(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引言

UCAM-70A是日本共和電業(yè)株式會社研制的一款應(yīng)變測量系統(tǒng)，包含主機和多臺擴展機箱，最多可同時測量1000個通道的應(yīng)變/壓力等數(shù)據(jù)。在我國多個行業(yè)結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。我所某結(jié)構(gòu)實驗室曾引進多套該型設(shè)備，由于當時購買時尚無配套的上位機軟件，所有操作均需在儀器主機上進行。傳統(tǒng)的試驗測試步驟為：1)在儀器主機上進行參數(shù)設(shè)置，包含通道范圍、通道測量類型、掃描速度等參數(shù)；2)手動測試；3)在主機自帶的微型打印機上將各測量通道的測量值打印輸出；4)人工將紙質(zhì)數(shù)據(jù)錄入電腦；5)對數(shù)據(jù)進行后處理、繪圖、分析。由于操作步驟繁瑣，且人工設(shè)定參數(shù)及人工錄入環(huán)節(jié)容易出錯，大量時間精力花在參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)后處理上，總體測試效率很低。即便后來廠家已有配套的上位機軟件，然而其功能仍比較簡單，后處理工作仍很大，難以滿足快速測試及數(shù)據(jù)處理的需要。迫切需要一款合適的上位機測控軟件以提高工作效率。應(yīng)變測量系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 UCAM-70A應(yīng)變測量系統(tǒng)框圖

1 軟件需求及功能分析

1.1 軟件需求

1)業(yè)務(wù)級需求：結(jié)構(gòu)實驗室希望能在較短時間內(nèi)開發(fā)出一款自動化程度較高的上位機測控軟件，大幅提高試驗測試效率；

圖2 軟件流程圖

2)用戶級需求：采用主流的Windows操作系統(tǒng)，界面友好，操作直觀，且運行穩(wěn)定。

1.2 功能要求

通過需求分析，歸納出軟件需包含的功能要求為：1)上下位機之間數(shù)字通訊功能；2)參數(shù)設(shè)置及下載功能；3)口令登錄及修改功能；4)通道監(jiān)視及超限報警功能；5)初始平衡功能；6)手動測量及自動定時測量功能；7)自選通道繪圖功能及自動繪圖功能。8)打印及預(yù)覽功能；9)儀器操作功能；10)數(shù)據(jù)后處理線性拓展功能；11)數(shù)據(jù)綜合匯總功能。

2 上位機測控軟件設(shè)計

2.1 開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)選用Windows XP，數(shù)據(jù)庫軟件選用Access，編程工具選用Visual Basic 6.0結(jié)合第三方表格控件FlexCell。

2.2 具體實現(xiàn)

2.2.1 軟件流程

軟件流程如圖2所示。軟件啟動后首先彈出歡迎界面，隨即顯示密碼登錄窗體，只有輸入正確的密碼才能進入主窗體。也可在密碼登錄窗體中修改登錄密碼，若兩次輸入的新密碼一致按確定鍵后將保存新密碼并進入主窗體。進入主窗體后主要操作流程為：通訊端口設(shè)置及測試→測量通道、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置→參數(shù)下載→初始平衡測量→手動/自動測量→手動/自動繪圖→數(shù)據(jù)后處理。

2.2.2 通訊編程

1)通訊編程步驟

UCAM-70A的通訊接口為9針D形串口，通訊協(xié)議為RS-232C，VB 6.0集成編程環(huán)境提供了封裝好的MSCOMM串口通訊控件，可以方便地進行串口參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)收發(fā)控制及故障捕捉處理。通訊編程步驟如下：

(1)在VB6.0集成編程環(huán)境中依次單擊菜單“工程”/“部件”，在彈出的“部件”對話框中選中“Microsoft Comm Control 6.0”確定退出，在控件欄即顯示圖標。

(2)將控件欄中的MSCOMM控件圖標拖至主窗體中，命名為MScomm1，可直接在其屬性窗口中修改其串口號、通訊波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等參數(shù)進行靜態(tài)設(shè)置，也可在代碼中給其屬性賦值進行動態(tài)設(shè)置。通常參數(shù)設(shè)置為：MScomm1.settings=“9600,e,7,1”。表示波特率=9600，校驗方式為偶校驗，數(shù)據(jù)位為7位，停止位為1位。

(3)打開串口，方法為：MScomm1.Open，之后用MScomm1.Out=“…”方法將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

(4)串口接收緩沖區(qū)收到的數(shù)據(jù)≥設(shè)置的“RThreshold”時觸發(fā)中斷，可在中斷處理程序編寫代碼對收到的數(shù)據(jù)進行解析、運算、轉(zhuǎn)存等操作。若通訊發(fā)生故障，可在故障處理程序中對不同的故障代碼進行重新發(fā)送等操作。

2)UCAM-70A串口通訊協(xié)議。

UCAM-70A上電后串口處于偵聽狀態(tài)，根據(jù)收到的不同指令報文(上位PC機)反饋不同長度的狀態(tài)報文。主要的幾種通訊協(xié)議為：①通訊握手，指令報文=“RS-”，若狀態(tài)報文=“232C”，則表示握手成功；②初始平衡：指令報文=“INI”, 狀態(tài)報文為設(shè)定通道范圍的初始平衡測量值；③測量模式設(shè)置：指令報文=“FNC”+通道號(000-999)+測量模式代碼(1-MEAS模式，2-ORIG模式)，無狀態(tài)報文反饋；④傳感器類型設(shè)置：指令報文=“MOD”+通道號(000-999)+傳感器類型代碼(00-30，例如：01：1G120，03：1G240，04：1G35005：1G120/D等)；⑤設(shè)置測量次數(shù)：指令報文=“REP”+測量次數(shù)(00-99)，無狀態(tài)報文反饋；⑥設(shè)置測量速度：指令報文=“SPD”+測量速度代碼(00-99)，無狀態(tài)報文反饋；⑦監(jiān)視測量：指令報文=“MON1”，狀態(tài)報文為周期性更新的各監(jiān)視通道當前測量值；⑧測量：指令報文=“STA”,狀態(tài)報文為周期性更新的各測量通道測量值。

3)通訊編程示例。

①指令報文：“INI”，收到報文格式為：“INI,01,26,2018,22,06,59”(第1幀)，“01,001, 9999999,00,0,0,0”(第2幀)，…“01,100, 9999999,00,0,0,0” (第101幀)…；②指令報文：“MON1”，收到報文格式為：“MON,01,31,2018,15,23,33”(第1幀)，“08,000, 9999999,57,0,0,0”(第2幀)，“01,001, 9999999,00,0,0,0”(第3幀)…“01,100, 9999999,00,0,0,0” (第102幀)…；③指令報文：“STA”，收到報文格式為：“RTM,01,26,2018,22,14,09”(第1幀)，“01,001, 9999999,00,0,0,0”(第2幀)，…“01,100, 9999999,00,0,0,0” (第101幀)…。

2.2.3 FlexCell表格控件的應(yīng)用

本軟件中需要用到大量的表格，若采用VB自帶的表格控件，不但編程工作量極大，且不夠美觀。本設(shè)計采用了第三方商用表格控件FlexCell。FlexCell是主要為Visual Studio系列編程工具開發(fā)的表格控件，具有幾個顯著的優(yōu)點：1)功能全面，包括：輸出Excel文件(不需要安裝Excel)、輸出HTML/CSV文件、輸入/輸出XML文件、打印和打印預(yù)覽、凍結(jié)行列、合并單元格、排序、圖表、OwnerDraw模式等。2)易于使用，它融合了Excel、MSFlexGrid和DataGridView的很多優(yōu)點，更符合用戶的使用習(xí)慣。安裝包中提供了完整的VB6、VB.NET等語言的演示程序，易于上手。3)輸入方便，它提供了TextBox、ComboBox、CheckBox、Button、HyperLink、Calendar、Time、DateTime和Barcode等單元格類型，可以設(shè)置Letter、Upper、Lower、Digital、Numeric等多種類型的Mask，使用Mask能夠自動控制用戶輸入，減少輸入錯誤。4)打印方便，F(xiàn)lexCell提供了方便的打印和預(yù)覽功能，可以添加分頁符，可以方便地修改頁面設(shè)置，例如：紙張大小、紙張方向、頁邊距、縮放比例、打印范圍、單色打印、頁眉和頁腳、可重復(fù)打印的標題行和標題列。

FlexCell表格控件的注冊及使用方法如下：

1)安裝FlexCell控件包，按其官方提供的注冊碼注冊；2)在VB菜單“工程部件”對話框中“控件”選項卡中選擇“FlexCell ActiveX Control module”；3)在VB控件面板中點擊“Grid”按鈕，然后在窗體所需放置表格控件的位置拉出表格，之后即可對該表格控件進行行列標題、字體顏色、背景顏色、單元格類型等顯示屬性設(shè)置及數(shù)據(jù)填充等操作。

2.2.4 圖片自動插入Word文檔方法

對于測量通道較多的測試任務(wù)，數(shù)據(jù)量大，所需繪制的圖形很多，若采用手動的圖片插入方法，則后期數(shù)據(jù)處理的工作量也很大。本軟件采用了引入Word對象，將圖片批量插入Word文檔的處理方法，極大減少了后處理工作量。使用方法為：1)在VB菜單“工程引用”對話框中添加“Microsoft Word 9.0 Object Library”引用，一般定位為“c:windowssystem32MSWORD9.OLB”。2)在窗體通用聲明中定義word對象，例如：Private wdApp As New Word.Application；3)之后在需要插入圖片到Word文檔的事件代碼中進行Word文檔創(chuàng)建、集合定義、屬性設(shè)置及圖片插入、保存及退出操作。示例如下：

1)通用聲明

Private wdApp As New Word.Application

Private mySelection As Word.Selection

2)創(chuàng)建文檔及屬性設(shè)置

Set wdApp = New Word.Application

wdApp.Documents.Add

Set mySelection = wdApp.Documents.Application.Selection

With mySelection

.Font.Name = "宋體"

.Font.Size = 12

.ParagraphFormat.Alignment = 1

End With

3)插入圖片

mySelection.InsertAfter TestName & "_曲線匯總"

mySelection.InsertParagraphAfter

mySelection.Collapse Direction:=wdCollapseEnd

For Drawi=0 to Pmax

mySelection.InlineShapes.AddPicture jpgfilenm '插入圖片

mySelection.InsertParagraphAfter '換行

mySelection.Collapse Direction:=wdCollapseEnd '光標到最后

mySelection.InsertAfter "第" & Drawi & "組曲線"

mySelection.InsertParagraphAfter

mySelection.Collapse Direction:=wdCollapseEnd

Next

4)保存并退出

wdApp.ActiveDocument.SaveAs wordfilenm

wdApp.ActiveDocument.Close

wdApp.Quit False

2.2.5 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及防錯處理

本設(shè)計選用了Access數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)表分成兩類，一類是靜態(tài)數(shù)據(jù)表，例如“通道測量參數(shù)”、“通道結(jié)構(gòu)參數(shù)”、“初始平衡值”等，這些數(shù)據(jù)表的行列結(jié)構(gòu)在每一個測量任務(wù)中是固定不變的；另一類是動態(tài)數(shù)據(jù)表，例如“測量結(jié)果”、 測量時間”、“測量修正值”、“應(yīng)力計算”等，這些數(shù)據(jù)表的行列結(jié)構(gòu)隨測量次數(shù)的增加會不斷變化。由于最終用戶希望數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)盡量直觀，最好是用Access數(shù)據(jù)庫打開表格即可看到直觀的行標題和列標題及格式化的數(shù)據(jù)，所以在定義數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)時沒有采取傳統(tǒng)的以列為字段、以行為記錄的方式，而是每測量一次，數(shù)據(jù)表在最右邊增加一列，行數(shù)保持不變的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這就要求每測量一次數(shù)據(jù)，每個動態(tài)數(shù)據(jù)表需要重寫一次。為了防止重寫數(shù)據(jù)表時因意外失敗導(dǎo)致原先測量的數(shù)據(jù)丟失，在每完成一次新的測量需要刷新數(shù)據(jù)表時，把原數(shù)據(jù)庫以別名另存(例如Test2.mdb)，再打開數(shù)據(jù)庫(例如Test.mdb)進行更新數(shù)據(jù)表操作，這樣始終保持有兩個數(shù)據(jù)庫文件，只差一次測量數(shù)據(jù)。萬一在更新數(shù)據(jù)表時出錯導(dǎo)致現(xiàn)用數(shù)據(jù)庫文件(Test.mdb)損害，可關(guān)閉軟件，并將損壞的現(xiàn)用數(shù)據(jù)庫文件刪除，將舊數(shù)據(jù)庫文件(Test2.mdb)更名為現(xiàn)用數(shù)據(jù)庫文件(Test.mdb)，再運行軟件，則原先的數(shù)據(jù)可自動讀入并繼續(xù)測量，只是丟失了一次測量數(shù)據(jù)而已。

2.2.6 軟件主界面

軟件界面采用一個主窗體和多個子窗體結(jié)構(gòu)，便于管理。軟件啟動后首先彈出動畫歡迎窗體，之后顯示密碼登錄窗體，輸入密碼正確后方可進入主窗體。在密碼登錄窗體中也可以修改密碼。主窗體界面如圖3所示：主窗體最上方為菜單，其下方為快捷按鈕。軟件操作順序一般為：1)通訊端口設(shè)置，測試通訊正常；2)環(huán)境設(shè)置；3)設(shè)置通道測量參數(shù)并保存；4)設(shè)置通道結(jié)構(gòu)參數(shù)并保存；5)參數(shù)下載；6)初始平衡，并保存；7)測量并保存；8)數(shù)據(jù)后處理。

圖3 軟件主窗體

測量窗體中分成“本次測量”、“數(shù)據(jù)匯總”、“手動繪圖”、“自動繪圖”四個分頁，如圖4所示?！氨敬螠y量”頁顯示所有通道在同一次測量中的所有數(shù)據(jù)及單位；“數(shù)據(jù)匯總”頁顯示所有通道歷次的測量數(shù)據(jù)。

“手動繪圖”頁中可自由設(shè)定X軸和Y軸通道，以靈活的方式顯示不同通道的數(shù)據(jù)耦合關(guān)系，如圖4所示。

圖4 手動繪圖窗體

“自動繪圖”頁中X軸可設(shè)定為“壓力”通道測量值或“時間”，Y軸為各應(yīng)變通道測量值，軟件自動繪制出所有通道的曲線圖，并可自動生成全部圖形文件或自動將圖片插入Word文檔,也可直接打印當前繪圖，如圖5所示。

圖5 自動繪圖窗體

3 軟件測試與分析

測控軟件運行于具備RS-232C串口的臺式機或筆記本電腦時，與UCAM-70A通訊穩(wěn)定可靠。由于計算機硬件的更新速度很快，較新的臺式機一般不再把RS-232C串口作為標配，特別是便攜式電腦，新款機器很少再配置串口。串口擴充一般有兩種方式，一種是采用常規(guī)的串口擴展卡，另一種是采用USB轉(zhuǎn)232口的轉(zhuǎn)換電纜。經(jīng)測試，采用多款市售的串口擴展卡進行通訊時沒有發(fā)現(xiàn)通訊異常問題，但在使用某款無源的USB轉(zhuǎn)232口的外置式轉(zhuǎn)換模塊通訊時出現(xiàn)了異常，采用替換法，將該轉(zhuǎn)換模塊用于某著名廠家的PLC及其自身的PLC編程軟件通訊時也出現(xiàn)了通訊異常現(xiàn)象，經(jīng)串口數(shù)據(jù)后臺偵測發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)有偶然丟失現(xiàn)象，可以判定是該款轉(zhuǎn)換模塊質(zhì)量問題，應(yīng)是抗電磁干擾能力較弱所致。經(jīng)實測比較，一般有源的USB轉(zhuǎn)232口轉(zhuǎn)換模塊通訊比較穩(wěn)定可靠。

軟件開發(fā)基本結(jié)束后轉(zhuǎn)入測試階段，分別與實驗室的三臺UCAM-70A進行通訊測試，發(fā)現(xiàn)三臺機器的通訊協(xié)議有細微差別，白色機箱與綠色機箱的機器在單位代碼上有細微差別，導(dǎo)致在用到某些單位時計算結(jié)果錯誤。為解決此問題，在軟件界面上增加了一個參數(shù)設(shè)置選項，用戶使用前先將機箱類型參數(shù)設(shè)置為與實際機箱類型一致，軟件代碼根據(jù)機箱類型參數(shù)分別對涉及單位的計算部分進行差別化處理。

繼UCAM-70A之后，共和儀器又推出了新款應(yīng)變測試儀UCAM-60B，機器更輕巧，更便攜，還增加了以太網(wǎng)通信接口。采用以太網(wǎng)通信接口可以大幅提升通信速率，特別是在較多通道同時測量的場合。為了將該套測控軟件既可用于串口通信又可用于以太網(wǎng)口通信，對UCAM-60B的以太網(wǎng)通信協(xié)議進行了分析，對通信部分的代碼進行了局部改寫，主要采用Winsock控件進行通信握手及數(shù)據(jù)收發(fā)。經(jīng)實際通信測試，與串口通信方式相比，在較少通道測試時效率差別不大；但在較多通道同時測試時測量效率可大幅提升。

4 結(jié)束語

基于對UCAM-70A技術(shù)手冊的深入研究及串口偵測，在掌握其串口通訊協(xié)議規(guī)則的基礎(chǔ)上，運用Visual Basic編程工具結(jié)合第三方表格控件及數(shù)據(jù)庫組件開發(fā)了基于PC機的上位機測控軟件，實現(xiàn)了便捷的參數(shù)設(shè)置、高效的測量與后處理功能，極大地提升了測量及后處理效率及數(shù)據(jù)可靠性。并通過對UCAM-60B等其它系列應(yīng)變儀通訊協(xié)議的比較研究，對軟件的通訊協(xié)議部分作局部修改后可廣泛適用于UCAM系列應(yīng)變儀，該軟件設(shè)計方法及成果在結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域具有借鑒及推廣應(yīng)用價值。