（信号与信息处理专业论文）wq66起动机试车台计算机辅助测控系统开发.pdf

摘要 本文主要讨论了w q 6 6 起动机试车台计算机辅助测控系统的开发过程及方 法 航空发动祝计算瓿辅助试验系统经过近二十零的发震 冀在替代传统搜嚣仪 表 减辍试车人员工作强度 减少试车人员误操作 提高测试效率 事后蒋分析 等方面已发挥了很大效用 但由于冀主要集中于整个系统的测试方面 整个系统 更迸一步漪塞动讫胬肴禳大麴空溺 跑翔 由于蒋凌酶渊功嚣麓控劁结翰灞魄路 搭建 赦丽系统的控制结构无法改变而且控制参数往往是单一的一组 若熠电路 搭建控制参数可实时交的话难度犬 代价高 而数字计算机控制可轻松的解决之 有鉴篙此 本文绻合殴往航空发动枧计算枫辅鼬试验系统藏熟的工程技术并 针对跣 主要润题 磷究讨论了阗鹅超动机试攀螽诗算机辅助溅控系统的褰现 方法 在解决新问题的同时 力求使设计的软件典有通用意义 力求系统 深刻 的研究和总结软件核心模块的实现技术和主要阀髓 以便在以盾的工作中减少开 发藏本 提高软绎酶开发效率 改蒋赣磐麓毽壮缝和重复穗 本文缩合实际项黼的开发过程 对獬6 起动机试车台计算机辅助测控熏统 中的软件的总体结构以及软件中棱心模块的实现技术进行了较为系统深入的研 究与慧续 并对其进行了规范以便在今后的系统器发孛实现软件棱心摸块的羹 霸 提离较件开发效率 降溉开发藏零 提高软释游可靠性及酉维护牲 基予此 本文在第二章中总结和研究了系统的总体结构 第三章中着重研究和总结了较件 核心模块的实现技术以及应用 具体包括 传感器校验 定甜嚣 串口 局域网 控铡 数字滤波等棱心模块 奉章最露漭劐了蔫统懿实际馕爝情嚣 第避鬃瓣垒 文工作进行了总结 并对后续发展进行了展望 目前奉系统已经用于株州3 3 1 厂的w q 6 6 起动枫试车工作 蒸统工作稳定 可 靠 各颂搜术指耩满足设计要求 受到工厂酚 致好评 美键字 航空发动桃 计算枫辅助试验 系统工程 硬件 较棒 a b s t r a c t i i lt h i sp a p 盯t h ep r o c e s st 0d e s i 印t 1 1 ec 伽叩u t e r 加d e d t e s 幽gs y s t e m c a i w i l ha u l dc o i l 仃0 1 t e d m o l o gi sd i s c i l s s e d b e c a u 辩 圮c 伽叩u t e ra i d e d t e s t i n gs y s t e mo fa e f o g i n eh 船d e v e l o p e df o r a b o m 铆e n i yy 娜 t h e 锣g t e i nc 越s u b s t i t i 他扛a d i t i o ni n 舳e 吨e a t c s t i n g w o r k 盱 st a s ki n t c n s i o n r c d u c e 僦n gw o r k e r se r r o ro p e 珀 t i o n i m p r o v et e s t m g e f f i c i 即c y 锄dp c e s sa f t e n a r d sa n a l y s i s b u tb e c a u 辩i t sa p p l i c a l i o n sm o s t l y f a s t e no na e r o e n g i n e st e s t i n g t l l es y g 沧m s 龇t o m a l i z a t i o nc a nb es 呦g t h e n e d f o r e x 锄p l e b a u s ea 订a d i t i o nd r i v e 培 sc o m r o lc m f i g 眦t i o ni sp u tu p b ye l e 咖i f l u 沁 t h es y s t e m sc 0 蚯g u 枷o n 趾d n n d lp a r a m e t e rc 孤n o tb ec h 缸g e d i fa e l e c 协o c i 枷i t sc o n t r o lp a r a m e t e r c a nb ed 姗g e d i ti s l o r ed i 饪i c t l h 缸dm o r c e 拼 n b md i 百t a lc o m p m 髓c 0 咖lc 趾s 眦1 et h ep r o b l e me d y t h 盯e f o t h ep a p e r 托f b 蚴c c da n c i e mw e n r o u n d e de n g i i l e e r i n gt e 妇o l o g y 勰da b o v em o 吐p f 出e m a n dd i s c l l s s e d b l l i l d i n gm e 也o do f 吐圮c o m p u t e r m d c d t e s t i l l gs y s t c mf o rw q 6 6s t a r t e r o t i l e r i t h es y s t e m ss o f 晒a w i l lb c b e s i 印e dm o r cc o m m o n i y 锄dm o r es y s t e i n a t i s m i y t h ep a p e ri sb a s c do nap r o j e c t f i f s t 丘锄eo fk 眦 a 糟a n d 丘w a r e a r e d i s c i l s s e di nd lb yl i s i n gt l l et l l c o 叮o fs y s t e me i l g i n e e r i i l g t h e nt h ec o r em o d l l l e a f ed i s c 璐s c di n 洲 t h e yc o n c l u d e n s o rc h e c k i n 岛痂n e r r i a lp o n l o c a la r e a n e t l r o 啦a l i t oc 0 咖l d i g i t a lf i l t e r 锄ds oo n n ep i i p o s ei si i n p r o v i n gp r o 鲈蛐g e m c i e n c y r a 妇i 喀p f o d u dc o s t 趾di m p r o v i n gt h er c l i a b i l 蚵a n dm 删n a b i l 毋o f f h 甜e t h ef b u r i hc h a p t e rd i s c l l s st h es y s t e m su i naf a c c o r y a n dt l 峙丘f l l l c h a p t e rs u ms y s t 豇n i c a l l yu pm yp a p e r 趾dp r o s p e c t 忸i n gd e v e l 0 1 m l e m t 1 l i ss y s t 锄h 嬲b c 吼u d 细w q 6 6 a 盯o e l l g m e t e s t 姗i n z h o u z h 叩 a e r o e n g i n e g r o u p l t d k e yw o r d s a e r o 百n e c o m p u t e r a i d e dt e s t i n g s y s t e me n g i i l e e 抽g l 珊r d w a r e s o f t w a r e l i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产 权单位属于西北工业大学 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 本 人允许论文被查阅和借阅 学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可 以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 同时本人保证 毕业后结合学位论文 研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名 聊年哆 月玎日 指导教师签名 纠年弓月斫 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导 师的指导下进行研究工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用的内容和致谢的地方 外 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果 不包含本人或其他 已申请学位或其他用途使用过的成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中 以明确方式表明 本人学位论文与资料若有不实 愿意承担一切相关的法律责任 学位论文作者签名 渊年 西北工邋大攀硕士学谴论文第一章绪论 第一章绪论 1 1计算机辅助试验系统的研究与应用现状 2 0 世纪9 年代戳精 发动枫试验和测试技术随着现代徽电子技术翱徽计算 机技术发展有了很大的飞跃 向自动化 数字化 综合化 智能化和网络化发展 发动机静真 动态测量 状态监控秘诊断及发动概试验数据瘁搬在蓊世纪进入发 动瓤醋铡发展的前沿 进入9 0 年代 飙传感器 控制嚣至终端都融实现了数字优控制 自动化设 备将采用以传感器为基础的操作系统 数字化器件是信号处理通信中的主要器 件 鲻羲应控制技术耱专家系统都跫经获褥应麓 0 年代鹣测控役器是虢徽处 理器隽基础 带有专豢知识库 其有一定推理裁力静智能仪器 测控系统栗淆多 机与网络技术为基础的系统 实现测试一处理 空制 管理的全自动化 这大大降低了费用和消耗 提高了试验效率和质壁 测试系统数据处理能力燕在 夫力发展辩行处理搜恭 计算瓿辅勘接拳会遴一步得到瘟用 建立发动撬试验数 据库 开发仿真技术和发动机监控和谚断已成为迫切的需要 虚拟技术和计算可 视化在发勘机试验和测试技术中具有广阔的应用前景 数据采集系统鳇设计进入 举德采溺戳惑线海基础鹣综仓设计 脊镀激计 算机为蒸础的系统 硬件采蔫事徉驱动技术 可编程信号调理模块 多路阄时采 样组件 寅时数据显示与分析 易使用的操作员接口 大容量数据存储分析与表 示等 纛开放式综台蘩缝中 采用了标准总线 如涮e 和张薹瓣 标准接黼 如 s 蕊至和谜援等 或檬攮计算机乎镪跣爱通蔫憋纛嚣 此辨 惩大力开发斑爝多 处理器 浮点协处理器与数字信号处理器 d s p 和智能数据采集软件 数字分 析软件 多用户支持软件 瞬态和动态数据存储软件 绘图 制表及报警产生报 告较髂等 谴焉中要求具有实时健 曩惩控 茸扩链和霹移檀缝 接广采溺工业 标准软件包 在软件设计中考虑到确保数据的宠整性 易予建立试验过程 勇于 数据存储 易于修改和开发 1 6 先进黧素太发动枫公司都有蒜翔试验设备及测试系统 铡鲡 阿诺德王程发 震中 盘 羹阉 酌髂襻推进系统鸯窒模拟试车裔配置了氆赛上最先进的测试系 统 该系统将数据采集 处理 显示 分析和拄瞒0 综合为一体 缩短试验周期 节省发动机工作寿命 降低运行费用及减少工作人员 并能存储更多的有用数据 势傀纯发动概设计提供酉靠鹃裱撬l 淄l 美国逶磁电气公司在发动瓤试验中 慕溺 一种太闳环测试系统 从启动到停率共用5 3 个程穿 慢车 起飞 巡航 最大 繇囊基工鲎夫攀碛士学魏论文筹一霉缝避 功率 进场和冷却停车等 所有试验结果 数据表格均霹邋过三台显示终端显 示给试验a 员 据统计 采用该测试系统w 使试验时间减少2 7 燃漓节省2 5 在国内 科研八员氇攀邑开始遥糟e 熊技术进行测试黍统的研制开发 翔山 东矿业学院与新汶矿务局职工大学联合开发的 采煤机与电动机计簿机辅助测试 试验台静 电子科技大学研制鼢 榄床主辘隧转误差计算概辅助测试系统辨 太原 理正大学研制的辩液压系统计算机辅助测试系统 华中理工大学研制的 计算 概辅韵风撬试验系统捧馘爱涵东王渡大学辩发豹群浮筏隔摄系统功率流诗算机辅 助测试系统等 航空发动机试车领域 c a t 系统的开发和应用也有了 定的发展 熏鹳3 年西麓互建大学七系数据采集与处壤中心与六二露所金律竞藏了s 瓣3 0 l 平面叶栅擞t 系统的开发 1 9 9 4 年又与黎阳公司合作研制成功了围内第一套用 于航空发动枫生产试车薛c 解系统 之蜃 壹敞警靛空发动飙试举e 翦蓑缆熬 研制开发 已有多套系统投入生产使用 基前 我鋈已霄若干襄冒纛鸯簿研制或垒套军l 进翡计冀魏数据莱集系统鬻予 航空发动机台架试车中 对于试车台计算机测量 控制试车软件的系统功能 设 计准剃 较糌绪擒 采撵遣率变纯 数据豫嬷 爨韵黄输 鸯动控毒l 程寒试车 编程语言的选择进行了深入研究 由于试车要求准确 迅速 从慢军到最大状态 涵 1 手柄移动爵瓣不太子差霪 状悫变换频繁 西此采爝以计算枫隽梭心躲瓣控 试举系统束完成数据采集 发动机性能在线监视 越限报警及安全保护试车 自 动试车和试车缝果输出 避进入窦爝阶段 l 2 零文的研究鹾鹃与意义 航空发动机计算机辅助试验暴缝经过避 卡年麴发震 冀在替代传统仪器搜 表 减轻试车人员工作强魔 减少试车太黄误操俸 提高测试效率 事后稃分析 等方面已发挥了很大效用 但由予其主要集中于整个系统的测试方面 整个系统 更避一步懿爨动能份有很大的空阐 比如 情况一 由予硬件按镊和较佟接镫是多对多酶关系 因此试车入员在点击了 硬件按钮 以通知硬件系统试验簧具体予的事情 之后 必须再次在程序中点击 软律按钮 逶舞软件系统试验要其体于的枣情 这样操髂禳烦琐 试车人员有 时点击了磺件按钮后误认为或忘记了在程序中点赘软件接钮 这样易造成误操 露 情况二 在试车过程中试车人员必须手动控制测功器 这就对试车人员有较 高瓣要求 方西试车人爨需要辩测功嚣嚣一定麴了解 熬一方鬣操佟蘩媾熟 2 瑟戴王塑大学磷圭 学霞论文然一章绪论 必须在规定的时间内按照规定的要求对测功器进行操作 对于大型发动机 过渡 过糕并无严格的要求的情况漪可手控 对予小型发韵枫 特制像购酾这样的起 动机 对过渡过程蒋严格要求的情形 手控就有缀大的难度 必须进行自动控 制 情况三 由于传统的测功器的控制结构用电路搭建 故简系统的控制结构无 法魏变磊虽攘铡参数往往悬攀一的一组 著鼹电路搭建控制参数爵蜜畸变麓话难 度大 代价高 而数字计算机控制可轻松的解决之 畜鉴冬就 奉文绻舍黻往航空发魂辘计算枫鞴髓试验藁统或熟瓣工程技恭并 针对以上主纂问题 研究讨论了聃6 6 起动机试车台计算机辅助测撵系统的实现 方法 在解凝薪闻遂熬同孵 力求使设计的软件冥蠢通爰意义 力求系统 深刻 的研究和总结软件核心模块的实现技术和主要问题 以便在以后的王作中减少开 发蕊零 提离襞髀瓣嚣发数枣 改善戟侔憋健壮性裙重复瞧 熏 3 本文的主要歪侔及鳍鞫安撵 奉太在研究生输段参与了导师燕持的皴空发动枫试事e 艘系统的研铡开发 工作 2 0 年3 月参与了搿购6 6 起动机试车台计算机辅助测控系统舻的研制开 发 本人主篓承担的王作有 1 结合具体课题进行硬件的配置及安装 2 较件总髂设诗 模块开发 软件测试 教件调试 3 较硬粹的现场联合调试等 本文结合实鼯颚县媳帮发过糕 对购6 6 起动机试车台计算机辅助测控系统 中麴软件韵总体结构以及较释中核心模块的实现技术进行了较为系统的研究与 总继 并对其进行了规范以便在以艏的系统开发中塞现软件棱心模块的重用 提 高软件开发效率 降低开发成本 箍斋软件酌可靠性及可维护牲 蒸于此 本文 在第二章中总结和研究了系统的总体结构 第三章中黄重研究和总缩丁软件核心 模块的实现技术以及虚爝 暴体包括 传感器校验 定时器 宰秘 属域网 控 制 数字滤波等核心模块 本章最后讲到了系统的蜜际使用情况 第四章对全文 王稼进行了总结 并对盾续笈震进行了震燕 3 西北工业大学硕士学位论文第二章豢统总体竣计 第二章系统总体设计 2 熏硬捧慧蒋设诗 数据采鬟系统廷瓣蓥发动枫试率e 觞瑗谗系统的饺 玉 凝零硬件蒸统绩褥方 案实质上就是数据采集系统的结构方案 数据采集系统是计算机在测试领域中应 用最孥 最广 获得成裁最大熬应蔫技术乏一 露翁羧据采集系统熟缝稳形式主 要有两种 一种是集中式数据采集熏统 另一种是分布式数据采集系统 羔 分布式数据采集蒸统 分布式数采系统是计算机嗣络技术发展的产物 它由若千个 数据采集站 秘上位机缝箴 各个数据采集站分捌承担备纛斡采集任务 装后透过通信接躁把 数据传递给上位机进行处理 一个数据采集站也可以看作是一个集中式的数聚系 统 其构成磐图2 一熏所示 纛大型的电力 纯工等测控领域索豢采用的是努赣式 数据采集系统方案 分森式数据采集系统的主要特点是 1 系统的适应能为强 无论是大瓶模的蒸统还是中小规模的系统 分布式系 统都鼹够适应 爨为霹以通过选用适当的数攮采集站来梅藏捆应规模的系统 2 系统霄纛性高 由于采用多个戳单片机为核心的数据采集站 蓍某个数据 采集站出现敲障 只鑫影响慕项数据的采集 蕊不会慰系统的其他部分造成影响 3 蒸统盼磐时嗡纛好 嘲于系统中各个数据采集站之闻是并行工作 所以系 统的实时响崖好 这对于大型 高速 动态数据采集藜统来说是一个根突出的优 点 4 对系统的硬件要求不离 由予每个单片帆仅完成数量十分有限昀数据采集 和憋耀柽务 露此它对硬粹麓要求不离 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 模拟信号与数字信号 图2 1 分布式数采系统 2 集中式数据采集系统 集中式数据采集系统适用于测量参数较为集中的环境 主要用于中 小规模 的数据采集任务 与分布式数采系统相比 集中式数采系统由如下特点 各种a d 数字i 0 和开关量板作为外部设备与主机构成一个集中式的完整 系统 便于维护和使用 可以通过网络作为分布式数采系统的一个 数据采集站 以充分发挥系统 的软硬件资源 造价比分布式系统低廉 信号电缆布线较为复杂 系统必须有严格的抗干扰措施 由于信号采集 处理 辅助试验等各项工作都在主机上完成 主机工作繁忙 系统软件开发复杂 为解决这一问题 可以采用前后台主机的方案 由前台主机 负责数据采集和处理工作 后台计算机负责辅助试验的工作 如数据分析 检验 控制等 两者之间通过通信接口交换信息 也可以把采集和处理任务由多台计算 机分工合作 每台计算机处理其对应的信号 最后通过网络对所有数据进行汇总 集中式数采系统如图2 2 所示 5 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体设计 图2 2 集中式数采系统 在大多数情况下 计算机通常都是远离现场的 a d 转换在何处实现也是一 个需要考虑的问题 一般有如下两个方案 1 靠近计算机放置 如图2 3 a d 转换器与计算机放在一起 便于将a d 转换器产生的数字信号 传送到计算机中 而且有利于计算机对a d 转换器的控制 但是由于a d 转换器 远离采集现场 传感器产生的模拟信号需要经过长线传输 信号的传输更易受到 干扰 因此系统的抗干扰能力要求较高 模拟信 图2 3a d 转换器靠近计算机放置 2 靠近采集现场放置 如图2 4 a d 转换器靠近采集现场 能缩短与传感器的距离 使得模拟信 号的传输线路短 受到的干扰信号要小一些 需要长线传输的数字信号抗干扰能 力较强 能够保证信号的传输精度 但是如果传输的是并行数字信号 则需要耗 费很多的传输线 若传输的是串行数字信号 则传输速度又受到限制 计算机对 a d 转换器的控制也不方便 6 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体设计 数字信 图2 4a d 转换器靠近采集现场放置 在实际使用中 具体选用那种方案 则必须要针对系统的特点和要求做出选 择 根据以上原则 鉴于航空发动机试车的测量参数基本都集中于试车间中 因 此c a t 系统的数据采集系统可以采用集中式数据采集系统方案 并由两台计算机 命名为1 号机和2 号机 组成一个对等网络分别进行数据采集与处理 最后再 把1 号机上的数据传输到2 号机计算机上 连同1 号机上的数据一起进行存储 考虑到布线 抗干扰等因素 采用a d 转换器与计算机一起放置的方式 系统的 硬件结构如图2 5 所示 图2 5c a t 硬件系统结构 7 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体设计 2 2 软件总体设计 考虑到w q 6 6 起动机试车与以往发动机试车的异同 这里的软件总体设计主 要讨论与自动试车有关的问题 软件分时 软件分时 是关系到合理有效地使用软件执行时间的重要设计内容之一 软 件分时设计包括 基本采样速率的选择 多速率组的确认 前台后台任务项目的 划分 控制量输出时刻的确认 以及工作任务时序的分配与协调等 基本采样速率的选择 根据发动机对象的不同与控制系统功能的差异 选择基本 最高 采样速率 基本采样速率值的确认 应以香农采样定理为准则 并结合工程实践经验 在保 证信息量获取非失真的程度 满足数值计算精度和系统动态指标要求以及工程实 现地可能性与成本核算等方面综合折中考虑 多速率组的确认 考虑到各种控制功能的不同任务特点 及其对采样频度与运算指令输出执行 时间长短要求的差别 软件执行速率在基本采样速率确认后 可以分为多个速率 组 为简化系统的分析与设计 多采样速率组的采样周期比宣为倍数 这样可 以保证要求执行速度快者使用高速率 要求相对慢者使用低速率 如此安排 可 以在符合系统性能要求的同时 因减少计算机的运算量 降低对计算机运算速度 的要求 从而达到经济地使用计算机机时之目的 前台后台任务项目的划分 此外 应当把实时执行软件根据其重要性划分为两组 分别在每一小帧地前 台和后台任务两个时间片中执行 例如 前台和后台任务地时间分配比为 8 5 1 5 前台任务是要求以确认的速率 必须完成的关键 重要任务速率组 是 高优先级的任务模块 后台任务是在所有被调用的固定速率组任务和动态任务已 经执行完毕后的剩余时间内执行 后台任务的优先级最低 在软件分时设计时 还应为每一小帧留出一定的机时余量 并分别分配在前台和后台两个时间片内 这样做 可以为系统研制过程中软件计算任务的增加和 或未来实际应用中可能 提出的软件扩建留出增补的预留余量 同时 也可以保证在特殊工作条件下 如 某一段时间内计算任务十分繁忙 需要超出通常所需的时间 软件的执行得以 在 小帧内完成其全部运算任务 控制量输出时刻的确认 考虑到数字控制系统信号传递过程中 信息在计算机这一环节内需要经过一 系列变换与加工 即 采样 量化 数字运算处理 输出变换 保持 等特点 8 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体设计 当计算顺序安排不合理或算法复杂时 就会增大计算延时 计算延时相当于在系 统通道中引进了延迟环节 将会恶化系统的性能 故应尽量减少 如果将那些为 了得到当前输出值而必须进行的计算归到前台任务 而将那些为了得到下一时刻 输出值而必须进行的计算 以及与当前输出无关的其它计算和管理算法归到后台 任务 则通常控制算法实现时可以有3 种输入输出方法 在每一小帧的中段 末 段和下一时刻的开始输出 第一种 中段实现将当前控制输出计算有关的前台算法计算完成后立即输 出 然后再计算与当前输出无直接关系的后台算法 这种方法的计算延迟最小 因而对系统的性能影响也最小 通常我们均采用这种实现方法 本项目也采用了 该方法 见图2 6 a 第二种 末段实现将输出结果安排再全部计算的结尾 这种方法的计算延时 较大 全部计算时间 且随控制算法的不同而变化 见图2 6 b 第三种 下一时刻开始输出将所有的计算结果均在下一个采样周期开始时输 出 计算延时等于一个采样周期 这种实现方法的延时最大 但延时的大小固定 不随控制算法而变 因此在控制算法实现时可以采用适当方法加以补偿 故可以 采用 见图2 6 c 否 a 控制算法末端输出 b 控制算法中间输出 9 否 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体设计 c 下一时刻输出 否 图2 63 种控制算法的流程框图 软件总体功能以及流程 下图为软件系统总体功能划分 流程示意图 其中一的时间间隔为 5 0 i i i s 2 0 次 秒 的时间间隔为1 0 0 m s 1 0 次 秒 的时间间隔为 2 0 0 m s 5 次 秒 l o 图2 7 软件系统总体功能划分 流程示意 西托工业大学颁士学位论文 第 窜系统总体设计 2 3 软件开发环麓萼开发工具 针对测试领域 软件开发环境固前基本分为两类 一是文本式的编程语鬻 如b o r l a 耐e s u a le 啼啼 l a b w 遍如w 烈n l 等 瓣一类就是图形化编程语誊 汹 遵w 笼其中麴典塑代表 s 黼ie 抖语言支持面向对象的糕守设计方法 适用于眦姗程序开发 从所处理的数据入手 以数据为中心而不是以功能为中心来描述系统 数据相对 予功熊蔼蛮篡有更强的獠定性 瑟翔澍攘程序设计岛结构仡设计最大的区别麟在 于 前者蓠先关心静是舞处理的数攒 两惹者酋笼筵心的是功熊 w h m o 娜编程使朋事件驱动的程序设计思想 在事件驱动的程序结构中 程序的控制流程不再由枣件的预定发生顺序来决邂 丽是由实际运行时各种事件 懿实际发生来皴发 磊事件麴发生可熬是随撬熬 不确定酶 并没寄颈定斡颓謦 事件驱动的程序允许用户用各种合理麴顺序来安排程序的流程 对于需要用户交 互的应用程序来说 攀件驱动的程序设计有着传统程序设计方法无法替代的优 点 美圈n i 公司的m 嘲鼬冀狂e 氆s 魏撼泌软件鸯确瓣蕊e 编潭环境提供了适合 于虚拟测试的众多控件 利用这些控件可以使界面爨加美观 界面编程更加方便 鉴予以上这些特点 结合模块他设计以及测试技术的特定要求 我们选用 瓣嚣发环境帮工具麴下s 操作系统 w i n 曲娜聊或w 赫如鄹2 0 0 0 软件开发平台 v i s u a l c 6 o m e a s e m e 斌s 极d i 0 6 o 数摄露管理系统 飘鼬樽鑫辩 o 萁窀支持软件 v 飘搜器以及攘鞣驱动 西北工业大学硕士学位论文 第三章软件核心模块实现技术研究与应用 第三章软件核心模块实现技术研究与应用 本章着重研究和总结了软件核心模块的实现技术以及应用 具体包括 传感 器校验 定时器 串口 局域网 控制 数字滤波等核心模块 3 1 数据采集 数据采集是测试控制系统的最前端的工作 其采集数据的准确性对系统的 整体性能的影响显而易见最为突出 其重要性不言白明 它负责完成被测信号的 采样以及对采集结果的前置处理 根据采集信号的异同点 可以将采集信号分为 模拟量输入输出 开关量输入输出 频率量输入输出 相应的分别采取对应的板 卡 例如采用四川纵横 x i 板卡 5 3 4 1 3 板卡用于模拟量输入 5 3 2 0 1 板卡 用于模拟量输出 5 3 4 0 3 板卡用于开关量输入输出 5 3 1 2 4 板卡用于频率量 输入等 在开始采集之前 要先对采集板卡进行参数设置 设置所要采样的通道 通道的信号类型 触发方式 采样方式 采样频率 以及一些数据处理的设置等 例如 在纵横v i 数采系统的程序中 对于模拟量信号 5 3 4 1 3j v d 板卡 采用的是分时扫描的方式 首先要定义通道扫描表 每个通道的数据类型 每个 通道数据的存放位置 数据缓冲区的大小 平均次数的大小 a d 增益 对于模 拟量输出信号 j v 5 3 2 0 1 板卡 需要设置每个通道输出信号的类型 对于开关 量信号 5 3 4 0 3 板卡 需要设置开关量信号的读写模式 对于频率量信号 5 3 1 2 4 板卡 需要设置通道信号类型与相应的工作模式 板卡的时钟频率 频率测量时的计数次数 测量周期时的平均次数 触发极性 通道信号的幅值大 小以及门限值 采样开始后 因为我们需要同时对好几个参数进行采样和显示 所以在实际 采样时采样分时扫描的方式进行采样 为了防止采样值的丢失 所以设置适当大 小的缓存空间来临时保存采样值 程序每隔一定的时间就从缓存空问中读取数据 一次并清空缓存中相应的内容 一开始采样时程序应该读取缓存中最新的数据 所以应该先行判断程序是否对参数信号第一次进行采样 以后程序要首先读取缓 存中最老的数据以防老数据被新数据覆盖而造成数据丢失现象 由于我们要把采样结果放在用户操作界面中的波形显示器中实时显示 所 以每采一个点值就需要对其进行处理以进行实时显示 这里所要进行的处理是针 对于波形显示器中的内容 实际由数据采集卡采样过来的采样值是由数字量的形 式表示的 要将数字量转化为用户熟悉的工程量后再使之在波形显示器中显示 1 3 西北工业大学硕士学位论文 第三章软件核心模块实现技术研究与应用 这样用户才能看到十分直观的曲线图 在这里的数据处理 一般是采用平均的方式 也需要进行极大极小值剔除 等 这在后面也会涉及 采集结果需要通过转换成工程量 一般采用拟合的方 法 也就是后面传感器校验的内容 由于数据采集贯穿程序的始终 在这里要采 用线程技术或者计时器进行编程处理 它们都是w i n d o w s 消息处理的一种方式 只不过要循环执行 直到遇到结束标志 采集程序的流程图如图3 1 所示 图3 1 数据采集模块程序流程图 在这些板卡提供的同时 已经提供了有关数据采集的一些动态链接库 把这 些d l l 文件和l i b 文件装载到开发系统中 就可以调用这里边的函数对板卡进 行操作 实现模块之间的衔接以及数据交换 3 2 传感器校验 3 2 1 传感器校验的必要性 传感器校验是计算机辅助试验的一项很重要的工作 以往都是采用单独校 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第三章软件核心模块实现技术研究与应用 验的方法 即试验人员将所用的传感器送到有关计量检测部门进行校验 这种 方法费时 费力 而且只针对传感器单部件进行单独校验 未考虑传感器通道中 存在的其他误差 如 导线的压降损失 信号调理模块的处理误差以及系统中可 能存在的其它干扰信号 随着计算机辅助试验技术的普及 传感器 变送器 数据采集 计算机成为一个整体 人们越来越重视系统的总体误差 以往的传感 器单独校验方法无法保证系统的总体精度 本文在发动机试车计算机辅助试验系 统的传感器校验中综合研究了传感器 信号调理模块 数据采集 导线 计算机 等的误差 采用最小二乘和插值方法 使系统误差减少到最小 有效地保证了系 统的测量精度 原始测量信号经过传感器 数采系统的转换 最后由计算机输出实际工程 值 若不考虑计算误差 则得到的a 仍转换值实际包含了传感器的输出误差 导线的压降损失 信号调理模块的处理误差 a d 转换器的量化误差以及系统中 可能存在的其它干扰信号 即 e r d r 苴 e r o r r 俸感嚣 e d r 俸输通道 e d r r 信号调雌块 e r d 怕 e r o 做他干抗 由于计算机辅助试验中的传感器校验程序将这些视为一个整体且采取了有 效的校验算法 因此它不仅提供了一种a 巾转换值与工程值之间的标度转换方 法 同时它对减少系统的整体误差也有很大的作用 与此同时 由于计算机代替 了计量检测部门的工作 所以减少了人工操作所带来的误差 也大大减少了入力 物力 提高了工作效率 3 2 2 传感器校验方法研究 传感器校验常用的方法有拟合法和插值法 3 2 2 1曲线拟合法 最小二乘法 设标定点的数据为 竺仝竺测苎苎号邵 而 乇 一 h n 为标定点个数 i o 1 2 3 n l 输出的工程值一 乃 儿 1 则曲线拟合的多项式方程为 y 口l 工 口2 x 2 如x 3 4 l 工工 l 为拟合方程的最高次数三 式中 q 口2 吼为待定系数 最小二乘法的基本思想是 确定待定系数邸口l 吼 使得真值y 与拟舍值 q x 口2 x 2 吗 a l 之间方差最小 即 嘞 口l 啦 吼 m i n y 一 q x 口2 x 2 吼r 2 1 5 西北工业大学硕士学位论文 第三章软件核心模块实现技术研究与应用 上式是待定系数孙口 吒 吼的函数 为了求得函数f q 口2 吼 最小值 时的常数孙口 吒 口工 我们对函数求导并令它为零 即 令型翌竺q j 譬趔 o i o l 2 3 l 即可求得转换方程 臻潮仨 g 1 g 8qll 以力 配d 舻 曲 q k jb 移 1 其中缈 矿 rm n o 1 2 l 1 0 故而有 最小二乘误差为 绝对误差和为 1 l d d 嘲2 专弘一 懈 科 耐汗 点 1 只一 q 哆z q i 2 一1 最大绝对误差为 厨啊轫鲫2 器l 另一瓴 q 再 吩 群 i 最大相对误差为 肋赫 凛虹熊絮熹丛趔 t 3 2 2 2 插值法 3 2 2 2 1 分段线性插值 2 分段线性插值是根据给定的标定数据对曲线进行分段 每相邻的两点作为一 个区间 用若干段折线逼近曲线 设标定点的数据为 篓全竺辈苎墨号x l x o x l x 2 x n 4 n 为标定点个数 i o 1 2 3 n 一1 输出的工程值y y o y 1 y 2 y n 1 根据输入点的值确定插值区间 当坼 x 时 插值区间为 气 坼 k o 1 2 3 n 一2 当x 2 h l 时 插值区间为 x m x 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三章软件核心模块实现技术研究与应用 当x 时 插值区间为 黾 则输出工程值y 的通式为 j 咒 2 矗l 二丝 x 一薯 l 电1 2 3 n 一2 粕一再 特点 线性插值算法简单 计算速度快 分段越细计算精度越高 但误差较难估 计 3 2 2 2 2 分段抛物线插值 分段抛物线插值是根据给定的标定数据对蛆线进行分段 每相邻的三点作为 一个区间 用若干条抛物线逼近曲线 设标定点的数据为 篓全苎钡 苎曼号印 而 而 舶 n 为标定点个数 i o 1 2 3 n 一1 输出的工程值 乃 儿 一 踟 1 先根据输入点的值确定插值区间 当坼 x 以 l 时 k 1 2 3 n 一2 如果i x 一以 l i x 一 一l i 插值区间为 黾 l 磁 当x 2 x x l 或x h i 时 插值区间为 h 3 h 2 h i 当x 而或 x 而时 插值区间为 而 也 不妨设插值区间为 k 1 对应的工程值为 1 虼 1 m l 2 3 n 一2 则输出工程值y 的通式为 y 巷躺 案测咒 蔷糕 钿一 x 钿一 一钿蛾一铂 l 一钿x 确一 1 特点 抛物线插值算法较线性插值复杂 但远比最小二乘法简单 计算速度 也比较快 误差同线性插值一样较难计算 精度比同样数量的标定点的线性插值 高 分段越细计算精度越高 1 7 西北工业大学硕士学位论文第三章软件核心模块实现技术研究与应用 3 2 3 传感器校验的实现技术 3 2 3 1 数据库结构 本文采用工程数据库结构存储传感器校验的各种参数 数据库总体结构如下 图3 1 所示 图3 1 数据库总体结构 在传感器信息表中 用校验类型来区分是拟合还是插值算法 该值大于o 表 示曲线拟合 具体数值表示拟合多项式的次数 该值等于一1 表示线性插值 该值等于一2 表示抛物线插值 3 2 3 2 曲线拟合法 最小二乘法 的实现 由于 l 1 r r f 1 r 1 x o 1 0 所以 2 1 的系数矩阵可以通过计算 1 矿 k o 1 2 3 2 l 得到 这大大简化了 计算量 得到 2 1 的系数矩阵和等号右端的矩阵后 再利用数值计算中关于 线性方程组的方法解析 这里采用高斯列主元消去法 该方法实现较简单 计算 速度较快 性能可以满足实际需要 具体的实现流程如图3 2 所示 获取标定点数据 l计算 1 矿 l 1 2 3 2 l l 将临时一维数组中的数值转存 i 到一l l 的二维数组中 利用高斯列主元消去法解线性 方程组 计算误差 将拟合系数和误差存入表中 图3 2 拟合法的实现流程 1 8 西北工业大学硕士学位论文第三章软件核心模块实理技术研窒皇壅旦 3 2 3 3 分段线性插值和分段抛物线插值的实现 分段线性插值和分段抛物线插值实现方法的步骤类似 具体的实现流程如图 3 3 所示 若标定点较多 用对分查找法较快 若标定点较少 用顺序查找法较 简单 获取标定点数据 i l 确定插值区间 l 顺序查找或对分查找法 上 i 利用插信公式计算工稗佰 图3 3 插值法的实现流程 3 2 3 4 总体实现 综合所述 计算机辅助试验中的传感器校验的实现流程可简叙如图3 4 所示 一 图3 4 传感器校验的总体实现流程 在航空发动机计算机辅助试验系统中该予模块的具体实现如下图3 5 所示 1 9 西北工业大学硕士学位论文第三章软件核心模块实现技术研究与应用 图3 5 航空发动机计算机辅助试验系统中该子模块的具体实现 3 2 4 性能和误差分析 由于计算机辅助试验中的传感器校验程序将系统的传感器输出误差 导线传 输的压降损失 信号调理模块的处理误差 a d 转换器的量化误差以及系统中可 能存在的其它干扰信号视为一个整体 同时在插值时利用插值法分段越细计算精 度越高或者提高拟合阶数的方法来提高系统的系统误差 所以可以达到令人满意 的计算精度 在航空发动机计算机辅助试验系统的试验中我们还利用了各个传感 器的自身特性 使得传感器的误差进一步减小 例如迟滞误差 采用的方法是取 校验时正反行程的平均值作为参与拟合或插值的y 值 实践证明 在不提高传感器 数采系统精度条件下 经过传感器校验进行修 正后 系统的实际精度都能有所提高 甚至提高一个数量级 3 2 5 小结 本文中的传感器校验方法已在航空发动机计算机辅助试验系统中作为一个 子模块投入到实际的应用中 通过传感器校验后系统的精度完全能达到实际工程 西北工业大学硕士学位论文第三章软件核心模块实现技术研究与应用 使用要求 取得了预期的效果 3 3 定时器 由于系统对定时的精度有一定的要求 但又不要求精确到毫秒量级 基于软 件的开发环境是v i s u a lc m f c 故而可以选择多媒体定时器 而不必选择实现 定时功能的硬件板卡以节约成本 同时相对于其他软件定时器而言 这个定时器 的使用方法较简单 同时又能很好的满足系统对实时性的要求 3 3 1 启动定时器 函数介绍 姗r e s u l tt i m e s e t e v e n t u i n tu d e l a y u i n tu r e s 0 1 u t i o n l p t i m e c a l l b a c k1 p t i m e p r o c d w o r dd w u s e r u i n tu e v e n t 函数功能 启动函数所指定的定时器事件 函数返回值 若成功 则返回定时器的i d 若失败 则返回n u l l 函数参数 u d e l 一一事件间隔时间 单位为m s u r e s o l u t i o n 定时器的分辨率 l p t i m e p r o c 一一指向函数的指针变量 单个事件或周期性事件时间到达是 要调 用的回调函数的指针 脚u s e r 一一提供给使用者的回调函数的一个参数 u e v e n t 定时事件类型 当设定为t i m e o n e s h o t 时间到达指定的时间u d e l a y 以后 回调函数指定的 时间发生一次 当设定为t i m e p e r l 0 d i c 时间到达指定的时间u d e l a y 以后 回调函数指定 的时间周期性的发生 关于回调函数 回调函数类型定义 t y p e d e fv o i d c a l l b a c kt i m e b a c k u i n tu t i m e i d u i n tw m s g d w 0 r d d w u s e r d w 0 r dd w l d w o r dd w 2 t y p e d e ft i m e b a c 胁l p t i 姬b a c k 函数声明 v o i dt i m e b a c kf x n n a i e u i n tu t i m e i d u i n tu m s g d w o r dd w u s e r d w o r d d w l d w o r dd w 2 函数功能 单个事件或周期性的事件的事件到达时 系统会调用这个回调函 2 1 西北工业大学硕士学位论文第三章软件核心模块实现技术研究与应用 数 返回值 无 函数参数 f x n n 锄e 一应用程序定义的回调函数名称 以及函数的首地址 u t i m e i d 一函数t i m e s e t e v e n t 的返回值 u m s g 保留 未用 d w u s e r 一一由函数t i 鹏s e t e v e n t 输入的一个供用户使用的参数 d w l d w 2 一一保留 未用 3 3 2 关闭定时器 删r e s u l tt i m e k i l l e v e n t u i n tu t i m e r i d 函数功能 取消指定的定时器事件 函数参数 u t i m e r i d 一一要取消的定时器的i d 3 3 3 定时器应用 v o i dc a l l b a c km m t i m e p r o c u i n tu i d u i n tu m s g d w 0 r dd w u s e r d w o r dd w l d w o r dd w 2 设定多媒体定时器 v o i di n i t 姗t i 加e r i f m n m m t i m e r i d t i m e s e t e v e n t d a q p e r i o d 1 m m t i m e p r o c d w 0 r d t h i s i m e p e r i o d i c n u l l a f x m e s s a g e b o x 打开计时器失败 将不能正确计时 m b i c 0 n s t o pm b o k 关闭多媒体定时器 v o i dk i l l m 仃i m e r i f t i m e k i l l e v e n t m n 删t i m e r i d 脚s y s e r r i n v a l p a r a m a f x m e s s a g e b o x 关闭计时器失败 m b i c o n s t o pm b 0 k 西北工业大学硕士学位论文第三章软件核心模块实现技术研究与应用 3 4串口 3 4 1 建立统一串口编程技术的可能性 常用的串口包括 r s 2 3 2 c r s 4 2 2 r s 4 8 5 在实际的使用中与其相连的仪器 设备也相差很大 比如与发动机电调系统的通讯 与发动机试车台p l c 模块的通 讯 与其他仪器设备的通讯 但是从编程实现通讯的底层的角度来看 他们的基 本原理是相同的 操作方法是类似的 提取他们的共同点 考虑他们的不同点 建立统一的串口编程技术完全是可以的 3 4 2 建立统一串口编程技术的必要性 建立统一的串口编程技术 可以使成熟的串口编程模块化 提高软件的重复 性 可靠性 健壮性