液力变矩器总成微机自动测试系统.doc

液力变矩器总成微机自动测试系统 上海交通大学硕士学位论文液力变矩器总成微机自动测试系统姓名:黄汪洋申请学位级别:硕士专业:精密仪器与机械指导教师:林良明2001.1.1摘要上海交通大学硕士学位论文液力变矩器总成微机自动测试系统摘 要年代以来,微处理器的问世促使微型计算机技术迅速发展和应用,在世界范围内引起了新一轮的技术革命。作为微型计算机应用技术的一个重要分支?.微机自动测试技术是集数据采样与处理技术、传感技术、控制技术和微机技术于一体的一门综合性技术。在测试系统中应用计算机技术和传感技术,能迅速地对各种工艺参数进行采集和数据处理,从而实现生产过程的自动控制。因此,随着这些技术的发展,自动测试技术在生产过程等领域中发挥着越来越重要的作用。本论文是根据一个实际的课题“液力变矩器总成微机自动测试系统”来完成的。本文给出了基于机、总线数据采集的液力变矩器总成微机自动测试系统的整体设计方案。本文中对该测试系统的机械部分、硬件电路部分以及测试系统的软件设计作了介绍。在硬件设计中给出了数据采集和工件定位的实现。在软件设计中提到了模块化设计方法和组成测试系统的各个模块。整个系统具有分层次、模块化的结构。同时给出了微机自动测试系统所要遇到的软件设计关键技术。洳多线程,精确定时,传送和多视技术等。在软件设计中还详细讨论了干扰信号的软件处理方法少一特别介绍了几种典型几何量的自动检测及误差分析,分析了圆度测量的方法、误差分析和讨论了圆度测量的改进方案一多测头测量法。同时还介绍了一种曲面测量方法。质量控制是全面质量管理的主要内容,随着市场竞争的加剧,产品质量已成为制造企业普遍关注的热点。本文给出了统计分析与工序质量控制的原理和统计控制的判断标准。并在实际测试系统中实现了控制图,还讨论了有助于检测有一定趋势的微小偏差的控制图和控制图。、现场总线和虚拟仪器技术目前已成为世界上自动化技术的热点。越来越多的制造公司通过现场总线来实现生产的集中控制。在摘要上海交通大学硕士学位论文/:论矽最后根据本课题的特点结合了最新的现场总线技术给出了测试系统的展望。该测试系统的成功对以后类似仪器的研制提供了一定的参考价值。关键词液力变矩器;数据采集卡;圆度;现场总线;统计过程控制上海交通大学硕士学位论文 , .,“”.?, ., ?,?,.上海交通大学硕士学位论文 . . , ; ;第一章绪论 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论.测试技术的作用及其发展科学技术的发展促进测试技术的发展,同时,测试技术的发展又促进科学技术的提高,两者相辅相成。在现代,科学技术和测试技术的关系比任何时候更为密切。离开测试,科学技术也很难发展。在科学技术高度发达的时代,先进的测试系统所起的作用越来越大。精密机械加工中的测试,如果用陈旧的测试方法,即经过几个加工过程后进行人工质量检测的方法,那么,这意味着所得到的产品可能是一个次品甚至废品。事实上,现代精密机械加工的测试,是在工件加工过程中对各种参数例如位移量、角度、圆度、孔径等和影响加工质量的间接参量例如振动量、温度乃至刀具的磨损等进行实时监测,随即将测试数据送入计算机进行分析和处理,然后计算机实时地向执行机构提供数据,从而达到对加工过程的反馈控制。只有这种测试一一处理一一控制三位一体化才能保证预期的高质量要求。要完成这样的任务,简单的仪器是不能胜任的,需要复杂而先进的测控系统来承担。自动测试技术是在最近多年前才发展起来的。在最初十多年间,虽然取得一定成功,但终因测试系统结构庞大、代价高昂,测试系统还未得到广泛应用。直到年代,由于半导体集成电路和数字计算机迅速发展,各类型号的自动测试系统才相继出现。这段时间的自动测试系统基本上具备了精度高、速度快、功能强的优点,而且有一定的数据分析和处理能力。但这些系统都是由分立元件和中小规模集成电路组成,其可靠性不高,且大多数是专用系统,欠通用性和灵活性。年代,由于大规模集成电路飞速发展和微处理机问世,加快了自动测试系统发展的步伐。特别值得提出的是,年代后期出现了标准接口系统,年代初期出现了通用接口系统,年代后期又出现了总线接口系统,大大增强了系统的通用性和灵活性,从而很快得到广泛应用,给自动测试系统注入了新的活力【“。自从自动测试系统问世以来,进入市场的产品愈来愈多,其性能目趋提高,销售额逐年增长,而价格却逐年下降。销售额的年增长率远远超过整个电子测量工业的增长速度,这一发展趋势在今后若干年内将表现得更加明显。从最近几年国外发展的电子测量仪器来看,还有一个明显的趋势是线路设?计采用规模尽可能大的芯片专用集成芯片,其优越性是显而易见的,它使测试设备的结构更加紧凑,性能更加良好,保密性更强。国内自动测试系统起步较晚,但发展迅速。年代停留在多点巡回检测阶段,年代初开始研制以小型计算机为中心的数据采集、处理系统。年底。我国第一台计算机控制快速博里叶变换实时信号分析系统诞生。、年代,由于微型计算机在我国得到厂泛应用,各类型号的自动测试系统相继出现。第章绪论上海交通大学硕士学位论文出现。但是,从总体水平来看,我国在生产设备,生产工艺、集成电路制造等方面与国外有较大的差距。要想逐渐缩短与外国先进技术的距离,除了要主动加大这方面的自身研究外,还应走出国门吸取人家的技术经验,加强交流与合作。.现代测试系统的特点.现代测试系统的分类【在生产过程中,为了检查、监督和控制生产过程,使之处于最佳工作状态,必须掌握描述它们特性的各种参数,也首先要求测量这些参数的大小、方向、变化速度等等。在自动测试系统出现以前,测试往往是由人工直接参与的。但是现代科学实验和生产过程中的测试,要求精度高、测点多、一速度快,结果显示和通报的形式多样化,这就要求测试设备实施准确而实时的控制,进行大量的数据处理工作,这是人工无法应付的事情,只能靠自动测试系统来完成。虽然测试系统的自动化水平有高有低,处理数据的能力有大有小,但自动测试系统应该满足两个基本要求:一是在测试过程中,无须人工参与或者只要求简单的人工操作;二是能自动采集、分析和处理数据,并能自动显示或记录结果。因此可以这样说,一个自动测试系统是“在人工最少参与的情况下能自动采集、分析和处理数据,并能以适当的形式显示或记录结果的设备。”必须指出,所谓“人工最少参与”是针对测试过程而言,并非整个测试任务的完成都能脱离人工参与。事实上,在测试之前还有大量的工作,譬如测试方案的拟定、系统的调试、软件的编制等,都必须由人工来完成。现代测试系统从不同的角度出发可以分为不同的类型。从所用程控设备来分,可分为程控器控制型和计算机控制型两类。前者构思简单,成本较低,适用于大量而重复测试,能用于专门的测试,无数据处理能力。计算机控制型是可编程型,具有数据处理、存贮、判断、自动校准等功能,有一定的通用性,适合于完成复杂的综合测试和精密测试。由于大规模集成电路的发展,计算机价格迅速下降,这种系统的成本不断下降,已经成为占主导地位的系统。从系统的结构形式分,可分为专门接口型和通用接口型。专门接口型是将一些具有一定功能的模块相互连接而成,优点是结构紧凑,模块利用率高。但是,由于各模块千差万别,组成系统时相互之间接口是十分麻烦的,而且各模块是系统不可分割的一部分,不能单独应用,缺乏灵活性。通用接口型也是由模块如台式仪器或插件板组合而成,不过所有模块的对外接口都是按规定标准设计。组成系统时,如果模块是台式仪器,用标准的无源电缆将各模块接插起来就成系统;如果模块为插件板,只要将各插件插入标准机箱即可。组建这类系统非系统、常方便。这类系统的灵活性和可扩展性是显而易见的。系统和总线系统就属此类系统,但首次投资较大。如果从系统用途的适应程度分,可分为专用系统和通用系统。前者是针对某种测试而专门设计的,效率高,可做得很精密;后者适应性强,在不改变硬件情况下,仅修改软件就可完成另一种测试任务,这一点对用户是有吸引力的。应该指出,所谓通用仅是相对于专用而言,并非万能。另外,专门接口系统并不就是专用系统,它可以第一章绪论上海交通大学硕士学位论文设计成具有较强的通用性;通用接口系统也并非就是通用系统,只能说它的接口通用性强,不能把两者混为一谈?。.现代测试系统的特点计算机技术日新月异的发展以及高速度、高精度/转换器的问世,将测试技术推向一个新的发展阶段。利用计算机来辅助测试,使得数据采集、处理和控制融为一体。就当代高性能的自动测试系统来看,大都具有通道多、精度高、速度快、功能强、操作简便等特点。.通道多一般一台仪器只能测量一个参数,即使是数字万用表,具有测交直流电压、电流,测电阻值、测电容值,甚至测频率、.测温度等多种能力,但是不具备同时测量这些参数的能力。而自动测试系统配备多个信号通道。对于多路信号,通过计算机软件控制进行高速扫描采样。由于多通道信号同时测量,大大提高了工作效率。.精度高测试精度是测试仪器的基本要求。与单参数仪器相比,由于测试系统规模较大,通道信号相互干扰以及屏蔽、接地等方面存在较多的技术难题,精度要低一些。但是,目前高性能测试系统一般采用位位/转换器,而且具有下述数据处理能力:自动核准?消除零漂、温漂、增益不稳定等系统误差;多次测量求平均值一一消除随机系统误差:软件线性化处理?对传感器等硬件的非线性特性进行校正;软件滤波一一消除系统外部和内部引入的干扰。另外,采用自动显示或打印结果,可消除人为的判读误差。以上几点使测试系统具有较高精度。整个系统的测试精度主要取决于传感器。.速度快高速测量与处理是测试系统追求的目标之一。这里所说的速度,是指从测量开始,经过计算机对信号进行处理,直到输出结果整个过程所花的时间。影响测试系统测试速度的主要因素是/转换时间、计算机处理数据的时间、数传时间和终端运行时间。目前,采用位的/转换器,其采样速度在以上,采用位/转换器,采样速度可提高到.如果多个/转换器并行工作,又可成倍提高数据采集速度。计算机的运行速度主芯片,是要取决于时钟频率。最近几年出现的 一种高速运算部件,如。.功能强国内外先进的测试系统都具有很强的功能,以满足各类用户的需要。典型的功能归结为以下几个方面:选择功能一一量程选择、信号通道选择、通道扫描方式选择、采样频率选择等。信号分析与处理?、相关分析、统计分析、平滑滤波。第一章绪论上海交通大学硕士学位论文关键部位。自校准一一高精度的自动测试系统都配有标准信号源。测试时,对标准信号和被测信号分别进行测试,计算机对两个测试结果进行分析,消除系统误差。以上过程全是自动完成的。绘图与打印?一多数测试系统都配有绘图仪和打印机,能将测试结果以图形和表格形式输出,做到图文并茂,一目了然。操作简便一一当代先进的测试系统都追求高度自动化,即在测试与处理过程中无须人工参与,在测试前仅做简单的准备工作,例如面板按键选择或键盘操作。一般,专用系统采用面板选择较多,而较通用的系统则采用键盘操作,以人机对话方式设定系统工作模式。从而省去了繁琐的人工调节和大量的数据处理工作。.开发液力变矩器微机测试系统的意义液力变矩器 简称是一种以液体为介质的叶片机械,能够非阶梯地连续改变速比的无级变速器,简称。它能将汽车发动机机械平稳地传到车轮,使车辆实现无级传动,起步平稳,加速柔和,变速和自适应性能良好,可简化操作,提高乘坐舒适性,并延长传动系统使用寿命,故在汽车领域得到广泛应用。由于液力变矩器结构复杂,造价高,国产轿车很少采用液力变矩器。上海通用汽车公司生产的别克轿车就采用了液力变矩器.但它用到的液力变矩器都是美国生产。如今,上海离合器总厂为上海通用生产别克轿车配套液力变矩器,实现了生产本土化。本人参与研制和开发了别克汽车液力变矩器自动测试系统。在以前,液力变矩器总成测试采用人工抽样静态检测。通过实现本系统,我们可以在生产线上对工件进行百分之百的自动检测,能一次性动态地自动完成整个测试过程,并利用计算机完成多通道,高速数据采样、数据分析处理与显示,进行工序质量统计和工序质量控制,同时系统还具有自检自诊断功能,大大提高生产率。第二章液力变矩器测试系统介绍上海交通大学硕士学位论文第二章液力变矩器总成测试系统介绍液力变矩器总成测试仪器由三部分组成:机械部分、电路部分和计算机控制部分。在本章中我们将详细介绍前两部分,后者会在以后章节中得以论述。在讨论总成测试系统机械部分之前,我们先来了解一下液力变矩器的机械构造。如图所示:液力变矩器图是一个结构复杂的旋转体工件。由单级三单元涡轮、泵轮、导轮组成。图中所示是各个分总成试合格后焊接而成的液力变矩器总成。和上海离合器总厂合作,我们分别研制了液力变矩器的涡轮分总成、泵轮分总成和 基准总成三套自动测试系统。本文主要以 基准总成自动测试系统为例讨论测试系统的实现,在第四章的几何量的测图液力变矩器总成结构图试方法中还会提到涡轮分总成、泵轮分总成中圆度测量和曲面测量等问题。而其他章节,如软件实现,统计过程控制,系统的改进等等对这三套测试系统来说都是共同。基准总成测试系统的机械部分图液力变矩器.基准总成测试系统机械装置示意图第二章液力变矩器测试系统介绍上海交通大学硕士学位论文.工件的定位如图?所示,液力变矩器?基准总成的定位有两个方向:.方向上:定位的基准是与盖柄外径接触的型槽和与外径接触的滚珠轴承。这两者保证了总成的轴线和图中的虚轴重合。型槽采用的高强度的钨钢制成,滚珠轴承也经过炭化硬度很高,保证了定位的重复精度。.方向上:整个测试平台有一个约。左右的倾斜角,工件依靠自身的重力保证盖柄外径一端和连着光电编码的磁铁块充分接触,实现方向上的定位。而方向上的汽缸主要负责定位完成以后将传感器传送到预定的待测位置。.测量参数的主要技术指标表.尺寸代号 内容 重复精度描述。撑 . .曲面端跳. . .上三连接块端面垂直度?.内:动. 。 .外径跳动.拌中.盖柄外径群 .外径 中.中.内径.整个系统测量的动作顺序.工件吊至准备位置,并放入待测的工位上。限位开关或汽缸磁感应开关发信号确认。.工件进入工作位置后,工件各个传感器进入准工作位置此时传感器具有真空回缩保护,由汽缸磁感应开关发出信号,各传感器解除保护进入工作状态。准备测量。.按下测试按钮,电机开始启动,工件旋转,测试开始。.当连接块进入测量位置,光电开关发出信号,该传感器解除保护,到达测量工作位置,当连接块离开测量位置,传感器又进入回缩保护状态,以此类推。.工件旋转满三只连接块测量结束光电开关记数,旋转编码器发出信号。工件旋转停止,各传感器进入保护状态再退出工作位置。.提起工件,从测试位置推出,进入下一个循环。机械部分设计的原则是:结构合理,工作平稳,可靠性好。在完成功能的前提下力求结构简单,便于加工、装配和维修。本检测仪还采用双导轨的汽缸作为传感器的传送装置,具有工作可靠,运动平稳等特性。第二章液力变矩器测试系统介绍上海交通大学硕士学位论文?基准总成测试系统的硬件部分.测试系统的硬件组成整个测试系统以高性能的工控机和多功能数据采集卡为核心。系统硬件框图如图.所示?卜?一五主测试按钮工板测内孔及内径跳动 路多?一从测试按钮言输信 功测曲面端跳动 ?卜?一斗业入电机到位开关模号 能模块卜测各接块端面垂直度?汽缸到位开关调数控块测外径及外径跳动? ?卜?一理据 限位开关制测盖柄外径?电采舌?路集 板计 电磁阔一?卡输模电磁阀算出块网,电磁阀?机模步进电机驱动器?斗块显示器、键盘、打印机 图硬件框图总线工控机:主要用于实时控制测试过程、数据处理、存储、查询、统计分析和系统管理等一卡:高性能的多功能数据采集卡,提供了位的/、/转换,数字输入输出,可编程记数/定时器。完成精确的数据采样功能。调理电路:对传感器信号进行检波、放大和滤波,提供的内部供电电压,包括带光电隔离输出的继电器组。路/板:光电隔离的路输入输出控制卡,用于检测测试面板上的各测试按钮,到位信号,同时控制各电磁阀的开关。通过脉冲信号和方向电平驱动各步进电机来协调整个测试过程。位移传感器:传感器激励%,灵敏度/,/,光电编码器:旋转轴和光电编码相连。测试过程中工作台旋转时,光电编码器记数。通过读取采集卡模块中的计数器确定转过的角度,为旋转工作台提供精确的定位,保证采集到的各个通道数据的相关性。其中,三个电磁阀和到位信号分别用来控制打开、关闭工作台和汽缸保证测试前各个传感器到位。在以上的各个组成部分中数据采集卡是整个硬件组成的核心。在接下来一小节中将对此进行专门讨论。.。高速数据采集卡在系统中的应用【】,【】一研华多功能数据采集卡:提供了位的/、/转换,数字输入输出,可编程记数/定时器。可完成精确的数据采样功能。一.用.实现/转换第二章液力变矩器测试系统介绍上海交通大学硕士学位论文要对.卡进行编程实现高速采样的关键是理解采集卡个寄存器的功能。培卡要求计算机/地址范围内提供的个连续地址空间。每一个地址对应于采集卡上的一个寄存器。每个寄存器的地址采集卡的基地址有一个确定的偏移量。下面的表给出了用于/采样的四个寄存器功能。在后面还会介绍高速采集卡和光电编码器结合实现准确定位的问题。现设采集卡的基地址为:襄/下面两表是对应三个寄存器各个位的含义表.表表.由上面几张表可知、两个寄存器保存了位采样的结果,/转换值的高位存在于,而低位寄存器的高四位中。由可以确定所采样数据是从路通道中哪个通道采集而来。寄存器确定采样通道号和通道数。低位存放起始采样通道,高位为截止通道号。以下是通过对采集卡端口直接读取采样结果的例子:.;.;,;/用软件触发刖转换,;/设定采样通道号,且为单通道,;/给系统以一定的延时,等待模拟开关的稳定导通;第二章液力变矩器测试系统介绍上海交通大学硕士学位论文;/获得高八位的采样值;/获得低四位的采样值/:/;将采样值转换为电压值二.利用采集卡和光电编码器实现工件的定位由于脉冲式光电编码器的检测精度高,可靠,广泛地被用于长度和角度的测量中。为了能拟合出各被测量的最佳测试值,每采集一定的数据就要对应工件转过的角度,在本系统中是应用一卡和光电编码器来实现这一功能的。将光电编码器的脉冲输出接入到一卡的一个/口,使之与卡内的可编程计数器的输入口相连.当工件转动的同时也带动了光电编码器脉冲/转的旋转。它能准确地记下转过的角度,我们通过读取卡中计数器的值可以得到工件转过的角度。每转过一定的角度采集一定的数据,保证采样得到的数据能很好的拟合出各个被测量。一卡的芯片提供了三个独立的位递减计数器。每个计数器都有自己独立的输入,输出和控制口.计数范围从。最大的信号输入频率允许达到。芯片中的计数器和是串联的,计数器的输入是内部晶震产生的固定或的脉冲,它的输出接入到计数器的输入端,而计数器输出端在内部被初始化为/转换器的触发脉冲。计数器才是用户可以根据自身要求进行操作的唯一一个计数器。图为芯片内部框图:?二习一. ?一.? , 鹳。、图埠芯片内部个计数器原理框图由图可知,在本系统中只能采用计数器,光电编码器中出来的脉冲从接入,对应于一卡的第管脚。计数器在数据采集卡中的控制字对应于和两个寄存器:表. , ,选择采用的计数器,选择读写操作,选择计数方式。以下是通过读取来确定光电编码器的脉冲数的一段程序:第二章液力变矩器测试系统介绍 上海交通大学硕士学位论文,;/,;/先读取低位;/给系统以一定延时,防止误读取;/再读取高位;在读取计数器的时候还有一点要注意的是,它有一个计数范围,超过这个值它会产生溢出现象。也需要在对编程中加以判断。小结在本章对测试系统做了介绍,集中讨论了它的机械部分和硬件部分。在机械部分中对系统装置示意图、定位、被测技术指标和测试流程作了简要介绍。在硬件部分给出了硬件框图,并对各个组成部分做了一定讨论,重点讨论了通过数据采集卡实现/转换和通过光电编码器完成对测试一起的定位控制。由于篇幅关系没有对强电控制的路/模块和做进一步介绍,只给出其设计的原理图。,采用计数器和模式第三章测控系统的软件设计上海交通大学硕士学位论文第三章测控系统的软件设计本系统采用的是.开发平台,基于操作系统.是一个功能极其强大的工具,是许多工具的集合,这些工具有机地结合在一起,形成一个动态的即时可用的软件包。它可以实现中的各种功能。在本章中将介绍.软件模块化的优缺点;.本系统的软件结构和模块的实现;.测试系统软件中的一些关键技术;.测试系统中干扰信号的软件处理。.软件模块化设计法简介随着软件工程学的发展,模块化软件设计方法逐步为人们所重视。模块化设计方法的主要思想就是将整个系统进行分解,分解成为若干个功能独立的、能分别设计、编码和调试的模块,使程序员能单独地负责一个或几个模块的研制,并且研制一个模块时不需知道系统中其他模块的内部结构和编码细节。模块之间的接口应尽可能简明;模块应尽可能彼此隔离.可以说,大型系统的重要研究课题就是各个组成模块之间的接口关系;系统在相当的程度上体现在其各个组成部分的接口关系上。而小型程序的结构良好性在于易读、可验证性等等,这正是现代大型程序系统与小型程序在结构上的本质区别“?.将模块化设计方法应用于系统设计中有许多优点:使程序系统的结构简明清晰大型程序系统具有较高的复杂性,要一下子考虑清楚“怎么做”的问题是很困难的,因而必须把“做什么”与“怎么做”分开考虑。模块化的思想正好为此提供了方便。譬如就调用关系来说,从调用模块的角度看,被调模块代表了某个能够实现的“动作”,人们可以根据它“做什么”去使用它;而根本不必去理会它“怎么做”。从被调模块的角度来看,人们关心的是它“怎么做”,而不必去理会它是如何被使用的,亦即模块是一个“黑箱”,对于外界及调用它的模块来说,它们仅需了解这个模块的功能;而不需涉及其如何转换信息的细节问题。每当分析某一个问题涉及到它的干问题时就可把这个子问题看成系统中的一个黑箱,仅考虑它的处理功能。这样,我们就可在处理抽象程度较高的层次时,避免涉及抽象程度较低的层次细节。模块化涉及方法符合人的思维习惯,可使研制成的系统具有较合理的结构,使系统的结构简明、清晰。能提高程序系统的可靠性由于大型程序系统规模庞大,复杂程度高。在研制过程中极易产生错误,因而提高可靠性,对大型程序系统来说是极其重要的.如上所述,模块化设计方法有利于化整体为局部,化繁为简,整个设计过程比较符合人的思维习惯,因而能减少系统设计和模块实现中的错误,大大提高程序的可靠性.第三章测控系统的软件没计上海交通大学硕士学位论文块之间的相互牵连和影响比较少,因此负责各模块的程序人员之间的相互牵连和影响也比较少,这就大大减少了由于程序人员之间信息交换所造成的错误,因而能较好地保证程序结构的正确性。能提高系统的可维护性任何程序系统在投入运行之后,总会因某些原因如发现了错误、增加功能、为适应环境的变化等等而需要一定的维护工作。但是大型程序系统规模庞大,结构复杂,要查出错误和修改都是较困难的。鉴于模块化设计方法有上述的二个优点,这就便于维护人员了解整个系统的结构,系统的各级层次、各个模块的关系和接口,从而查错和维修就比较容易。此外由于模块化程序系统中各模块的独立性较高,因而对系统中某一模块的修改所产生的波动范围就较小。能提高程序系统的可适应性常常有这样的情况,不同的用户提出基本相同但又不完全相同的要求,对于同一用户来说,常会有时需要这些功能的组合,有时又需要另外一些功能的组合.如果使用非模块化设计方法就不得不为每一用户及每一用户不同时期的不同需求研制不同的软件系统。毫无疑问,这样做对资金和人力都是极大的浪费。在此情况下,适宜于构造积木式系统的模块化设计方法就显示了极大的优越性。采用模块化设计方法,我们就可以根据用户的要求和机器配置的情况,生成适用于用户需求的系统。有利于软件工程管理由于模块化程序系统的开发步骤较清楚,便于管理人员掌握和了解开发进度,同时也便于管理人员了解各模块的重要性和复杂程度,以便把关键性的、较难编制的模块交给较好的程序员会完成,而把较易实现的模块交给般的程序员去完成。这样就可以让每个程序员都能较好地发挥才能,较好地完成自己的任务,使整个系统的研制协调匹配起来.尽管使用模块化设计方法有不少优点,但也有如下缺点:编码前需要大量的额外工作为了编写模块化程序,在设计阶段。程序员必须在每一步中加以仔细考虑;考虑其设计的正确性,考虑其设计是否能较容易地改动。对于大型系统来说,在设计的每一阶段。应当生成适当的文件资料,以便于理解.所有这些编码之前的工作都比较枯燥,需要较大的耐心。模块化程序运行时需要较多的时间这种情况主要发生在采用高级语言,而又企图高度子程序化的时候。因为子程序的进入与退出需要时间。如果程序系统的输入输出部分完全分离于计算部分,则还可能需要更多的时间。因为在对一个输人记录开始处理之前可能要经过几个子程序的传递,但据统计,除了在特殊的情况下某些实时应用程序等,模块化时间方法引起的额外时间不会超过总时间的%以上。模块化程序需要较多的存储空间因为如果每个子程序都有各自的工作存储区,则整个程序就需要稍多一些的存储量。如果程序是用大量的子程序来实现的,则于程序之间的连接也需要上海交通大学硕士学位论文第三章测控系统的软件设计额外的存储单元,在大多数情况下,模块化设计方法不应该使程序所需的存储量增加%一%。但除了对子程序的大小有限制的机器,或对于存储量相当有限的机器之外,存储空间的增加不会引起麻烦。为了提高效率就要深入到存储结构对于许多大型的联机或实时计算机系统来说;仅仅把程序分解成几个较小的、能一次装入内存的子程序是不够的,程序员还得保证在适当的时候能把适当的子程序调入内存。对于某些系统还要求程序员能把分解所得的子程序有效地置于一个页面内.那些互相频繁调用的子程序应该全部存放于相同的页面内:以便保证被同时置于计算机的物理存储中.尽管模块化设计方法有其不足之处,但与其优点相比较就显得微不足道了.尤其在计算机速度增加和内存容量不断增大的今天,更是如此.?液力变矩器总成微机自动测试系统的软件结构.开发平台,基于操作系统。所本系统采用的是要测试的参数多,同时要求系统完成多个功能,整个软件可以分为以下个模块,如图?所示:图软件模块.采集数据、处理模块:控制步进电机、电磁阀等硬件,协调整个测试流程。采集数据,并对采集完的数据滤波、分析与处理将测试的结果。.参数设置模块:用户设置功能,为了保证系统的安全性,对用户的操作权限进行设置。一般操作者只能测试工件,而无法进行其它工作。而管理者则可以设置参数,设置用户,进入数据库,查询数据并进行数据分析.工程人第三章测控系统的软件设计上海交通大学硕士学位论文以根据不同的情况设置上、下公差带,质量控制线范围,所使用的标准件的代号,零件标准尺寸及标块参数,还可以定时对传感器进行标定,调整各个传感器的放大倍数。.自检模块:自检是在测试之前对所有的硬件进行检测,它方便了系统硬件的调试,使硬件调试模块化。在本系统中,涉及的主要硬件有/输入输出板,/采样板,步进电机,编码器,相应的有四个自检模块./自检对路输入路输出包括启动开关,限位开关,气阀控制开关进行检测,/自检对多路通道进行采集数据的检测,电机自检可以实现电机正向、反向、速度的检测,编码器自检可以测试步进电机与编码器之间的配合保证步进电机转过的角度,是工件准确定位。.显示模块:在测试完一个工件后能根据测量的要求,即时显示测试的数据,被测参数的图形,显示各种指示灯。以及以被测参数的正态分布图,趋势图,直方图等多种形式显示参数。.打印模块:测完一个工件后能立刻打印出数据与其图形,同时也能完成历史详细数据打印。.数据库管理模块:保存管理操作者信息、权限,各种历史数据的详细信息,包括各个参数,合格与否,测试时间,班次等等,最后还提供数据检索及查询。.统计分析模块:实现统计过程控制 简称,通过历史数据,画出控制图,分析工序能力。应用统计学原理监视过程,判断过程是否处于“在控状态”。及时发现生产过程中的不稳定因素,保证生产的正常运行。综上所述,由于充分发挥了面向对象设计的能力,大多数模块是继承系统资源基础上完成的,因此大大减轻了程序设计的工作量,使程序变得简单易行,容易维护和扩展?。 测试系统软件中的其它关键技术.多线程技术四支持基于线程的抢先式多任务处理,进程是应用程序的执行实例,而线程是一条经过一个进程代码的执行路径。每个进程至少有一个主线程做为它生命的开始,在主线程后可以打开多个辅助线程。操作系统给每一个线程分配时间片,每个线程拥有自己的一组寄存器和堆栈,并通过内部的抢先调度程序在活动线程之间分配占用时间,因此这些线程在表面上是同时运行的。在 中区分了两种不同类型的线程:用户界面线程和工作者线程 ,把这两种线程都封装在类中。可以构造一个对象,并调用对象的函数来创建线程,也可以使用构造一个对象并第三章测控系统的软件设计上海交通大学硕士学位论文虽然并发运行线程的并行性增加了代码的额外的复杂度,但我们可以利用多线程技术可以将应用程序中不同的功能划分给不同的线程处理,这样可以提高的利用率,减少测试系统的系统等待时间,改善人机交互的环境,极大地改善一个测试系统的响应性能。.精确的定时液力变矩器总成测试系统要求能准确而及时地检测和分析各个参数,并能保证整个测试过程平稳运行,因此本系统对测试工作的实时性有较高的要求。在设计实时控制系统时,理论上应选用实时操作系统或者是能支持实时操作功能的系统,但在实际开发过程中,由于要考虑到软件的运行环境,操作系统的通用性、易操作性等各种因素。本系统的测试软件运行平台是操作系统,它可以充分利用图形用户界面,和强大的系统功能,但由于是基于消息驱动,多线程、抢先多任务机制的非实时操作系统。因此为保证采样数据的完整性和连续性,精确地定时机制尤为现得重要。提供了两类定时器,它们分别是在系统消息队列中加入消息的函数和多媒体时钟调用函数。由于内部定时器不高于.次/秒的周期限制及消息响应机制。使它不适合于为测试系统的实时数据采集与控制进行精确定时,因此本系统采用了多媒体定时器,它能精确定时到,具有较高的定时精度,相应的时钟事件在单独的线程中完成,非常适用于用作数据采集任务的同步时钟。多媒体定时器一般是用于多媒体中,例如音序器需要高精度的定时器,因为它必须在毫秒内保持事件的步调.当然,也可以将其另作它用。 多媒体定时器可以使应用系统以很高的精度对硬件进行定时控制,与硬件中断相当,而且比较安全,不容易造成死机现象。由此可以将多媒体定时器应用于实时测试系统,以满足其实时性的要求。我们使用函数来设置多媒体定时器。在定时到来时,直接调用其回调函数,其准确性仅与系统硬件有关,精度可达到毫秒,并可同时设置多个定时器,产生适合于控制计数器动作的时间信号。它主要由以下函数来实现:建立应用程序使用的定时器分辨率:清除用函数建立的最小定时器分辨率:返回关于定时器服务能力的信息.:产生一个在指定的时间或时间间隔内执行的定时器其主要参数如下: 以毫秒为单位的延时定时器的分辨率:回调函数的地址:传递给回调函数的参数:定时的种类.第三章测控系统的软件设计上海交通大学硕士学位论文单次定时对周期性定时:清除用函数产生的定时器,回调函数,类似于中断处理程序其中:函数返回的定时器句柄:传递参数其它参数保留未用在回调函数中,结合测试系统可以进行数据采集及电机驱动等工作。此种方案只须调用,而不需要与硬件打交道,实现起来较上述修改系统定时器更为简单。且其实质与硬件中断处理程序相当,不存在采用多线程处理程序时间片分配时的失控时间和控制时间的问题。.数据的采集在通常情况下,计算机和外设的数据交换是在的控制下进行的。我们可以采用查询和中断方法进行数据采样存取,用这两种方式传送数据,平均每个字节要耗费的时间。这比存储器的存取时间要慢很多,所以经进行大量的数据传送是不经济的。在测试系统中如果测试的数据量不大,实时性要求不高时,用这两种方式传送数据能满足测试的要求。但当测试系统中被测量很多,每个参数所要采集的数据量很大,而且对整个测试系统的实时性要求很高时,采用上述的两种方法很可能不能完成所分配的任务,导致数据的丢失,步进电机失步。直接存储器存取方法,它采用一个控制器,在进行存取时,让出总线控制权,由控制器直接控制地址总线、控制总线和数据总线,让存储器和高速外设直接交换数据,不再干预,这样大大减少了中间环节,提高了传输速度。数据采集的实现要和硬件底层打交道,要对主板上控制位高速数据采器进行操作。编程工作量很大。本系统采用的研华一集卡提供了部分动态连接库,封装了大部分和硬件的操作,极大方便编程。图?是在液力变矩器总成测试系统中多通道数据采集流程图:第三章测控系统的软件设计上海交通大学硕士学位论文图多通道事件触发数据采集流程图.多视技术在测试系统中监控界面是软件的重要组成部分,它是系统和操作者直接交互的窗口,要求包含的信息量大同时要求美观、简洁。另外人机界面还要保证操作者能方便、迅速、可靠地操作测试系统。在本系统中监控界面主要分为三个种:.是测试系统的主界面,包含菜单和工具条。这个界面通过一个来实现。.测试流程的监控界面,这主要通过在在测试线程中调用对话框来完成。.各个测试数据及其图形的显示。在这个界面中要显示的数据量信息大,不但有大量字符数据还要有图形信息,第三章测控系统的软件设计上海交通大学硕士学位论文警告指示灯。要让工程人员迅速地了解工件本身的状况。这些视图的实现好坏关系到整个测试系统的美观和易操作性。主窗的两侧显示控制命令图形按钮,分别实现系统的几大功能。各个命令按钮之间的协调工作是利用消息传送机制来实现的,在测试过程中利用多媒体定时器来处理实时任务,两者相结合极好地处理了测试系统的各种任务。使整个系统可以稳定、协调地运行。除上述三种监控乔面外还有许多利用弹出式窗口实现的界面,它们实现无法从主界面上直接实现的功能,如用户设置、参数设置、历史数据查询等。这些界面补充了测试系统的功能,使它成为一个完整的系统。这里着重介绍实现第三种监控界面时采用的多视技术。在生成多视的界面时,主要是运用了运行期间类信息的概念,支持动态生成,由宏、和类来实现。先设定每个视的号,并由 来维护对象状态,其主要源码如下:九?九?九九九九?九九?:?/胖断新选择的视是否为默认视;/;/定义一个动态生成视类?:/对应于变矩器盖柄外径参数的视图?;:/对应于变矩器内径参数的视图 ;/对应于多个视图:;.;.;第三章测控系统的软件设计上海交通大学硕士学位论文?;/显示当前视图为显示状态一;/激活视图;/把激活的视设为默认值.廿;/销毁原先的视四九五五五四五四九锥“四五六“五四“五四九五五五“四“以上代码运用了动态生成的特性,使得在多个视之间可以任意切换,且源码非常简洁,比通常处理多视时用中的和更为简单。剩下的工作只要在不同视类中编写各自的代码。?测试系统中干扰信号的软件处理在测试仪器系统中,测量精度是首要的技术指标。而干扰信号会影响测量的精度,因此对干扰信号的处理就成为至关重要的技术问题。干扰信号的处理可以通过硬件来解决,也可以通过软件方法加以解决.本节讨论三种干扰信号分别造成的系统误差、随机误差以及粗大误差的软件处理方法,并给出相应算法和处理流程。.单频率干扰信号的处理”“”用示波器观察被测信号波形时,波形线经常比较粗,往往聚焦很困难,这是由于某一正弦干扰信号叠加在被测波形上。这类干扰可能来自供电电源如工频、仪器内部电路振荡或外界干扰。所造成的误差属于系统误差。通常处理这类干扰的方法是用硬件滤波、双积分/转换技术。但硬件处理缺乏灵活性,用软件处理可弥补这一缺点。设干扰为角频率等于的正弦信号,即,.对此干扰采样,根据采样定理其采样频率最少为信号中最大频率的倍.采样周期为/取个相邻样点值之和翻啷越一越一畦一竺咖竺吼坚学哇烨第三章测控系统的软件设计上海交通大学硕士学位论文?国“二二出、一等 胛国掣式 当中 时“ 卫胛一卅。仉蟹可见,只要调整好参数/,使之等于整数,那么干扰信号的几个相邻采样值之和恒为零。通常,被测信号与干扰信号是线性叠加的,即矿,矿为直接测量结果。同时,我们所研究的被测信号随时间的变化较干扰信号变化更为缓慢,如下图所示。当对进行采样时,采样频率应按照干扰频率来确定。根据叠加原理,的每个采样值也是线性叠加的不考虑量化误差,即现在以点为中心,前后各取个相邻采样值求平均值:图测量信号中含有固定的高频干扰,吣丽黔,丽净,嘉磐,式?中的后一项是个相邻干扰作点值的平均值,这里的胛由前述分析可知,只要选择/为整数,该项恒为。例如,当干扰频率为时,选择采样频率为,相当于式中的,必有奎%一。她嘉毫当为恒定直流信号时,它的每个采样值相等,此时“。当为缓变信号时,可认为每个相邻采样点处于线性段,此时。第三章测控系统的软件设计上海交通大学硕士学位论文由以上分析可得出结论:当一缓变的被测信号叠加上单一频率的正弦干扰时,如果取个相邻样点的平均值,并且调整参数/为采样频率与干扰频率的比值为整数,那么该平均值即为这个采样点之中间点的被测信号采样值,此值无干扰成分。按照此结论,我们可以将每个采样值都以它前后共”个采样值的平均值来代