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《中國(guó)測(cè)試雜志》2014年第三期

1性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電控硅油風(fēng)扇離合器性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，系統(tǒng)分為機(jī)械和測(cè)控兩部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程，其原理是采用變頻器控制電機(jī)運(yùn)行，通過(guò)軸承箱給離合器的主動(dòng)軸提供動(dòng)力源，使其以一定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。測(cè)控部分包括上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，集成單元組合儀器及微處理器的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，分散控制；下位機(jī)通過(guò)XC886CLM8位單片微控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。

1.2測(cè)控部分硬件設(shè)計(jì)上位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)包括基礎(chǔ)硬件和外圍硬件。基礎(chǔ)硬件以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，完成對(duì)整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制和監(jiān)視，測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示、分析，報(bào)表生成。外圍硬件主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和處理功能，包括多功能數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)轉(zhuǎn)接板和傳感器[5]。多功能數(shù)據(jù)采集卡是本測(cè)試系統(tǒng)外圍硬件的關(guān)鍵。考慮通道數(shù)、采樣頻率、分辨率、量程和精度等技術(shù)指標(biāo)，采用PCI9111-DG數(shù)據(jù)采集卡。其包括16路模擬輸入和1路模擬輸出，A/D分辨率為12位，16路數(shù)字輸入/輸出，采樣頻率為100kHz。模擬輸入采集主軸轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等信號(hào)；利用數(shù)字端口和信號(hào)轉(zhuǎn)接板控制機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行，并檢測(cè)設(shè)備的位置狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)多功能數(shù)據(jù)采集卡與外部設(shè)備信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換引人了信號(hào)轉(zhuǎn)接板，它主要由信號(hào)調(diào)整電路（整形、濾波）、觸發(fā)電路和電壓控制放大電路組成。放大電路的設(shè)計(jì)思想是利用發(fā)光二極管和光電耦合的原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)電壓在0~24V和0~5V之間相互轉(zhuǎn)換，如圖2所示[6]。下位機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)扇的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與目標(biāo)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速比較得到當(dāng)前風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的偏差。再將偏差作為增量式數(shù)字PID控制器的輸入，計(jì)算得到PWM信號(hào)的占空比。由于上位機(jī)輸出信號(hào)為RS232總線方式，而下位機(jī)輸入信號(hào)為RS485總線方式，因此需要通過(guò)一個(gè)RS232~RS485轉(zhuǎn)接器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信。

1.3測(cè)控部分軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)包括主控模塊和測(cè)試模塊。主控模塊實(shí)現(xiàn)用戶登錄、硅油風(fēng)扇離合器的選型、數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、參數(shù)設(shè)置和測(cè)試報(bào)表生成等功能。測(cè)試模塊為測(cè)試系統(tǒng)的主界面，功能包括實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)的輸入/輸出，數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出，電機(jī)功耗參數(shù)的讀取，數(shù)據(jù)顯示、分析、處理和故障報(bào)警。測(cè)試模塊需要實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，為了減少數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中對(duì)資源的消耗，根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)功能采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行處理。這樣各個(gè)功能所對(duì)應(yīng)的線程之間可以相互協(xié)調(diào)運(yùn)行，相互之間可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和狀態(tài)的切換[7]。測(cè)試模塊要完成的最主要任務(wù)是數(shù)據(jù)的分析處理，通過(guò)信號(hào)采集線程不斷地讀取風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、主軸轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇進(jìn)到位和緊急停止等信號(hào)，并將這些信號(hào)以變體的形式添加到隊(duì)列中。同時(shí)不斷地從隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行拆分、標(biāo)量轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)顯示、波形圖繪制和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[8]。為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，測(cè)試模塊中采用LabVIEW自帶的VISA子模塊完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的鏈接。通過(guò)“VISA配置串口”子VI分配端口、設(shè)置波特率、設(shè)置數(shù)據(jù)的位數(shù)和奇偶校驗(yàn)位，由于串行通信采用十六進(jìn)制的字符串，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)須對(duì)其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后方可輸入到“VISA寫入”子VI。為使兩者之間進(jìn)行有效地通信，建立一個(gè)由指令字節(jié)、狀態(tài)字節(jié)和兩個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)組成串行通信協(xié)議。該通信協(xié)議的校驗(yàn)位放置于指令字節(jié)中，分別對(duì)數(shù)據(jù)字節(jié)1和數(shù)據(jù)字節(jié)2采用奇偶校驗(yàn)，4個(gè)字節(jié)頭組成特定代碼1000來(lái)確定一個(gè)完整的幀[9]。為了增強(qiáng)程序的可控性，引入了狀態(tài)機(jī)程序模式，一個(gè)狀態(tài)機(jī)由3部分組成，分別是狀態(tài)、事件和行為。LabVIEW中的狀態(tài)機(jī)由一個(gè)while循環(huán)和case結(jié)構(gòu)組成，并利用移位寄存器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)。將整個(gè)測(cè)試過(guò)程分為測(cè)試空閑、系統(tǒng)初始化、機(jī)械設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、電機(jī)啟動(dòng)、測(cè)試過(guò)程、參數(shù)計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等狀態(tài)。這些狀態(tài)可以根據(jù)相互之間的事件關(guān)系確定每一個(gè)狀態(tài)的執(zhí)行步驟以及進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)的切換代碼，這樣省去了人機(jī)交互的動(dòng)作，使程序的處理速度得到提高，并且有利于程序代碼的升級(jí)[10]。測(cè)試系統(tǒng)需要即時(shí)存儲(chǔ)、管理和查詢大量的測(cè)量數(shù)據(jù)，如電控硅油風(fēng)扇離合器的測(cè)試信息、測(cè)試結(jié)果、測(cè)試臺(tái)信息、客戶代號(hào)和用戶權(quán)限等，故本系統(tǒng)采用支持多線程和多用戶在線操作且功能強(qiáng)大的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，它以其運(yùn)行速度快、穩(wěn)定可靠為眾多用戶使用。通過(guò)NI公司開(kāi)發(fā)的專用于數(shù)據(jù)庫(kù)連接的工具包和ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)連接標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)與遠(yuǎn)程MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之間的通信。在該數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下，測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢回放、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，報(bào)表生成等操作[11]。下位機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)程序分為4大模塊。（1）串行通信模塊：下位機(jī)上電后即進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，先通過(guò)單幀中4個(gè)字節(jié)頭組成的1000來(lái)確定是否為一個(gè)完整的幀，再核對(duì)奇偶校驗(yàn)位、狀態(tài)字節(jié)和指令指節(jié)來(lái)確定當(dāng)前串行通信發(fā)送的數(shù)據(jù)類型，然后將數(shù)據(jù)字節(jié)中的數(shù)據(jù)提取出來(lái)賦給對(duì)應(yīng)的變量。（2）實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊：當(dāng)下位機(jī)接收到傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的脈沖信號(hào)后，將產(chǎn)生內(nèi)部中斷。通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的中斷個(gè)數(shù)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化得到當(dāng)前的實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。（3）增量式數(shù)字PID控制算法模塊：PID控制即比例、積分、微分控制，由于具有穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而成為過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一種方法。增量式數(shù)字PID控制規(guī)律如。將偏差作為增量式數(shù)字PID控制器的輸入即可得到PWM信號(hào)的占空比。（4）PWM信號(hào)的輸出模塊：將前面得到的PWM信號(hào)的占空比和頻率發(fā)送給CCU6單元，通過(guò)其獨(dú)立定時(shí)器T12產(chǎn)生PWM信號(hào)，進(jìn)而調(diào)節(jié)電控硅油風(fēng)扇離合器的閥片去控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

2應(yīng)用實(shí)例

用戶首先進(jìn)入性能測(cè)試系統(tǒng)的主控模塊，通過(guò)系統(tǒng)登錄界面進(jìn)入系統(tǒng)主界面，在主界面中選擇所要測(cè)試的風(fēng)扇離合器類型，然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)等操作，最后點(diǎn)擊自動(dòng)測(cè)試按鈕選擇閉環(huán)測(cè)試進(jìn)入測(cè)試模塊。測(cè)控開(kāi)始前，離合器工作腔中的硅油產(chǎn)生粘性剪切力使裝在后蓋上的風(fēng)扇跟隨主軸加速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比使電控硅油風(fēng)扇離合器處于全分離狀態(tài)；當(dāng)工作腔中的全部硅油都流到儲(chǔ)油腔后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速急速下降，測(cè)試系統(tǒng)判斷當(dāng)前的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到全分離的最低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速時(shí)調(diào)用增量式數(shù)字PID控制算法模塊，調(diào)節(jié)實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速逼近目標(biāo)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；經(jīng)過(guò)給定的一段時(shí)間后，上位機(jī)將另一個(gè)目標(biāo)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速發(fā)送到下位機(jī)，采用同樣的控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前目標(biāo)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的測(cè)控，依次類推：直到目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1800r/min測(cè)試完成后停止測(cè)試；最后測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能判斷該電控硅油風(fēng)扇離合器是否合格。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控結(jié)果表明該電控硅油風(fēng)扇離合器在多個(gè)目標(biāo)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與目標(biāo)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的差值在±20r/min之內(nèi)，達(dá)到產(chǎn)品合格的要求。

3結(jié)束語(yǔ)

電控硅油風(fēng)扇離合器性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，綜合利用了虛擬儀器技術(shù)和傳感器技術(shù)，并在LabVIEW平臺(tái)下開(kāi)發(fā)了測(cè)試軟件。測(cè)試過(guò)程能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化：如機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)啟停，測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析處理，測(cè)試參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算，測(cè)試結(jié)果的自動(dòng)判斷、自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)報(bào)表，測(cè)試循環(huán)的自動(dòng)返回等。該測(cè)試軟件完全能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性要求。本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)已應(yīng)用于某公司的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)踐證明本系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，軟件操作方便，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)安全可靠，可大大提高生產(chǎn)效率。

作者：譚江榮王見(jiàn)尹愛(ài)軍單位：重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院