遠(yuǎn)程集散式安規(guī)測試系統(tǒng)設(shè)計

季明紅，胡 鋼，馬 勝，王護(hù)廷

(1.河海大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院，常州 213022;2.江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點實驗室，常州 213022;3.常州市揚子電子有限公司，常州 213022)

1 引言

為了保證儀器儀表和電子產(chǎn)品的使用安全，對該類產(chǎn)品的成品和半成品的電氣安全性能測試(即安規(guī)測試)尤為重要。安規(guī)主要測試項目包括交直流耐壓、絕緣電阻、泄漏電流、接地電阻等。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品生產(chǎn)線的測試需求越來越高，包括高速完成產(chǎn)品的多項電氣安全性能測試、管理測試數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控各生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量等，單一的安規(guī)測試儀已不能滿足上述需求。為此提出了一種基于集散控制的遠(yuǎn)程安規(guī)綜合測試系統(tǒng)，實現(xiàn)安規(guī)的綜合測試和對分散在各生產(chǎn)線的綜合測試集中操作和數(shù)據(jù)管理。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程集散式安規(guī)綜合測試系統(tǒng)主要由管理中心、中控單元和測試儀器組三部分構(gòu)成［1］。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程集散式安規(guī)測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

測試儀器組由耐壓測試、絕緣測試、泄漏測試和接地測試儀器構(gòu)成，每臺測試儀器有唯一的地址，與中控單元通過串行口以RS485總線方式連接。中控單元接收管理中心指令后對測試儀器進(jìn)行參數(shù)配置、啟動、停止等操作，對多項電氣安全性能測試一并完成。測試過程中自動切換測試項目，定時請求測試數(shù)據(jù)和測試狀態(tài)，接收后對其進(jìn)行處理、保存和顯示。管理中心是整個遠(yuǎn)程集散安規(guī)測試系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)管理中心，包括向中控單元發(fā)送測試項目的選擇、測試參數(shù)及上下限報警值，發(fā)送指令給中控單元使其向測試儀器發(fā)出操作指令，對測試結(jié)果進(jìn)行保存、統(tǒng)計、查詢和打印，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測各生產(chǎn)線產(chǎn)品的安全質(zhì)量?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場通信環(huán)境比較惡劣，管理中心與各中控單元間亦采用RS485總線方式通信。

3 中控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

中控單元硬件主要由單片機(jī)C8051F020、串口擴(kuò)展電路、RS485串行接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路、繼電器控制電路、液晶顯示電路和聲光報警電路等組成。中控系統(tǒng)組成如圖2所示。

系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)作為核心處理器，通過RS485串行接口與PC機(jī)和測試儀器組進(jìn)行通信。PC機(jī)發(fā)送的測試參數(shù)和測試項目順序與測試儀器組返回的測試數(shù)據(jù)保存在E2PROM中，即使斷電也能夠保存。通過I/0端口加驅(qū)動電路控制繼電器從而控制測試狀態(tài)(高壓，合格，失敗)變化時指示燈電路及泄漏測試前交流接觸器的通斷。聲光報警模塊則在測試不合格時發(fā)出現(xiàn)場報警。8寸智能液晶顯示屏DMG80600S080_01W實時顯示多項測試項目的測試數(shù)據(jù)與測試狀態(tài)，它與單片機(jī)通過RS232 串口通信［2］。

圖2 中控系統(tǒng)組成

中控系統(tǒng)通過串口與PC機(jī)、測試儀器組和智能液晶顯示屏通信實現(xiàn)系統(tǒng)功能，但是C8051F020只有兩個UART串口，無法滿足系統(tǒng)需求，所以需擴(kuò)展串口。系統(tǒng)利用擴(kuò)展串口芯片GM8123將串行口UART1擴(kuò)展為三個標(biāo)準(zhǔn)串口，電路圖如圖3所示。GM8123的母串口與C8051F020的TXD0和RXD0連接，SRADD1～0，STADD1～0與 C8051F020的P1.5～P1.2連接用作控制選擇GM8123的發(fā)送或接收子串口。GM8123的子串口1、2分別用于連接液晶和設(shè)計RS485通信接口，子串口3備用。

圖3 串口擴(kuò)展

3.2 軟件設(shè)計

中控系統(tǒng)的軟件主要包括初始化、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、存儲器讀寫、LCD液晶顯示等部分。主程序流程圖如圖4所示。

中控單元開啟后，首先進(jìn)行初始化工作(包括端口配置，串口及GM8123的初始化)，接收PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)后保存，并將測試參數(shù)(測試電壓、測試時間等)發(fā)送給相應(yīng)的測試儀器進(jìn)行參數(shù)配置。再接收PC機(jī)指令啟動第一臺儀器工作，實時讀取測試數(shù)據(jù)和測試狀態(tài)后對其處理和顯示，測試完成后將該項測試數(shù)據(jù)保存并自動切換到下一項目測試，直至所有指定測試的項目測試完畢。最后將該組測試數(shù)據(jù)同時上傳至PC機(jī)。若測試過程中，測試數(shù)據(jù)大于上下限報警值(漏電流上下限、絕緣電阻上下限或接地電阻上下限等)則發(fā)出聲光報警并向工作的測試儀器發(fā)出停止命令。測試過程結(jié)束，將測試數(shù)據(jù)和報警原因上傳至PC機(jī)，以便歷史查詢，對產(chǎn)品質(zhì)量問題進(jìn)行分析。

圖4 中控系統(tǒng)主程序流程

其中，3個串口間的協(xié)調(diào)通信是關(guān)鍵。串口UART1初始化時，設(shè)定通道標(biāo)志位 path=1時置STADD1～0為‘01’，數(shù)據(jù)發(fā)送給液晶屏;path=2時置STADD1～0為‘10’，數(shù)據(jù)發(fā)送給RS485通信口。中控單元在上電初始化之后將一直處于幀聽狀態(tài)。接收到一幀信息后，首先判斷是C8051F020哪個串口的數(shù)據(jù)，如果為 UART1的數(shù)據(jù)，根據(jù)地址SRADD1～0判斷是GM8123哪個子串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)則響應(yīng)其發(fā)送的命令;如果為UART0的測試數(shù)據(jù)，則將測試數(shù)據(jù)處理保存并置path=1，通過UART1上傳至液晶屏顯示。通信流程圖如圖5所示。

4 自定義通信協(xié)議

PC機(jī)與中控單元、中控單元與測試儀器組均采用主從通信方式。在通信過程中，主機(jī)主動向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)被動向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，但從機(jī)之間不直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖5 通信流程圖

為了能夠在網(wǎng)絡(luò)上正確的通信數(shù)據(jù)，根據(jù)實際需要，系統(tǒng)自定義了如下通信協(xié)議:通信以“幀”為單位，分為命令幀和響應(yīng)幀。命令幀由主機(jī)發(fā)送給從機(jī)，響應(yīng)幀為從機(jī)接收命令后向主機(jī)發(fā)送的響應(yīng)數(shù)據(jù)。

(1)PC機(jī)(主機(jī))和中控單元(從機(jī))

命令幀分兩種命令:①起始碼+地址碼+長度+測試項目序號(0～3)+測試項目代碼(01－耐壓，02－絕緣，03－泄漏，04－接地)+測試參數(shù)+上下限參數(shù)+校驗和+結(jié)束碼。②起始碼+地址碼+控制命令碼、請求數(shù)據(jù)+結(jié)束碼。

響應(yīng)幀應(yīng)答數(shù)據(jù)為兩種:①起始碼+0x33/0x32+結(jié)束碼，0x33表示發(fā)送成功，0x32表示發(fā)送失敗，請求重發(fā)。②起始碼+地址碼+長度+測試項目代碼1+測試數(shù)據(jù)1+…+測試項目代碼n+測試數(shù)據(jù)n+校驗和+結(jié)束碼(n=1～4)。

測試項目序號+測試項目代碼的組合實現(xiàn)了存儲測試項目及其順序，例如:"2+01"，中控接收后則附值 str［2］=01，數(shù)組最后一位 str［4］=3，表示一共測試3項，第三項是泄漏測試儀，測試參數(shù)和上下限參數(shù)保存在E2PROM中固定存儲泄漏數(shù)據(jù)的部分。測試項目按遞增序號發(fā)送，中控實時返回的測試數(shù)據(jù)一次性傳送完成。

(2)中控單元(主機(jī))和測試儀器組(從機(jī))

命令幀分兩種命令:①起始碼+地址碼+長度+測試參數(shù)+校驗和+結(jié)束碼。②起始碼+地址碼+啟動停止、請求數(shù)據(jù)控制碼+結(jié)束碼。

響應(yīng)幀應(yīng)答數(shù)據(jù)為兩種:①起始碼 +0x96/0x97+結(jié)束碼，0x96表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功，0x97表示發(fā)送失敗，請求重發(fā)。②起始碼+地址碼+狀態(tài)碼+長度+測試數(shù)據(jù)+校驗和+結(jié)束碼。

5 管理中心軟件設(shè)計

管理中心軟件采用Visual Studio.NET環(huán)境下C#語言設(shè)計。軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。軟件主要由登陸管理模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢、報表打印模塊等組成。

圖6 管理中心軟件功能模塊圖

5.1 系統(tǒng)登錄管理模塊

安規(guī)測試具有一定的危險性，所以只有專業(yè)的操作用戶才可以登陸系統(tǒng)對系統(tǒng)進(jìn)行測試。操作用戶按權(quán)限分管理員和普通員工兩種，只有管理員有新增操作用戶和查詢統(tǒng)計的功能。新增操作用戶時，同時設(shè)置其初始密碼及權(quán)限。使用者登錄時，系統(tǒng)根據(jù)用戶名判斷其權(quán)限，自動加載相應(yīng)模塊。

5.2 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊主要完成測試序號、測試參數(shù)和上下限報警參數(shù)等的輸入。其中參數(shù)的輸入控件采用正則表達(dá)式，規(guī)定了數(shù)據(jù)格式(包括小數(shù)點位置及小數(shù)點前后的位數(shù))和數(shù)據(jù)大小，大大減少了人為輸入產(chǎn)生的失誤。

5.3 多線程串口通信技術(shù)

數(shù)據(jù)通信模塊通過.NET提供的Serial Port類實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通信，來向中間控制單元發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)。其中，從SerialPort對象接收數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)采用了多線程技術(shù)［3－4］。

先定義串口接收中斷

再聲明一個委托delegate void sendOK(byte［］retdata);

接收函數(shù)關(guān)鍵代碼如下，

5.4 水晶報表查詢

系統(tǒng)采用ADO技術(shù)對SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問。系統(tǒng)將測試數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，采用水晶報表設(shè)計器生成報表，實現(xiàn)對測試結(jié)果的歷史查詢，打印和存儲。操作用戶可以在查詢統(tǒng)計界面根據(jù)測試日期查詢測試結(jié)果，對產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計分析。實現(xiàn)關(guān)鍵代碼如下:

6 結(jié) 束 語

本文設(shè)計了一種集散式安規(guī)綜合測試系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)介紹了硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和關(guān)鍵設(shè)計方法。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通信可靠，人機(jī)界面操作方便，滿足了生產(chǎn)線對電氣安全性能參數(shù)的統(tǒng)一監(jiān)測和管理。

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