激光氣體遙測儀整機測試系統(tǒng)自動化測試軟件設計

南學芳,張　宇,郁　敏,李　楠,楊　杰,高秀敏

(杭州電子科技大學 電子信息學院,浙江 杭州　310018)

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激光氣體遙測儀整機測試系統(tǒng)自動化測試軟件設計

南學芳,張宇,郁敏,李楠,楊杰,高秀敏

(杭州電子科技大學 電子信息學院,浙江 杭州310018)

激光氣體遙測儀是基于紅外氣體吸收光譜原理,采用先進的可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)技術分析測量被測區(qū)域(如傳輸管道、天花板、墻體等)內的甲烷氣體平均濃度的新型儀表。性能優(yōu)良的激光氣體遙測儀表已在許多危險領域得到了廣泛的應用,但是,目前整機測試系統(tǒng)流程復雜、費時、低效。結合相關生產(chǎn)實踐開發(fā)一種較為實用的整機測試自動化軟件,以提高整機測試的效率。目前已有效地幫助生產(chǎn)相關人員快速、準確地完成整機測試流程。

TDLAS; 激光氣體遙測儀; Visual Studio 2005開發(fā)環(huán)境; 工裝平臺

引　言

隨著社會的發(fā)展,生產(chǎn)技術水平的不斷提高,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{諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)技術的激光氣體遙測儀已經(jīng)成為提高生產(chǎn)效率、保障安全生產(chǎn)的重要儀器。如此的社會需求激起了國內外儀表廠商的極大的研究興趣,激光遙測儀表的市場競爭愈演愈烈。

20世紀90年代后期,隨著半導體激光器的大規(guī)模生產(chǎn)及科學研究的應用,TDLAS技術得到了迅速發(fā)展。21世紀初期,該技術逐漸被國內的研究者關注,現(xiàn)在已有很多企業(yè)推出了激光氣體遙測儀,并投入使用,同時,國內也制定了激光器產(chǎn)品及分析儀器的相關國標。但是大多數(shù)國標也只是針對激光器產(chǎn)品準則與分析儀器通用準則,對整機測試系統(tǒng)的設計與研究并沒有深入。整機測試系統(tǒng)包括硬件和軟件部分,本文主要設計軟件部分的自動化實現(xiàn)。

1　激光氣體遙測儀整機測試研究

1.1激光氣體遙測儀檢測氣體的原理

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

TDLAS儀表普遍采用測量二次諧波信號來檢測氣體濃度,表達式為

(1)

式中:S2f為二次諧波信號;I0為光強直流分量;H2(v,a)為透射系數(shù)為二階諧波分量;v為調制中心頻率;a為調制幅;T為當前溫度。進一步化簡[5]得

(2)

圖1　激光氣體遙測儀系統(tǒng)框圖

被測氣體的濃度表達式為

(3)

式中:S2f為二次諧波信號;I0為光強直流分量;K為標定系數(shù)。

1.2激光氣體遙測儀系統(tǒng)及整機測試系統(tǒng)

1.2.1激光氣體遙測儀表系統(tǒng)

儀表主要由如圖1所示的4部分組成,測量時通過將一束激光指向泄漏點,得到一簇吸收譜線的吸收光譜,依次通過接收光匯聚及校準單元、信號驅動與校準單元,最后將被測氣體平均濃度信息顯示在儀器界面。

1.2.2整機測試系統(tǒng)

圖2　整機測試系統(tǒng)基本框圖

整機測試系統(tǒng)主要由如圖2所示的3部分組成,上位機是整個系統(tǒng)最為重要的部分,協(xié)調控制整個系統(tǒng)協(xié)同工作。上位機發(fā)送命令控制激光遙測儀設置自身參數(shù),并讀取濃度測量值等其他參數(shù)。質量流量計為測試流程提供所需的校準氣。

當前,對激光氣體遙測儀表進行整機測試時,只能根據(jù)工藝文件手動操作,操作過程相對復雜、費時、而且很容易出錯,為了解決這個問題,提高測試效率,本文設計一種自動化測試軟件,不僅能夠解決手動測試時存在的問題,提高測試的準確度,而且可同時連接多臺儀表進行測試,既可節(jié)約校準氣體又可提高測試效率。

1.3整機測試過程

圖3　激光氣體遙測儀整機測試流程圖

激光氣體遙測儀整機測試流程必須較全面地涵蓋所有需要測試的項目,根據(jù)測試工藝合理劃分多個測試項。整機測試是對一臺激光氣體遙測儀表性能的全面檢測,各個測試項必須要求明確,測試方法適當,各個測試項之間相互獨立,測試項順序合理安排,以保證儀表性能的完整檢測。整機測試流程如圖3所示,測試過程中資源分配情況如下所述。

(1) 激光氣體遙測儀:接收上位機發(fā)送的通訊命令,并完成相應的操作,然后對上位機作出應答。

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

(3) 質量流量計:控制測試過程中氣路,保證測試過中零氣、標氣按所需比例通入。

2　整機自動化測試軟件設計

2.1整機自動化測試軟件需求

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

(1) 工裝配置:整機測試前,進行網(wǎng)絡配置和流量計的配置,包括需要連接到多臺儀表、兩臺質量流量計MKS等所需的網(wǎng)絡信息;儀表和流量計的相關屬性。

(2) 信息管理:實時顯示測試過程提示信息;保存測試結果信息;界面實時顯示濃度趨勢等。

(3) 測試管理:可以同時連接多臺激光氣體遙測儀表(>=1)、單個測試項測試、多個測試項組合測試等。

(4) 測試項目管理:內部信噪比、糾偏系數(shù)、糾偏閾值、調零標定、探測下限、輸出波動與重復性、示值引用誤差。

2.2整機自動化測試軟件的整體架構

該軟件由平臺層、業(yè)務層、界面層構成;平臺層使用FPI上位機軟件部目前使用的開發(fā)平臺;業(yè)務層依賴平臺層開發(fā),主要包括系統(tǒng)配置模塊、運行時設備管理模塊、輔助功能模塊等;界面層依賴業(yè)務層和平臺層開發(fā),實現(xiàn)具體用戶交互處理,各層次主要關系如圖4所示。

該自動化測試軟件將在.NET平臺下借助Visual Studio 2005開發(fā)工具采用C#語言開發(fā)。Visual Studio 2005是一套完整、高效、人性化的集成開發(fā)環(huán)境(IDE),C#是微軟公司針對.NET Framework設計的一種面向對象的高級程序設計語言,是一種安全的、穩(wěn)定的、簡單的、優(yōu)雅的,同時兼顧系統(tǒng)開發(fā)和應用開發(fā)的最佳實用語言,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發(fā)應用程序[6-8]。

圖4　軟件各層次主要關系圖

2.3整機自動化測試軟件中各主要模塊

界面層依賴業(yè)務層、平臺層開發(fā),具體模塊不做詳細介紹。

2.3.1平臺層各主要模塊

2.3.1.1xml文件管理模塊

圖5　xml模塊主要類關系圖

該模塊是上位機的基礎模塊,應用程序使用xml文件來配置信息或保存信息。該模塊主要類關系如圖5所示,主要由以下幾部分組成。

VarConfig:變量配置管理器,與Var.xml對應。

ConstConfig:常量配置管理器,與Const.xml對應。

BaseNode:xml配置節(jié)點的基礎類,用于加載與保存各個模塊的xml文件。

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

NodeList:管理xml文件中的所有子節(jié)點,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文件管理與上位機通訊交互設備的通訊鏈路。

該模塊中主要的接口關系如圖6所示,對應功能如下所述。

IConnector:抽象的開關器,包括打開、關閉、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)流對象。

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

圖6　通訊管理模塊主要接口關系圖

該模塊中主要的類及其功能如下所述,主要關系如圖7所示。

圖7　通訊管理模塊主要類關系圖

BaseBus:抽象類,總線基類,實現(xiàn)IBus接口,各物理鏈路必須繼承該類以實現(xiàn)各個業(yè)務。

BasePort:協(xié)議層基類,實現(xiàn)IPort接口,各協(xié)議層必須繼承該類以實現(xiàn)各個業(yè)務。

BusPort:BasePort的子類,關聯(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、關閉,用于通訊指令的發(fā)送、接收。

PortManager:BaseNode的子類,表示一個通訊鏈路管理器,與PortManager.xml對應。

2.3.1.3儀器管理模塊

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

Instrument:繼承自IdNameNode類,表示一個設備信息。

InstrumentManager:繼承自BaseNode類,表示一個設備信息管理器,與InstrumentManager.xml文件相對應。

2.3.2業(yè)務層各主要模塊

2.3.2.1通訊封裝模塊

該模塊主要借助已經(jīng)開發(fā)的相應工具,針對不同的通訊命令生成其相關的通訊方法,提供通訊調用,主要由獲取通訊命令結果方法組成,對應平臺層的通訊管理模塊,主要模塊如圖9所示。

圖8　儀器管理模塊主要類關系圖

圖9　業(yè)務層通訊封裝模塊主要類

通訊封裝模塊封裝了與上位機通訊的各個設備通訊協(xié)議與通訊指令,激光氣體遙測儀表與上位機的通訊報文由幀頭、目標地址信息、源地址信息、命令碼、命令擴展碼、數(shù)據(jù)信息區(qū)、校驗區(qū)、幀尾組成。

圖10　業(yè)務層設備管理模塊主要類關系

2.3.2.2設備管理模塊

該模塊提供后臺處理類,完成系統(tǒng)體系結構中的各個設備的邏輯封裝,完成其信息的后臺記錄,提供與具體設備的交互方法,提供設備相關結果信息的處理功能。類關系如圖10所示。

RuntimeInstrumentManager表示運行時儀器管理類,RuntimeInstrument表示運行時儀器抽象類,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表示物理鏈路對象,propertyCreaterClass表示物理鏈路通訊參數(shù)的xml配置方法對象,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)議所支持的設備類型、impProtocol表示在通訊鏈路管理模塊中的通訊協(xié)議棧對象、propertyCreaterClass表示通訊協(xié)議棧的xml配置方法對象。

MultiBEManager:繼承自BaseNode,與MultiBEManager.xml配置文件對應,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屬性。

PortUtil:進行端口管理、pipe設置。

2.3.2.4輔助功能模塊

該模塊主要實現(xiàn)整機測試項目的管理,包括各個測試項具體實現(xiàn)、測試項管理器(ProdTestManager)設計、多臺儀表同時測試管理器(MultiProdTestManager)設計、測試狀態(tài)、波形信息控制等。

3　總　結

仔細分析軟件需求,然后撰寫需求規(guī)格說明書、概要設計說明書,最后開始軟件開發(fā),現(xiàn)已完成該整機自動化測試軟件,并且該軟件已運用到了實際操作中,測試界面如圖11所示(以同時連接兩臺儀表為例),從圖可看出該軟件界面能夠實時準確地顯示測量濃度趨勢;同時該軟件還可將采集到的數(shù)據(jù)以excel形式保存在相應的文件夾,供后續(xù)查看。二期工作在原有功能的基礎上增加保存波形圖、讀取整測過程中對應全部參數(shù)并導出等功能。

圖11　測試界面實時顯示

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

[2]俞大海,聞路紅,王興華,等.基于DLAS技術的激光氣體分析儀的在線應用[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測試系統(tǒng)設計[D].杭州:杭州電子科技大學,2012.

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

[7]HOFFMANK,KRUGERL.C#.NET技術內籍[M].董梁,高猛,譯.北京:淸華大學出版社,2006:25-36.

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(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

國家重大科學儀器設備專項子任務(2012YQ17000408)

南學芳(1989—),女,碩士研究生,主要從事上位機軟件開發(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