王勇軍，葉美玲，李 智，林榕彬

(1.桂林航天工業(yè)學院無人機遙測重點實驗室，廣西桂林 541004；2.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西桂林 541004)

燃氣舵是導彈推力矢量控制裝置，通過改變推進裝置的燃氣噴流方向，產(chǎn)生改變導彈姿態(tài)的作用力或作用力矩。而該型導彈燃氣舵內(nèi)部的一個重要控制部件即是“安全閥”。該安全閥的打開壓力在3.40～3.95 MPa之間，為保障導彈工作的有效性，使用前需要進行正向密封性、打開壓力、回座壓力、反向承壓和密封圈密封性等測試，通用的人工單項檢測方法不僅每次耗時三四十分鐘，而且還存在一定的誤檢率。

目前在氣動壓力控制閥檢測方面，有不少大學和研究所開發(fā)出各類控制閥門檢測系統(tǒng)，比如山東大學開發(fā)出高/微流量氣壓減壓閥測試系統(tǒng)［1］、寧波大學基于LabVIEW研制了減壓閥測試設備［2］、合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責任公司針對安全閥低溫性能測試開發(fā)了自動測試系統(tǒng)［3］等，但這些都基于 LabVIEW平臺，人機界面不夠方便，而且也未見報道有類似功能安全閥的測試裝置。因此，研制開發(fā)一套檢測功能強、系統(tǒng)穩(wěn)定、自動化程度高、操作簡便的安全閥測試系統(tǒng)軟件不僅可以提高測試效率，還可以保障安全閥質(zhì)檢合格的有效性。本文主要介紹基于VC平臺的導彈燃氣舵安全閥測試系統(tǒng)上位機控制軟件的設計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體方案設計

整個測試系統(tǒng)主要由測試工件(安全閥)、氣路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和上位機軟件四大部分組成，主要利用計算機及自動檢測技術(shù)，實現(xiàn)安全閥各項性能指標的自動測試，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

氣路系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個氣路系統(tǒng)處于高壓環(huán)境，主要為不同測試項目輸出合適的測試氣壓。另外，由于安全閥打開壓力、回座壓力、密封性等多項性能測試中的流量指標差異非常大，輸出流量小至幾mL/min、大至幾十L/min，所以該氣路系統(tǒng)搭建的一個難點在于如何快速切換測試項目。為解決這個問題，設計時采用多路電磁閥并聯(lián)一起，分別與不同精度流量測試儀器連接，通過控制電路中電磁閥的開斷來實現(xiàn)測試氣路的切換［4-5］。電路系統(tǒng)負責壓力和流量信號的采集、轉(zhuǎn)換與傳輸，并發(fā)送到工控機。工控機還負責將控制信號傳送到測量與控制電路部分，進而控制執(zhí)行機構(gòu)(電磁閥、電動壓力調(diào)節(jié)閥)完成調(diào)節(jié)動作。

圖2 氣路組建結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)上位機軟件設計思路

主控計算機是測試系統(tǒng)的控制管理中心，對整個測試過程進行管控和調(diào)度，完成規(guī)定的測試任務。系統(tǒng)基于VC開發(fā)平臺，分析該測試系統(tǒng)軟件的需求，運用多線程技術(shù)和模塊化設計原則［6］，設計開發(fā)測試系統(tǒng)的上位機軟件，以期能提供操作簡單的人機管理界面。

2.1 系統(tǒng)上位機軟件需求分析

通過分析安全閥性能測試項目的測試方法及工作流程，確定人機接口管理界面是否能夠完成控制響應、實時通信、數(shù)據(jù)分析和圖表顯示四大項任務，因此需要包含以下基本功能：

①響應界面操作按鈕，實現(xiàn)測試項目的選擇，以及人工分析處理的一些操作；

②通過串口完成與下位機的通信，上傳各傳感器數(shù)據(jù)至上位機界面，下達控制命令控制執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)狀態(tài)；

③對比傳感器測試數(shù)據(jù)與技術(shù)指標要求，進行測試項目的性能評估，顯示分析結(jié)果，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息以直觀圖形的方式標識出來；

④綜合壓力傳感器和流量計測試數(shù)據(jù)，繪制歷史數(shù)據(jù)曲線、打開壓力曲線、回座壓力曲線，實現(xiàn)曲線圖表的顯示。

測試規(guī)劃界面如圖3所示，測試項目功能區(qū)中的相應測試項目對應單個指標測試流程；各傳感器的最新測試數(shù)據(jù)會顯示在界面上，并在繪制區(qū)實時顯示數(shù)據(jù)曲線；各項目測試完成后，會在顯示區(qū)給出系統(tǒng)針對各個項目性能的分析結(jié)果；電磁閥區(qū)域顯示當前時刻各電磁閥開關(guān)狀態(tài)，以方便用戶觀察氣路狀態(tài)是否正常。

圖3 系統(tǒng)主界面示意圖

要保證傳感器測試數(shù)據(jù)既能進行連續(xù)、長時間數(shù)據(jù)采集，又能實時解算并動態(tài)顯示，這對數(shù)據(jù)采集、計算處理、數(shù)據(jù)實時顯示等功能的設計提出了很高的要求。單線程、順序執(zhí)行的程序結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足測試系統(tǒng)的需求，而利用多線程技術(shù)，把數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算處理、數(shù)據(jù)實時動態(tài)顯示等任務分配給多個線程同步處理，實現(xiàn)不同功能的并發(fā)執(zhí)行，可有效提高系統(tǒng)的效率，從而優(yōu)化系統(tǒng)整體性能［7］。

2.2 多線程技術(shù)

上位機軟件作為整個測試系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，為了提高其工作效率，設計時運用多線程技術(shù)，將執(zhí)行代碼劃分主次，主線程負責響應主界面操作，優(yōu)先級最高，次線程負責完成其他任務。根據(jù)安全閥測試需求分析可知，上位機軟件主體任務包含界面操作、串口通信、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)庫操作，因此可把界面操作設為主線程，其他任務設為次線程。由于串口通信涉及測試數(shù)據(jù)的上傳與控制命令的下達，是上位機線程聯(lián)系的樞紐，因此將它的優(yōu)先級設為次線程隊列中最高的。軟件運行過程中，當主線程響應用戶界面操作時，次線程會暫時掛起，完成響應后，掛起的次線程被喚醒。

在人機交互的過程中，通過多線程技術(shù)解決了系統(tǒng)并發(fā)任務的調(diào)度、線程間的通信和同步問題，提高了系統(tǒng)的實時響應能力。本系統(tǒng)采用全局變量進行線程間通信，結(jié)合自定義消息變量進行輔助通信［8］。同時使用臨界區(qū)對象實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的保護，只有線程獲得該對象才能訪問被保護的公共資源，直到該線程釋放該對象，才允許其他線程訪問，為線程之間數(shù)據(jù)的共享和傳遞提供了良好的數(shù)據(jù)保護機制。

3 系統(tǒng)上位機軟件功能實現(xiàn)

該安全閥測試系統(tǒng)的例行測試有：密封圈密封性測試、正向密封性測試、打開壓力測試、閥門動作測試、反向壓力測試、回座壓力測試，軟件基本工作流程如圖4所示。當進行各個項目測試時，軟件根據(jù)采集到的氣壓和流量值對電動壓力調(diào)節(jié)閥及電磁閥進行自動控制，不斷反饋控制直至獲取滿足測試要求的氣壓。為防止誤操作，當前測試任務執(zhí)行過程中會與其他測試項目互鎖，只有結(jié)束當前測試才能進行下一項測試。

3.1 登錄界面

此模塊設置了保護權(quán)限，需要驗證測試人員的合法性以及管理用戶的使用權(quán)限，只有教師規(guī)定的同學具有權(quán)限進入該系統(tǒng)。登錄功能需要根據(jù)教師在后臺建立的賬號和密碼庫來驗證，每次登錄不成功系統(tǒng)明確提示賬號或者密碼重輸入，連續(xù)提示次數(shù)超過3次，系統(tǒng)強制退出軟件。

3.2 設備自檢

對測試控制單元的功能、通道配置情況及可用性進行檢測，并對系統(tǒng)做相應初始化，確保安全閥測試結(jié)果的有效性和可信性。該模塊實際上是一個特殊的數(shù)據(jù)采集與信號控制的過程，是針對各測試裝置的自測試與數(shù)據(jù)采集方案［9］。

圖4 基本測試流程圖

3.3 串口通信

上位機通信是基于串行通信實現(xiàn)的，采用Modbus-RTU協(xié)議的主從方式通信。串口初始化過程中，要完成對串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗方式等串口參數(shù)的配置，保證數(shù)據(jù)能正確傳輸。上位機通過唯一的地址號來區(qū)別從機，然后按照協(xié)議格式發(fā)送命令，相應的下位機按相同格式做出響應。該協(xié)議定義的03功能碼是讀取指定地址寄存器的模擬量，可以獲得傳感器的測試數(shù)據(jù)；06功能碼是寫入單個模擬量到寄存器，寫入值可以是-32768～32767之間的任意值，作為設置電動調(diào)節(jié)閥開度信號以及電磁閥開關(guān)狀態(tài)的模擬量。通過解析接收到的數(shù)據(jù)，具體的操作響應會在功能號對應的函數(shù)中執(zhí)行，從而實現(xiàn)主控計算機與下位機之間的通信。Modbus報文模型如圖5所示，其報文協(xié)議主要由地址域、功能碼、數(shù)據(jù)碼和校驗碼組成。

圖5 Modbus報文模型

3.4 性能測試

軟件的核心部分是實現(xiàn)安全閥全部性能指標的測試。整個測試分為全項目性能測試和單項性能測試兩種，按照不同的項目選項進入相應測試項目流程。全項目測試包含6個子任務測試，每個子任務對應測試要求不同，會構(gòu)建不同的測試鏈路，但這些都是通過控制氣路系統(tǒng)電磁閥的打開與關(guān)閉來實現(xiàn)不同氣路選擇的。通過對比相應傳感器測試數(shù)據(jù)與對應測試項目技術(shù)指標，進行測試系統(tǒng)的效能評估。全項目程序流程如圖6所示。其中，密封圈密封性、正向密封性和反向壓力三項測試涉及到不同小流量檢測，考慮到測試的靈活性，可以通過界面來選擇設定不同的流量評估標準。

圖6 全項目測試程序流程圖

3.5 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要用于對上位機收到數(shù)據(jù)的解析、實時數(shù)值的顯示、數(shù)據(jù)曲線的繪制、性能評估結(jié)果的顯示、數(shù)據(jù)庫存儲和歷史數(shù)據(jù)的查閱。數(shù)據(jù)曲線的顯示功能可以利用曲線圖表控件TeeChart8.0實現(xiàn)［10-11］，數(shù)值形式的顯示則可依靠VC平臺自帶的列表控件來實現(xiàn)。上位機將接收到的數(shù)據(jù)按照指定的規(guī)則解析為傳感器的實時數(shù)據(jù)，如根據(jù)壓強和流量可以在界面上實時顯示出這兩個數(shù)據(jù)構(gòu)成的打開壓力曲線和回座壓力曲線。

對于數(shù)據(jù)的存儲既能以曲線圖表形式導出存儲，也能連接數(shù)據(jù)庫存儲，以方便后期查閱數(shù)據(jù)，為故障分析提供真實可靠的數(shù)據(jù)支持。相關(guān)歷史數(shù)據(jù)查閱功能主要是按照ADO方式遍歷數(shù)據(jù)庫［12］，對已測試傳感器的數(shù)據(jù)及處理后的數(shù)據(jù)進行分析，方便后期完成實測報告時對出現(xiàn)的問題追蹤溯源。

3.6 人機交互界面實現(xiàn)

根據(jù)安全閥測試控制工作流程，要求設計友好的人機交互界面，完成后的軟件主界面如圖7所示。整個自動測試交互界面主要包括項目流程控制及數(shù)據(jù)實時監(jiān)測區(qū)、性能評估結(jié)果顯示區(qū)、數(shù)據(jù)曲線顯示區(qū)、串行通信參數(shù)設置區(qū)、數(shù)據(jù)存儲及事后人工分析處理區(qū)、電磁閥測試狀態(tài)顯示區(qū)。

圖7 測試系統(tǒng)功能主界面

4 結(jié)束語

針對導彈安全閥的測試需求，研制一種安全閥自動測試系統(tǒng)，利用多線程技術(shù)設計具有用戶登錄管理、串口通信、性能測試和數(shù)據(jù)管理等功能的用戶控制界面，人機交互方便，不僅能快速測試安全閥的全項目性能指標，還能通過上位機界面控制各單項測試，輸出測試系統(tǒng)各部件工作狀態(tài)，為企業(yè)生產(chǎn)提供良好的輔助工具，大大提高了質(zhì)檢任務的執(zhí)行效率。