基于C#電機測試系統(tǒng)的設(shè)計

胡宗華 代嚴滿 竇洋洋

摘 要：計算機測試系統(tǒng)是計算機技術(shù)和測控技術(shù)、電子技術(shù)、測試儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，文章采用基于PCI總線的技術(shù)開發(fā)出基于C#的電機測試系統(tǒng)，給出了測試系統(tǒng)的基本配置，開發(fā)環(huán)境是Microsoft Visual Studio 2010，并結(jié)合NI公司的Measurement Studio 2015軟件，開發(fā)出一套能完成電機各項功能測試的綜合測試系統(tǒng)，人機界面友好，操作簡單。

關(guān)鍵詞：測試系統(tǒng)；C#；功能測試

電機是能量轉(zhuǎn)換裝置的最好體現(xiàn)，它廣泛用于工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、交通運輸領(lǐng)域、國防科技領(lǐng)域等，因此電機的性能研究頗受青睞，人們對電機性能測試有了更高的要求。電機測試技術(shù)主要研究的是電機的各種參數(shù)特性及原理和方法，利用虛擬儀器、儀表和相應的設(shè)備，按照相關(guān)規(guī)定，對電機制造過程中的電氣性能、力學性能、安全性能以及可靠性進行檢驗。這些實驗數(shù)據(jù)可以知道電機的設(shè)計是否符合要求以及改進的目標和方向。

1 電機測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)組成

基于C#的電機測試系統(tǒng)是以PC機為主測量平臺，利用虛擬儀器模擬實際儀器的操作界面，通過人機交互來完成對電機各種參數(shù)的采集、調(diào)理、分析、結(jié)果顯示和輸出的功能。從虛擬儀器外部硬件結(jié)構(gòu)出發(fā)，它是由硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)兩大部分組成，儀器的硬件結(jié)構(gòu)是就計算機測試系統(tǒng)的外圍電路。圖1為典型的虛擬儀器系統(tǒng)基本框圖。

1.2 數(shù)據(jù)采集

信息飛速發(fā)展的社會，信息與信號處理技術(shù)在很大程度上決定了信息技術(shù)的先進性。本系統(tǒng)采用北京阿爾泰公司旗下的PCI18622板卡，開發(fā)出基于PCI總線的C#電機測試系統(tǒng)，來完成電機性能參數(shù)的采集和分析。PCI18622是一款基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在IBM-PC 或與之兼容的計算機內(nèi)的任一主機插槽中，形成實驗室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析以及數(shù)據(jù)處理。也可搭建成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。

AD模擬量輸入功能：（1）轉(zhuǎn)換器類型：AD7663。（2）輸入量程（InputRange）：±10V，±5V，±2.5V，0～10V，0～5V。（3）采樣速率（Frequency）：1Hz～250KHz。（4）模擬輸入通道總數(shù)：32路單端，16路雙端。

說明：各通道實際采樣速率=采樣速率/采樣通道數(shù)。

分頻公式：采樣頻率=主頻/分頻數(shù)，其中主頻=40MHz，32位分頻，分頻數(shù)的取值范圍：最低為160，最高為40000000。

模擬信號的輸入分單、雙端輸入2種方式。信號單端輸入方式是指在使用正負兩個通路實現(xiàn)某個信號輸入的情況，信號由單一通道輸入這種方式叫差分輸入方式。這種方式主要應用于干擾較大，通道數(shù)量相對較少的環(huán)境。PCI8622數(shù)據(jù)采集板卡可按照下圖連接方式，構(gòu)成模擬電壓雙端輸入的方式，同時能夠抑制共模信號帶來的干擾情況，提高數(shù)據(jù)采集的精度。16路模擬信號的輸入端一端接到AI0～AI15端，另外一端接到AI16～AI31端的負端，現(xiàn)場設(shè)備與PCI8622板卡共用一個模擬地端口AGND如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集的方式采用的是分組采集，它的功能是AD在采樣過程中，每采樣組的各通道以內(nèi)的時鐘采樣頻率相互之間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采樣組兩組之間有一個較長的等待時間，這段時間被稱為采樣組間間隔。各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其數(shù)據(jù)采集過程大致相同，一般包括以下2步：（1）使用傳感器采集各種物理信號，通過AD轉(zhuǎn)換把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。（2）通過A/D轉(zhuǎn)換完成之后，電腦可以識別出來具體的數(shù)字信號，便于對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理。

各采集組的內(nèi)采集通道在進行AD轉(zhuǎn)換完成后，該系統(tǒng)會等待一段時間，再接著下一組的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換，依次重復下去并分組采集。

1.3 物理ID設(shè)置

物理ID號的設(shè)置，如果主機電腦中安裝了多塊數(shù)據(jù)采集板卡時，并且是相同型號的，如PCI18622板卡，此時系統(tǒng)可以對每一塊板卡的物理ID號進行相應的開關(guān)設(shè)置，這就使得用戶在編程和調(diào)試情況下，不僅訪問方便，速度也大大提高。每塊數(shù)據(jù)采集板卡均以4位二進數(shù)字來表示，開關(guān)撥向“ON”時，它的意思是“1”，撥向“ON”的另一側(cè)，表示“0”。圖3表示的是：位置為“ID3”是高位，“ID0”是低位，圖3中黑色的模塊表示開關(guān)的所處位置。

通過PCI18622數(shù)據(jù)采集板卡的引腳定義，將數(shù)據(jù)采集的模擬輸入與STM32下位機的輸出相連，即可完成數(shù)據(jù)采集。

2 電機測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 下位機控制軟件設(shè)計

下位機是基于STM32最小系統(tǒng)板搭建的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)一方面實時采集電機各種參數(shù)數(shù)據(jù)，另一方面負責控制電機的實時運行狀態(tài)，還要對各種采集到的信息進行輸出處理，如電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流、電壓等參數(shù)。

下位機控制軟件的開發(fā)平臺是Keil uVision4，對STM32系統(tǒng)的I/O口配置以及傳感器的輸入輸出，均采用模塊化設(shè)計思想，主要功能包括幾個方面：數(shù)據(jù)采集模塊、信號轉(zhuǎn)換與放大電路模塊、邏輯處理模塊、傳感器軟件驅(qū)動模塊、PCI總線通信模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：被測電機的參數(shù)是測試系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)來源，也是對電機以后的改進方向有著很重要指導作用。如電機的轉(zhuǎn)速，電機的電流，電機的電壓，電機的轉(zhuǎn)矩，點擊的功率因素等。這些模擬信號是一方面，另一方面整個測試系統(tǒng)的數(shù)字信號對電機的控制也是很重要的，如電機的運行、制動、暫停，還包括調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，電壓、電流、功率因素等等。對這些模擬信號和數(shù)字信號要進行一個防干擾處理，以免一些錯誤信息或者是干擾信息擾亂測試系統(tǒng)的正常運行。

（2）信號轉(zhuǎn)換與放大電路模塊：電機測試系統(tǒng)中，有些模擬信號是非常微弱的，如電流甚至達到幾微毫安，這樣的信號在有些精度不高的采集板卡中，幾乎是測不出來的，也就是達不到預期的控制效果，實時性也難以達到，而且，這個信號太微弱，對上位機的控制也是不利的，有時系統(tǒng)可能自動忽略太微弱的信號，就做不到控制，運行中出現(xiàn)故障。

（3）傳感器硬件驅(qū)動模塊：這模塊主要是針對一些傳感器設(shè)定的，眾所周知，傳感器在接入上位機之后，是需要裝驅(qū)動的，否則上位機無法識別這些設(shè)備，只有正確地安裝了驅(qū)動之后，才能達到上位機控制這些設(shè)備的目的，或者是軟件編程過程中對這些外設(shè)的控制，包括它的輸入、輸出、接口等。

2.2 上位機軟件設(shè)計

本測試系統(tǒng)操作系統(tǒng)采用Windows 7，其性能穩(wěn)定可靠，為測試系統(tǒng)提供可靠的運行平臺.開發(fā)平臺選用Microsoft Visual Studio 2010，結(jié)合Measurement Studio，快速搭建上位機圖形界面和連接硬件，并與各種儀器開展通信和快速采集數(shù)據(jù).在Windows 7系統(tǒng)上創(chuàng)建出高性能、穩(wěn)定好的應用程序，為建立電機測試系統(tǒng)、提供了極大的便利。PC機上位機系統(tǒng)軟件按功能劃分由系統(tǒng)登陸界面、用戶注冊、系統(tǒng)設(shè)置、輸出控制。上位機系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)測試是測試軟件系統(tǒng)和其他的系統(tǒng)元素及硬件、數(shù)據(jù)庫和人機交互信息組合構(gòu)成完整的計算機應用系統(tǒng)中所有的元素配合是否合適以及整個系統(tǒng)的功能、性能、執(zhí)行強度、安全性等是否達到規(guī)定標準，它的測試數(shù)據(jù)通常是系統(tǒng)測試的測試數(shù)據(jù)的子集。不同的測試類型，在設(shè)計測試用例時，測試點各有不同。在測試系統(tǒng)開發(fā)過程中，編程和測試是緊密相關(guān)、相輔相成的技術(shù)活動，缺一不可，同等重要。同時，還需補充新的測試用例來測試新的或被修改了的功能。

用C#語言編寫相關(guān)程序涉及到的函數(shù)：（1）private void AdsThread（）。該線程是C#語言和核心技術(shù)之一，操作系統(tǒng)上同時可以運行多個應用程序，這些技術(shù)就是進程技術(shù)，一個進程里面可以有多個線程或者單個線程。線程是操作系統(tǒng)合理利用處理器時間的基本單元之一，在線程中可以有多個線程同時運行。這里通過使用Thread類，對線程進行創(chuàng)建、暫停、恢復、休眠等操作。系統(tǒng)為應用程序分配一個主線程，該線程執(zhí)行程序中的Main方法開始和結(jié)束的代碼。（2）private void ProcessData（）。定義一個無返回值函數(shù)ProcessData，它的作用是用數(shù)組來存取采集到的數(shù)據(jù)，在該方法里面還應用到拋出異常這一技術(shù)，方便基礎(chǔ)學者調(diào)試程序時更易發(fā)現(xiàn)其中的錯誤。

3 結(jié)語

本文詳細介紹了基于C#電機測試系統(tǒng)的設(shè)計方法，通過采用STM32單片機作為整個測試系統(tǒng)的下位機，上位機控制軟件是在Visual Studio開發(fā)平臺上用C#語言設(shè)計的虛擬控制界面，可以有效提高測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。實驗證明，本測試系統(tǒng)具有體積小、功耗低、精度高、實時性好、穩(wěn)定等優(yōu)點，可以在電機測試系統(tǒng)中應用。

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The Design of the Test System Based on C#

Hu Zonghua， Dai Yanman， Dou Yangyang

（College of Engineering Control Institute， Xijing University， Xi an 710123， China）

Abstract： The computer test system is computer technology and Measurement and control technology， electronic technology， testing instrument technology product of further combination， this article based on PCI bus technology to develop the motor test system based on c #， the basic configuration of the test system is given， the development environment is Microsoft Visual Studio 2010， combined with the Measurement of NI company Studio 2015 software， can develop a set of complete motor functions of comprehensive testing system， friendly man-machine interface， easy to operate.

Key words： test system； C#； functional test