南學(xué)芳,張　宇,郁　敏,李　楠,楊　杰,高秀敏

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,浙江 杭州　310018)

?

激光氣體遙測(cè)儀整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

南學(xué)芳,張宇,郁敏,李楠,楊杰,高秀敏

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,浙江 杭州310018)

激光氣體遙測(cè)儀是基于紅外氣體吸收光譜原理,采用先進(jìn)的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)分析測(cè)量被測(cè)區(qū)域(如傳輸管道、天花板、墻體等)內(nèi)的甲烷氣體平均濃度的新型儀表。性能優(yōu)良的激光氣體遙測(cè)儀表已在許多危險(xiǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,但是,目前整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)流程復(fù)雜、費(fèi)時(shí)、低效。結(jié)合相關(guān)生產(chǎn)實(shí)踐開(kāi)發(fā)一種較為實(shí)用的整機(jī)測(cè)試自動(dòng)化軟件,以提高整機(jī)測(cè)試的效率。目前已有效地幫助生產(chǎn)相關(guān)人員快速、準(zhǔn)確地完成整機(jī)測(cè)試流程。

TDLAS; 激光氣體遙測(cè)儀; Visual Studio 2005開(kāi)發(fā)環(huán)境; 工裝平臺(tái)

引　言

隨著社會(huì)的發(fā)展,生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高,鋼鐵冶金、氣體管道傳輸、化工等行業(yè)生產(chǎn)力需不斷提高,但必須保障生產(chǎn)安全?；诳烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)的激光氣體遙測(cè)儀已經(jīng)成為提高生產(chǎn)效率、保障安全生產(chǎn)的重要儀器。如此的社會(huì)需求激起了國(guó)內(nèi)外儀表廠商的極大的研究興趣,激光遙測(cè)儀表的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈。

20世紀(jì)90年代后期,隨著半導(dǎo)體激光器的大規(guī)模生產(chǎn)及科學(xué)研究的應(yīng)用,TDLAS技術(shù)得到了迅速發(fā)展。21世紀(jì)初期,該技術(shù)逐漸被國(guó)內(nèi)的研究者關(guān)注,現(xiàn)在已有很多企業(yè)推出了激光氣體遙測(cè)儀,并投入使用,同時(shí),國(guó)內(nèi)也制定了激光器產(chǎn)品及分析儀器的相關(guān)國(guó)標(biāo)。但是大多數(shù)國(guó)標(biāo)也只是針對(duì)激光器產(chǎn)品準(zhǔn)則與分析儀器通用準(zhǔn)則,對(duì)整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究并沒(méi)有深入。整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)包括硬件和軟件部分,本文主要設(shè)計(jì)軟件部分的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。

1　激光氣體遙測(cè)儀整機(jī)測(cè)試研究

1.1激光氣體遙測(cè)儀檢測(cè)氣體的原理

激光氣體遙測(cè)儀是基于紅外吸收光譜原理,采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)設(shè)計(jì)而成的,TDLAS技術(shù)主要是利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄線寬和波長(zhǎng)隨注入電流改變的特性實(shí)現(xiàn)對(duì)分子的單個(gè)或幾個(gè)距離很近且很難分辨的吸收線進(jìn)行測(cè)量,它是一種高分辨率、高速度、高靈敏度的單線吸收光譜技術(shù),通過(guò)改變半導(dǎo)體激光器的工作電流或工作溫度等參數(shù)以調(diào)諧激光的輸出波長(zhǎng),使儀器內(nèi)的激光器輸出特定波長(zhǎng)的光束,掃描被測(cè)氣體(甲烷氣體)以獲得某一條或一簇吸收譜線的吸收光譜,通過(guò)分析該吸收光譜進(jìn)而獲得被測(cè)氣體的濃度信息[1-4]。

TDLAS儀表普遍采用測(cè)量二次諧波信號(hào)來(lái)檢測(cè)氣體濃度,表達(dá)式為

(1)

式中:S2f為二次諧波信號(hào);I0為光強(qiáng)直流分量;H2(v,a)為透射系數(shù)為二階諧波分量;v為調(diào)制中心頻率;a為調(diào)制幅;T為當(dāng)前溫度。進(jìn)一步化簡(jiǎn)[5]得

(2)

圖1　激光氣體遙測(cè)儀系統(tǒng)框圖

被測(cè)氣體的濃度表達(dá)式為

(3)

式中:S2f為二次諧波信號(hào);I0為光強(qiáng)直流分量;K為標(biāo)定系數(shù)。

1.2激光氣體遙測(cè)儀系統(tǒng)及整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

1.2.1激光氣體遙測(cè)儀表系統(tǒng)

儀表主要由如圖1所示的4部分組成,測(cè)量時(shí)通過(guò)將一束激光指向泄漏點(diǎn),得到一簇吸收譜線的吸收光譜,依次通過(guò)接收光匯聚及校準(zhǔn)單元、信號(hào)驅(qū)動(dòng)與校準(zhǔn)單元,最后將被測(cè)氣體平均濃度信息顯示在儀器界面。

1.2.2整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

圖2　整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)基本框圖

整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)主要由如圖2所示的3部分組成,上位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)最為重要的部分,協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作。上位機(jī)發(fā)送命令控制激光遙測(cè)儀設(shè)置自身參數(shù),并讀取濃度測(cè)量值等其他參數(shù)。質(zhì)量流量計(jì)為測(cè)試流程提供所需的校準(zhǔn)氣。

當(dāng)前,對(duì)激光氣體遙測(cè)儀表進(jìn)行整機(jī)測(cè)試時(shí),只能根據(jù)工藝文件手動(dòng)操作,操作過(guò)程相對(duì)復(fù)雜、費(fèi)時(shí)、而且很容易出錯(cuò),為了解決這個(gè)問(wèn)題,提高測(cè)試效率,本文設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化測(cè)試軟件,不僅能夠解決手動(dòng)測(cè)試時(shí)存在的問(wèn)題,提高測(cè)試的準(zhǔn)確度,而且可同時(shí)連接多臺(tái)儀表進(jìn)行測(cè)試,既可節(jié)約校準(zhǔn)氣體又可提高測(cè)試效率。

1.3整機(jī)測(cè)試過(guò)程

圖3　激光氣體遙測(cè)儀整機(jī)測(cè)試流程圖

激光氣體遙測(cè)儀整機(jī)測(cè)試流程必須較全面地涵蓋所有需要測(cè)試的項(xiàng)目,根據(jù)測(cè)試工藝合理劃分多個(gè)測(cè)試項(xiàng)。整機(jī)測(cè)試是對(duì)一臺(tái)激光氣體遙測(cè)儀表性能的全面檢測(cè),各個(gè)測(cè)試項(xiàng)必須要求明確,測(cè)試方法適當(dāng),各個(gè)測(cè)試項(xiàng)之間相互獨(dú)立,測(cè)試項(xiàng)順序合理安排,以保證儀表性能的完整檢測(cè)。整機(jī)測(cè)試流程如圖3所示,測(cè)試過(guò)程中資源分配情況如下所述。

(1) 激光氣體遙測(cè)儀:接收上位機(jī)發(fā)送的通訊命令,并完成相應(yīng)的操作,然后對(duì)上位機(jī)作出應(yīng)答。

(2) 上位機(jī):根據(jù)測(cè)試項(xiàng)流程發(fā)送通訊命令,使儀表做相應(yīng)操作,獲取儀表信息,從而判斷儀表性能。

(3) 質(zhì)量流量計(jì):控制測(cè)試過(guò)程中氣路,保證測(cè)試過(guò)中零氣、標(biāo)氣按所需比例通入。

2　整機(jī)自動(dòng)化測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

2.1整機(jī)自動(dòng)化測(cè)試軟件需求

根據(jù)激光氣體遙測(cè)儀的整機(jī)測(cè)試流程、測(cè)試工藝,分析得到自動(dòng)化測(cè)試軟件主要需求。該軟件主要包括幾部分,即工裝配置、信息管理、測(cè)試管理、測(cè)試項(xiàng)目管理，每部分具體敘述如下。

(1) 工裝配置:整機(jī)測(cè)試前,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和流量計(jì)的配置,包括需要連接到多臺(tái)儀表、兩臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)MKS等所需的網(wǎng)絡(luò)信息;儀表和流量計(jì)的相關(guān)屬性。

(2) 信息管理:實(shí)時(shí)顯示測(cè)試過(guò)程提示信息;保存測(cè)試結(jié)果信息;界面實(shí)時(shí)顯示濃度趨勢(shì)等。

(3) 測(cè)試管理:可以同時(shí)連接多臺(tái)激光氣體遙測(cè)儀表(>=1)、單個(gè)測(cè)試項(xiàng)測(cè)試、多個(gè)測(cè)試項(xiàng)組合測(cè)試等。

(4) 測(cè)試項(xiàng)目管理:內(nèi)部信噪比、糾偏系數(shù)、糾偏閾值、調(diào)零標(biāo)定、探測(cè)下限、輸出波動(dòng)與重復(fù)性、示值引用誤差。

2.2整機(jī)自動(dòng)化測(cè)試軟件的整體架構(gòu)

該軟件由平臺(tái)層、業(yè)務(wù)層、界面層構(gòu)成;平臺(tái)層使用FPI上位機(jī)軟件部目前使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái);業(yè)務(wù)層依賴平臺(tái)層開(kāi)發(fā),主要包括系統(tǒng)配置模塊、運(yùn)行時(shí)設(shè)備管理模塊、輔助功能模塊等;界面層依賴業(yè)務(wù)層和平臺(tái)層開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)具體用戶交互處理,各層次主要關(guān)系如圖4所示。

該自動(dòng)化測(cè)試軟件將在.NET平臺(tái)下借助Visual Studio 2005開(kāi)發(fā)工具采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。Visual Studio 2005是一套完整、高效、人性化的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE),C#是微軟公司針對(duì).NET Framework設(shè)計(jì)的一種面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,是一種安全的、穩(wěn)定的、簡(jiǎn)單的、優(yōu)雅的,同時(shí)兼顧系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的最佳實(shí)用語(yǔ)言,提供的類型安全、版本控制、垃圾收集等功能能夠有效協(xié)助程序員快速高效開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序[6-8]。

圖4　軟件各層次主要關(guān)系圖

2.3整機(jī)自動(dòng)化測(cè)試軟件中各主要模塊

界面層依賴業(yè)務(wù)層、平臺(tái)層開(kāi)發(fā),具體模塊不做詳細(xì)介紹。

2.3.1平臺(tái)層各主要模塊

2.3.1.1xml文件管理模塊

圖5　xml模塊主要類關(guān)系圖

該模塊是上位機(jī)的基礎(chǔ)模塊,應(yīng)用程序使用xml文件來(lái)配置信息或保存信息。該模塊主要類關(guān)系如圖5所示,主要由以下幾部分組成。

VarConfig:變量配置管理器,與Var.xml對(duì)應(yīng)。

ConstConfig:常量配置管理器,與Const.xml對(duì)應(yīng)。

BaseNode:xml配置節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)類,用于加載與保存各個(gè)模塊的xml文件。

IdNameNode:BaseNode類的子類,xml的節(jié)點(diǎn),必須包含id和name字段。

NodeList:管理xml文件中的所有子節(jié)點(diǎn),包含一系列IdNameNode。

Property:IdNameNode類的子類,必須包含value字段的配置節(jié)點(diǎn)類型。

2.3.1.2通訊管理模塊

該模塊主要依據(jù)PortManager.xml文件管理與上位機(jī)通訊交互設(shè)備的通訊鏈路。

該模塊中主要的接口關(guān)系如圖6所示,對(duì)應(yīng)功能如下所述。

IConnector:抽象的開(kāi)關(guān)器,包括打開(kāi)、關(guān)閉、連接狀態(tài)。

IReceivable:抽象的接收器。

IBus:抽象的物理鏈路,能夠讀取、寫(xiě)入字節(jié)流。

IPort:抽象的協(xié)議層,繼承自IConnector和IPortOwner,能夠發(fā)送、接收字節(jié)流對(duì)象。

IPortOwner:抽象協(xié)議層的上層對(duì)象,繼承自IReceivable。

圖6　通訊管理模塊主要接口關(guān)系圖

該模塊中主要的類及其功能如下所述,主要關(guān)系如圖7所示。

圖7　通訊管理模塊主要類關(guān)系圖

BaseBus:抽象類,總線基類,實(shí)現(xiàn)IBus接口,各物理鏈路必須繼承該類以實(shí)現(xiàn)各個(gè)業(yè)務(wù)。

BasePort:協(xié)議層基類,實(shí)現(xiàn)IPort接口,各協(xié)議層必須繼承該類以實(shí)現(xiàn)各個(gè)業(yè)務(wù)。

BusPort:BasePort的子類,關(guān)聯(lián)物理鏈路與協(xié)議層的橋梁。

Pipe:繼承IdNameNode類,表示一條通訊鏈路,用于鏈路的創(chuàng)建、刪除、打開(kāi)、關(guān)閉,用于通訊指令的發(fā)送、接收。

PortManager:BaseNode的子類,表示一個(gè)通訊鏈路管理器,與PortManager.xml對(duì)應(yīng)。

2.3.1.3儀器管理模塊

該模塊主要根據(jù)Instrument.xml文件,管理與上位機(jī)通訊交互的設(shè)備信息,該模塊主要類如圖8所示,其功能如下所示。

Instrument:繼承自IdNameNode類,表示一個(gè)設(shè)備信息。

InstrumentManager:繼承自BaseNode類,表示一個(gè)設(shè)備信息管理器,與InstrumentManager.xml文件相對(duì)應(yīng)。

2.3.2業(yè)務(wù)層各主要模塊

2.3.2.1通訊封裝模塊

該模塊主要借助已經(jīng)開(kāi)發(fā)的相應(yīng)工具,針對(duì)不同的通訊命令生成其相關(guān)的通訊方法,提供通訊調(diào)用,主要由獲取通訊命令結(jié)果方法組成,對(duì)應(yīng)平臺(tái)層的通訊管理模塊,主要模塊如圖9所示。

圖8　儀器管理模塊主要類關(guān)系圖

圖9　業(yè)務(wù)層通訊封裝模塊主要類

通訊封裝模塊封裝了與上位機(jī)通訊的各個(gè)設(shè)備通訊協(xié)議與通訊指令,激光氣體遙測(cè)儀表與上位機(jī)的通訊報(bào)文由幀頭、目標(biāo)地址信息、源地址信息、命令碼、命令擴(kuò)展碼、數(shù)據(jù)信息區(qū)、校驗(yàn)區(qū)、幀尾組成。

圖10　業(yè)務(wù)層設(shè)備管理模塊主要類關(guān)系

2.3.2.2設(shè)備管理模塊

該模塊提供后臺(tái)處理類,完成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中的各個(gè)設(shè)備的邏輯封裝,完成其信息的后臺(tái)記錄,提供與具體設(shè)備的交互方法,提供設(shè)備相關(guān)結(jié)果信息的處理功能。類關(guān)系如圖10所示。

RuntimeInstrumentManager表示運(yùn)行時(shí)儀器管理類,RuntimeInstrument表示運(yùn)行時(shí)儀器抽象類,RuntimeCH4表示儀器。

2.3.2.3系統(tǒng)配置模塊

該模塊主要根據(jù)MultiBEManager.xml管理上位機(jī)的通信協(xié)議類型與物理鏈路類型,提供物理總線、通信協(xié)議以及設(shè)備與PortManager.xml、InstrumentManager.xml的配置方法。該模塊中主要類及其功能如下所示。

Bus:繼承自IdNameNode類,表示一種物理鏈路信息,一種物理鏈路可支持多種通訊協(xié)議,一個(gè)物理鏈路端口只能使用一種通訊協(xié)議,該類中,impBus表示物理鏈路對(duì)象,propertyCreaterClass表示物理鏈路通訊參數(shù)的xml配置方法對(duì)象,ententes表示物理鏈路所支持的通訊協(xié)議集合。

Entente:繼承自IdNameNode類,表示一種通訊協(xié)議,該類中,instrumentTypes表示通訊協(xié)議所支持的設(shè)備類型、impProtocol表示在通訊鏈路管理模塊中的通訊協(xié)議棧對(duì)象、propertyCreaterClass表示通訊協(xié)議棧的xml配置方法對(duì)象。

MultiBEManager:繼承自BaseNode,與MultiBEManager.xml配置文件對(duì)應(yīng),表示一種鏈路協(xié)議管理器。

InstrumentUtil:用于修改并保存儀器的相關(guān)屬性。

PortUtil:進(jìn)行端口管理、pipe設(shè)置。

2.3.2.4輔助功能模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn)整機(jī)測(cè)試項(xiàng)目的管理,包括各個(gè)測(cè)試項(xiàng)具體實(shí)現(xiàn)、測(cè)試項(xiàng)管理器(ProdTestManager)設(shè)計(jì)、多臺(tái)儀表同時(shí)測(cè)試管理器(MultiProdTestManager)設(shè)計(jì)、測(cè)試狀態(tài)、波形信息控制等。

3　總　結(jié)

仔細(xì)分析軟件需求,然后撰寫(xiě)需求規(guī)格說(shuō)明書(shū)、概要設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū),最后開(kāi)始軟件開(kāi)發(fā),現(xiàn)已完成該整機(jī)自動(dòng)化測(cè)試軟件,并且該軟件已運(yùn)用到了實(shí)際操作中,測(cè)試界面如圖11所示(以同時(shí)連接兩臺(tái)儀表為例),從圖可看出該軟件界面能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地顯示測(cè)量濃度趨勢(shì);同時(shí)該軟件還可將采集到的數(shù)據(jù)以excel形式保存在相應(yīng)的文件夾,供后續(xù)查看。二期工作在原有功能的基礎(chǔ)上增加保存波形圖、讀取整測(cè)過(guò)程中對(duì)應(yīng)全部參數(shù)并導(dǎo)出等功能。

圖11　測(cè)試界面實(shí)時(shí)顯示

[1]俞大海,顧海濤,陳人,等.用于干熄焦循環(huán)氣檢測(cè)的在線激光氣體分析儀[J].自動(dòng)化儀表,2007,28(S):108-109,112.

[2]俞大海,聞路紅,王興華,等.基于DLAS技術(shù)的激光氣體分析儀的在線應(yīng)用[J].燃料與化工,2009,40(5):14-17.

[3]BARBUT L,VINOGRADOVI,DURRYG,et al.TDLAS a laser diode sensor for the in situ monitoring of H2O,CO2and their isotopes in the Martian atmosphere[J].Advances in Space Research,2006,38(4):718-725.

[4]LINSB,ZINNP,ENGELBRECHTR,et al.Simulation-based comparison of noise effects in wavelength modulation spectroscopy and direct absorption TDLAS[J].Applied Physics B,2010,100(2):367-376.

[5]趙裕繁.激光氣體分析儀整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州:杭州電子科技大學(xué),2012.

[6]WATSONK,NAGELC.C#入門(mén)經(jīng)典[M].4版.齊立波,譯.北京:淸華大學(xué)出版社,2008:3-9.

[7]HOFFMANK,KRUGERL.C#.NET技術(shù)內(nèi)籍[M].董梁,高猛,譯.北京:淸華大學(xué)出版社,2006:25-36.

[8]NAGELC,EVJENB,GLYNN J.C#高級(jí)編程[M].6版.李銘,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2008:1-21.

(編輯:張磊)

The design of automatic testing software for laser gas remote sensing instrument testing system

NAN Xuefang, ZHANG Yu, YU Min, LI Nan, YANG Jie, GAO Xiumin

(School of Electronic Information,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

Laser gas remote sensing instrument is a kind of new type instrument which can analyze and detect average concentration of CH4in the detecting area (for example, transmission pipeline, ceiling, wall and so on) with an advanced technology called tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS). Laser gas remote sensing instrument with good performance has been widely applied in many dangerous areas. At present, however, the testing process of manufacturing testing system extremely complex, time-wasting and inefficient, completely manually operate. The purpose of this paper is to design and develop an automatic testing software combined with related practice, to improve work efficiency. The study harvest of this paper lies in designing a simple, practical and stable PC testing software. Now, this software helps people to work on product line quickly and accurately complete testing process.

TDLAS; laser gas remote sensing instrument; Visual Studio 2005; work platform

2015-09-10

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備專項(xiàng)子任務(wù)(2012YQ17000408)

南學(xué)芳(1989—),女,碩士研究生,主要從事上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)方面的研究。E-mail:1334561615@qq.com

1005-5630( 2016) 03-0209-07

TN 253

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.004