軸系試驗臺配置式數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)方法

劉 杰，毛偉蘭，孫 鋒，周建輝

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430070)

船舶軸系試驗臺是大型工程設備，其設計壽命一般在5年以上，在長期的運行過程中，難以避免測試設備發(fā)生性能退化、故障和報廢的問題[1]。這需要對測試設備定期進行維護保養(yǎng)或更換，以及校準和標定，要求測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件具有良好的配置性和靈活性以適應這種頻繁的更改和調(diào)整；同樣，擴大監(jiān)測區(qū)域、增加監(jiān)測對象是試驗臺朝著通用化、集成化和復雜化動態(tài)演化的方式，這同樣要求數(shù)據(jù)采集軟件能支持新板卡、新設備的擴展和配置，以降低改造升級的經(jīng)濟和時間成本。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件的工作原理為讀取數(shù)據(jù)采集卡通道數(shù)據(jù)，計算解析后存儲到數(shù)據(jù)庫或本地文本文件，其中各類通道的解析計算公式、存儲方式已在程序中固定[2-3]。如果需要修改某個通道的計算處理方式、增加新采集通道以及擴展新數(shù)據(jù)采集卡等，均需要重新編寫源代碼，再編譯部署，具有開發(fā)周期長、成本高的問題。針對以上問題，提出一種基于配置方式的數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)方法。

1 基于配置方式的采集軟件設計

1.1 可配置式采集軟件設計思路

軟件配置技術(shù)可以避免代碼固化、模塊間耦合強的缺點，提煉程序運行過程所需的關(guān)鍵參數(shù)作為配置信息，決定程序的運行流程和方式，以達到動態(tài)擴展、適應新需求的目的[4-5]。為提高軟件的配置性和擴展性，必須保證數(shù)據(jù)采集卡各通道數(shù)據(jù)對應的解析計算公式、存儲表信息可以被修改、增加或刪除，并將這些信息設計成配置信息，讓采集軟件在運行時據(jù)此決定如何計算解析及存儲。

可配置式采集程序架構(gòu)如圖1所示，包括采集初始化部分和采集主程序部分。采集初始化部分從數(shù)據(jù)庫中加載配置信息到內(nèi)存中，并按計算解析和存儲2大類進行組織，建立通道號與計算解析配置和存儲配置的映射關(guān)系，并存放到合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，為采集主程序的運行提供支持；在初始化完成后，采集主程序，循環(huán)讀取數(shù)據(jù)采集卡原始數(shù)據(jù)，并進行處理。首先根據(jù)解析配置信息將原始數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)化為物理參數(shù)，然后根據(jù)存儲配置信息將解析的物理參數(shù)存儲到指定數(shù)據(jù)庫表中。

圖1 可配置式采集程序架構(gòu)

1.2 配置信息設計

設計配置式采集軟件，需要實現(xiàn)采集業(yè)務流程可配置化，即同一個采集通道的業(yè)務流程依據(jù)不同的配置信息來處理，計算結(jié)果和數(shù)據(jù)流向則會有所不同，那么配置信息的設計是重中之重。一般配置信息可由xml文件、注冊表和數(shù)據(jù)庫表格等多種文件類型存儲，軸系試驗臺架測試系統(tǒng)軟件中，配置信息較多，所以采用數(shù)據(jù)庫來存儲配置信息是比較安全合理的[6]。針對采集軟件部分設計板卡配置表(表1)、通道配置信息表(表2)、存儲表編號分配表(表3)。

表1用于登記每塊數(shù)據(jù)采集卡的總體配置信息，重要字段說明如下：①采集卡編號。每塊采集卡分配唯一的編號，在程序初始化時用于實例化一個采集卡對象，該對象封裝所有采集功能和服務。②通道數(shù)量。表示采集卡通道總數(shù)。③空閑通道數(shù)量。表示沒有連接傳感器的通道數(shù)量。④采集周期。表示數(shù)據(jù)采集卡采集工作周期。

表1 板卡配置表

表2描述每塊數(shù)據(jù)采集卡各通道的業(yè)務配置信息，每個通道都要設置一條或多條配置信息，代表該通道測試數(shù)據(jù)的處理方式。重要字段說明如下：①通道號。采集卡通道編號，表示1個物理通道，在程序中用于對配置信息的索引，便于定位與查找。②存儲表編號。表示該通道數(shù)據(jù)需要存儲到的數(shù)據(jù)表。③表字段。該通道數(shù)據(jù)需要存儲到的數(shù)據(jù)表字段。④計算解析公式。該通道數(shù)據(jù)計算解析方式，一般為多項式的形式。⑤解析參數(shù)。該通道數(shù)據(jù)計算解析所使用的系數(shù)。⑥解析區(qū)間。解析計算公式適用的區(qū)間范圍，對于有多個計算解析區(qū)間的通道，需要設計多條對應的配置信息。

表2 通道配置信息表

表3用于記錄每個測試數(shù)據(jù)存儲表的記錄狀態(tài)，與通道配置信息表中的字段“存儲表編號”對應。重要字段說明如下：①表名。表示采集卡通道數(shù)據(jù)需要存儲到的數(shù)據(jù)表。②表說明。表示存儲數(shù)據(jù)的說明。③字段數(shù)量。該表負責存儲數(shù)據(jù)的通道數(shù)量。

表3 存儲表編號分配表

1.3 軟件實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集程序主要分為2部分。第一部分是采集軟件初始化，如圖2所示，用于加載采集配置信息，根據(jù)采集卡編號實例化數(shù)據(jù)采集卡對象，并建立采集卡通道號與計算解析配置、存儲配置信息的映射關(guān)系，以全局變量的形式存放，包括計算解析哈希表對象數(shù)組A、存儲哈希表對象數(shù)組B、采集周期哈希表以及定時器對象數(shù)組。最后，為每個采集周期實例化1個定時器，并激活定時器。

圖2 可配置式采集軟件初始化流程

第二部分用于實際數(shù)據(jù)采集工作，以定時器觸發(fā)對應采集卡對象的采集任務，定時器啟動后，每完成1個計數(shù)周期，觸發(fā)1次采集任務，在采集任務中，根據(jù)定時器的定時周期屬性獲取需要工作的采集卡對象，利用該對象完成1次采集任務。采集程序根據(jù)通道號，從全局哈希表中獲取計算解析信息和存儲配置信息，依次對每個活動通道數(shù)據(jù)進行計算解析并存儲到數(shù)據(jù)庫，具體采集流程見圖3。

在標定傳感器輸出電壓和測試物理量的關(guān)系時，可以采用多項式插值法或線性插值法尋求它們的解析表達式。在解析計算時，根據(jù)解析參數(shù)確定解析計算方式，設計的解析參數(shù)字符串形式為“a0，a1，a2，…，an”(an∈實數(shù))，對應解析計算公式為a0+a1x+a2x2+…+anxn，x為需要計算解析的原始電壓數(shù)據(jù)。那么在計算解析每個通道原始電壓數(shù)據(jù)時，獲取該通道解析配置信息，根據(jù)解析參數(shù)字符串還原解析表達式，從而把電壓數(shù)據(jù)解析為測試數(shù)據(jù)。

圖3 可配置式采集流程

計算解析后的測試數(shù)據(jù)，需要存儲到數(shù)據(jù)庫，插入數(shù)據(jù)庫表通用操作Sql語句如下：

insert into {0}(number,time,{1}) values({2},′{3}′,{4})

其中，{0}、{1}、{2}、{3}和{4}表示占位符，需使用具體的變量替換：{0}和{1}分別采用存儲配置信息數(shù)據(jù)庫表名和表字段名替換，{2}采用采集計數(shù)替換，{3}采用當前時間替換，{4}采用解析后的測試數(shù)據(jù)替換。程序需要根據(jù)通道存儲配置信息和測試數(shù)據(jù)，動態(tài)替換該Sql語句的占位符，然后執(zhí)行Sql命令將數(shù)據(jù)存儲到指定數(shù)據(jù)表字段下即可。采集程序?qū)Σ杉總€通道執(zhí)行一次計算解析和存儲后，便完成一次采集任務。

2 軟件測試

為了測試驗證可配置式采集軟件設計方法的可行性，以VS.NET2017和Sql Server2008為測試軟件，MCC數(shù)據(jù)采集卡為測試硬件。設置待測試板卡的詳細配置信息，在數(shù)據(jù)庫中完善板卡配置表和通道配置信息表。

對于板卡配置信息，采集卡編號為4，采集卡名稱為MCCBoard4，通道總數(shù)為8，空閑通道數(shù)為0，采集周期為2 000 ms。

MCCBoard4的通道詳細配置信息如表4所示，解析公式“1+2x+x2”對應的解析參數(shù)為“1,2,1”，通道1、3、7和8具有相同解析公式，而通道2、4、5和6具有相同解析公式。配置MCCBoard 4的信號源，設置通道1～4產(chǎn)生方波的范圍為[-2.5,2.5]，通道5～8產(chǎn)生鋸齒波的范圍為[-2.5，2.5]。

運行可配置式數(shù)據(jù)采集程序，一段時間后可以觀察到數(shù)據(jù)庫已經(jīng)存儲了測試數(shù)據(jù)，表5所示是截取數(shù)據(jù)庫存儲的測試數(shù)據(jù)，通道1～4的原始數(shù)據(jù)都是方波數(shù)據(jù)且大小相同，計算解析后通道1和通道3，通道2和通道4的數(shù)據(jù)相同；而且，測試數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)表中的存儲位置嚴格按通道存儲配置信息的指定，可見采集程序的計算解析環(huán)節(jié)和存儲環(huán)節(jié)是正確的，觀察通道5～8的測試數(shù)據(jù)可以得到相同的結(jié)論。此外，數(shù)據(jù)存儲時間間隔是2 s，與板卡配置信息采集周期2 000 ms一致，驗證采集程序的實時性符合設置要求。

表4 測試板卡通道配置信息

表5 采集的測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

1)當數(shù)據(jù)采集卡擁有空余的通道時，可以利用空余通道擴展新的采集測點，只需要為新通道添加配置信息，即可實現(xiàn)新測點的數(shù)據(jù)采集。

2)在維修、更換傳感器等測試設備時，需要重新標定軟件或參數(shù)校準。采用該方法只需修改計算解析配置信息即可，不需要修改代碼。

3)當需要擴展與現(xiàn)存板卡同廠家的新板卡時，不需要為新板卡編寫采集程序，只需要為新板卡添加板級配置信息和通道配置信息，基于配置式的采集軟件能自動解析板級配置和通道配置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，以支持新板卡的擴展。

4)該方法已應用到軸系試驗臺測試系統(tǒng)軟件中，可推廣到類似的應用場合，提高測試設備維護的便捷性，降低升級改造的成本，具有工程實用價值。