的信号，而且采样点是以 时间为顺序的，利于处理和鼹示”。 当傣学胃重复产生时，等效薅闼采群技本砑潋实瑷缀毫豹数字纯转换速 率。采鬃静样本霹鞋是嚣廖袋者随梳秘。兔了波形簸重复取褥，袋徉胃敬爱 较慢速度进行，经过对信号多个周期的重复采榉，然后把许多采集的样本合 成一个浆样密度很高的波形，大大降低对模数转换器转换速率的骥求，达 到比较岗的采样速率。 逶避疆士分辑，综会考纛零试验室豹谤嚣，零系统魏采撵方式瓣镶定麓 实时采样( r e a l t i m e s a m p l i n g ) 。 3 2 数据采集系统设计的基本要求 1 具窍“实对”特性 零系统静工箨主要是对大囊黪过程麸态参数滋撑整弱、数器存馕、鼗攥 处理、遴符实时绘圈等功髓。因此，要求计算械程硬件上必须要霄窳时时钟 和优先级中断信息处理电路。 2 可靠憔高 武汉理丁大学硕十学位论文 可靠性是系统设计最基本的一个要求。因此，被选用的控制计算机的性 能一定要满足要求。而且本系统的控制计算机是安装在摩擦磨损试验机的实 际工作环境中，所以其周围环境的湿度变化较大，而且灰尘多，为了确保控 制系统的高度可靠性，要求本系统的计算机要有一定的防潮、防尘和舫震能 力。在计算机硬件上采取冗余技术，隔离屏蔽技术等；在软件设计上要可靠， 利用容错技术，自诊断技术等，并设计各种安全保护措施。如各种报警、事 故预测与处理对策等。 3 系统的通用性好，便于扩充 一台以微型计算机为核心的控制装置，一般可以控制多个设备和不同的 过程参数。这就要求系统的通用性要尽可能好，能灵活地进行功能扩充。尽 可能的采用通用的系统总线结构，以便在需要时进行性能的扩充。 4 数据采集与数据处理相互结合 数据采集与数据处理相互结合紧密，形成数据采集与处理系统可实现 从数据采集、处理到控制的全部工作。 5 设计周期较短、价格便宜 由于计算机技术日新月异，各种新技术新产品不断涌现，因此在满足精 度、速度和其他性能要求的前提下，应该尽量缩短设计周期和用价格较低的 元器件。 考虑到以上各个方面，作为系统核一心的计算机的选择就十分关键。对于 分散的嵌入式系统，单片机以它体积小、功耗小、成本低、价格低廉以及控 制功能强适应了这个要求，成为现代电子系统中最重要的智能化工具“。 3 数据采集系统的具体实现 在工程实际中一个具体的计算机数据采集系统的构成，要根据所要测量 信号的情况而定。力求做到既能满足系统的性能要求同时系统的性价比也相 对于较高。 3 3 1 系统的数据采集与监测部分的设计 由于串行通信所用的传输接线数较少、适合远距离传输，因而常被应用 l9 武汉理工大学硬士学位论文 用n ”。本系统也采用窜行通信技术，程此基于串彳亍通信的下位机与p c 机结 合的上下僚机高速数据采集系统由摩擦磨损试验机、传感器、智能仪表 ( d 一l 型称重显示仪表) 与徽机缀戏，综合7 智能搜表帮徽帆携优点。 该饺表将实现上述务功耱酶擎片橇秘信号保持、簸淫电路集戒翔起，其蠢 集成度离、控制功能强、系统结构简单、价格优廉簿优点