標(biāo)動失穩(wěn)檢測傳感器自動測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

田亞欣 孫萌 靳建宇 王超

摘 要：標(biāo)動產(chǎn)品失穩(wěn)檢測傳感器自動測試是產(chǎn)品裝車前檢測的重要環(huán)節(jié)，由于其旋轉(zhuǎn)測試方向變化、要采集的信號路數(shù)多，目前的測試主要手段是采用人工測試，這種測試方法存在測試效率低、人為引入不確定因素大、測試通道少、測試結(jié)果信息化弱、安全性差等缺點(diǎn)。本文針對標(biāo)動產(chǎn)品失穩(wěn)檢測傳感器自動測試提出了自動化、一體化的測試方案，基于原有失穩(wěn)檢測測試方法，在測試通道數(shù)、旋轉(zhuǎn)工裝、數(shù)據(jù)信息化提高等方面做出重要研究。該系統(tǒng)將原有的獨(dú)立測試工作的整合化、系統(tǒng)化，研制出一套產(chǎn)品自動化跟蹤測試流程，使得標(biāo)動產(chǎn)品失穩(wěn)檢測傳感器測試覆蓋性全、測試信息化強(qiáng)度高、產(chǎn)品追溯性強(qiáng)，從而大大提高產(chǎn)品的可靠性、生產(chǎn)效率以及降低人工成本。

關(guān)鍵詞：失穩(wěn)檢測傳感器;一體化;自動化

0 引言

近些年來，中國社會不斷進(jìn)步和發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)的變化也日新月異。中國高鐵更是以“中國速度”享譽(yù)國內(nèi)外。中國高速鐵路（CHSR）簡稱高鐵，是現(xiàn)代最流行的公共交通工具以及運(yùn)輸工具，是鐵路技術(shù)集成和創(chuàng)新的重要標(biāo)志[1]。高鐵作為一種新興的交通運(yùn)輸形式，正在逐漸替代原有傳統(tǒng)交通運(yùn)輸工具，成為人們出行的一種新選擇，在緩解高速公路交通壓力的同時提高了中國整體交通運(yùn)輸效率，其正在并將長期對中國旅客出行的交通工具選擇結(jié)構(gòu)及汽車市場需求產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[2]。

標(biāo)動傳感器部件作為高鐵關(guān)鍵部件，測試流程種類多、待測產(chǎn)品數(shù)量大，失穩(wěn)傳感器現(xiàn)在是運(yùn)用單個的傳感器信號采集工裝配合傳感器人工旋轉(zhuǎn)完成測試，均作為獨(dú)立的測試設(shè)備存在，只能完成最基本的性能測試，每項測試都必須要有人員參與，在大力提倡物聯(lián)網(wǎng)、智能化、自動化測試的今天，失穩(wěn)傳感器的測試以單通道為主，通道少雖然能實現(xiàn)信號的采集以及測試結(jié)果的判斷、可程控，但存在測試容量小、自動化程度低、安全性差、可靠性差等問題。

本文針對上述問題，運(yùn)用傳感器信號采集技術(shù)、計算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力、數(shù)據(jù)處理等多種技術(shù)融合提出了標(biāo)動失穩(wěn)檢測傳感器自動測試方案。硬件設(shè)備搭配配套的自動化測試軟件，測試開始前對測試條件進(jìn)行配置、一鍵測試、最后生成測試表格可以打印。機(jī)柜上方安裝警示燈可以對測試狀態(tài)進(jìn)行實時顯示，配置掃描槍可對待測試的傳感器編號進(jìn)行掃描，直接記錄在表格內(nèi)、安裝打印機(jī)可對測試結(jié)果進(jìn)行打印。結(jié)果也表明，自動化測試系統(tǒng)能夠提供更好的測試效果，提高了測試效率、保障了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，能夠更為直觀的進(jìn)行系統(tǒng)問題的顯示及定位，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)測試周期。

1 主要研究內(nèi)容

失穩(wěn)檢測傳感器自動測試系統(tǒng)主要包括供電/顯示模塊、電機(jī)控制模塊、應(yīng)急停止/聲光報警模塊、信號采集模塊、計算機(jī)模塊、多通道擴(kuò)展模塊、傳感器模塊和附屬模塊。

計算機(jī)模塊是失穩(wěn)檢測傳感器自動測試系統(tǒng)的核心模塊，用于調(diào)度各個功能模塊，可以選用工業(yè)計算機(jī)或商用計算機(jī)，用于運(yùn)行失穩(wěn)檢測傳感器自動測試系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，測試人員通過人機(jī)操作界面來控制整個測試系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)待測產(chǎn)品的測試。

信號采集模塊是失穩(wěn)檢測傳感器自動測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來源，是計算機(jī)和多通道擴(kuò)展模塊連接的橋梁，信號采集模塊采集多通道擴(kuò)展模塊傳遞的傳感器相應(yīng)信號值，電流經(jīng)過高精度電阻將電流信號轉(zhuǎn)成電壓信號，信號采集模塊通過485轉(zhuǎn)USB連接到計算機(jī)，自動化測試軟件完成相應(yīng)的算法得出測試結(jié)果。可以選用滿足精度要求的RTU模塊，也可以自研板卡對待測傳感器的信號進(jìn)行采集。

供電、顯示模塊主要包括失穩(wěn)檢測傳感器自動測試系統(tǒng)整機(jī)的供電、內(nèi)部集成設(shè)備的供電，以及人機(jī)交互界面的顯示。整機(jī)選用220 V市電進(jìn)行供電，內(nèi)部不同設(shè)備的不同電壓通過電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換之后供電;顯示模塊可以選用任何一款顯示器即可。

傳感器模塊主要包括失穩(wěn)檢測傳感器自動測試系統(tǒng)對外接插件以及待測傳感器。由于待測傳感器本身對外的接插件種類較多，因此可以選用一款測試數(shù)量最多的型號，接其他型號的待測傳感器可通過轉(zhuǎn)接電纜進(jìn)行連接。

多通道擴(kuò)展模塊是將測試通道進(jìn)行擴(kuò)充，對外接插件搭配信號采集模塊實現(xiàn)多通道的切換測試。對于不同測試流程下電壓的不同，可用降壓模塊搭配繼電器進(jìn)行選擇切換。

電機(jī)控制模塊與通過USB與計算機(jī)連接，用于控制旋轉(zhuǎn)工裝的電機(jī)依照指令旋轉(zhuǎn)到指定方向。

附屬模塊主要指掃描槍和打印機(jī)。掃描槍掃描待測傳感器標(biāo)簽上的二維碼，實時上傳給上位機(jī)軟件并記錄，減少信息錄入的繁瑣;打印機(jī)用來打印測試報表，具有一鍵打印功能。

應(yīng)急停止、聲光報警模塊主要包括緊急停止開關(guān)和警示燈，如果發(fā)生緊急情況，按下急停開關(guān)，則整個設(shè)備斷電，警示燈是對設(shè)備測試過程的顯示，測試通過后綠燈亮、無蜂鳴器報警，測試不通過時紅燈亮、蜂鳴器報警。

失穩(wěn)檢測傳感器自動測試系統(tǒng)機(jī)柜上方用于放置傳感器旋轉(zhuǎn)測試工裝，高度設(shè)計符合操作人員舒適位置，操作面最高處裝有安全警示燈，用于顯示測試進(jìn)程。水平面裝有水平儀，用于確認(rèn)測試系統(tǒng)處于水平狀態(tài)，保證測試結(jié)果的可靠性。

設(shè)計的失穩(wěn)檢測傳感器自動測試系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

一體化：可進(jìn)行橫向加速度測試、垂向加速度測試、縱向加速度測試;

多通道：可滿足5個同一類型傳感器同時進(jìn)行相關(guān)測試;

全自動：配備一體化測試軟件，具有一鍵測試功能，可對生成的測試報表打印;

全監(jiān)控：測試過程全程監(jiān)控，設(shè)備自身狀態(tài)實時監(jiān)測，超出范圍聲光報警;

高可靠：人員安全監(jiān)測，設(shè)備漏電自動保護(hù)。

一體化是指多個原來相互獨(dú)立的主權(quán)實體通過某種方式逐步在同一體系下彼此包容，相互合作[3]。機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用到了社會各大生產(chǎn)領(lǐng)域當(dāng)中，并且在智能化制造中有著重要的作用。機(jī)電一體化技術(shù)具有自動化、信息化、科技化等特點(diǎn)。它是為了順應(yīng)時代科技發(fā)展將傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榧s化生產(chǎn)模式[4]。失穩(wěn)檢測傳感器自動測試系統(tǒng)機(jī)柜中，可以集成工控機(jī)、顯示器、旋轉(zhuǎn)工裝、夾緊工裝、信號采集等設(shè)備，并且通過設(shè)定的操作相互協(xié)作，完成既定的工作目標(biāo)。

傳統(tǒng)的手工測試成本高，效率低，很難對現(xiàn)在快速發(fā)展的軟件行業(yè)形成強(qiáng)有力的質(zhì)量保障體系，自動化測試技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[5]。正確的對軟件自動化測試進(jìn)行設(shè)計，能夠增加測試效率。

本文主要針對以上內(nèi)容進(jìn)行研究，實現(xiàn)減少人工工作量、增加測試效率的目標(biāo)。

2 設(shè)計方法

測試系統(tǒng)與待測傳感器通過電纜連接在一起，給試驗臺上電，打開上位機(jī)軟件，各個設(shè)備通信連接正常之后將待測傳感器用掃描器掃描二維碼，然后依次放入夾緊工裝里面，操作上位機(jī)界面對測試流程、測試參數(shù)和判據(jù)進(jìn)行設(shè)置，確認(rèn)之后開始測試，測試過程中，測試結(jié)果滿足判據(jù)則綠燈亮，否則紅燈亮。

失穩(wěn)檢測傳感器自動測試系統(tǒng)的實現(xiàn)，首先要設(shè)計一款可以放置待測傳感器的旋轉(zhuǎn)工裝，在具體的設(shè)計過程中要注意考慮到實際操作的安全性、可靠性等問題。要實現(xiàn)的通道數(shù)量的擴(kuò)充，可以將傳感器的放置進(jìn)行最大限度的預(yù)留，然后將其集中在工裝的一面來實現(xiàn)，在布線走線的過程中考慮到旋轉(zhuǎn)過程的干擾影響，盡可能與測試系統(tǒng)外部輪廓保持相當(dāng)?shù)木嚯x，保證測試人員的安全，以免影響測試精度。

旋轉(zhuǎn)工裝的控制由兩款步進(jìn)電機(jī)與配套的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器實現(xiàn)的，旋轉(zhuǎn)工裝分為X軸旋轉(zhuǎn)和Y軸旋轉(zhuǎn)，兩個軸相互配合達(dá)到待測傳感器需要的位置。

失穩(wěn)檢測傳感器自動測試系統(tǒng)與測試設(shè)備之間是通過串口進(jìn)行連接的，上位機(jī)軟件通過串口與電機(jī)控制模塊、信號采集模塊、附屬模塊進(jìn)行通信，根據(jù)設(shè)置的流程操作相應(yīng)的設(shè)備，并將結(jié)果記錄下來。

為了更加方便、清晰、準(zhǔn)確、實時的顯示測試系統(tǒng)當(dāng)前測試的狀態(tài)，可以在配套的自動化測試軟件界面上添加傳感器測試狀態(tài)實時顯示的區(qū)域，測試結(jié)果的顯示也可以通過顏色進(jìn)行區(qū)分，“合格”顯示為綠色，“不合格”顯示為紅色，這樣既可實時顯示當(dāng)前的測試狀態(tài)，又直觀的展示測試結(jié)果。

以其中一個待測傳感器為例，介紹傳感器各個狀態(tài)下加速度信號的采集方法：首先將待測傳感器的信息通過掃描器掃描上傳到測試系統(tǒng)軟件中并記錄;然后將待測傳感器放入旋轉(zhuǎn)工裝，傳感器對外接插件與測試系統(tǒng)對外接插件對插;之后通過算機(jī)自動化測試軟件啟動配置信息，控制旋轉(zhuǎn)工裝動作到指定位置，傳感器相應(yīng)接點(diǎn)輸出恒流信號，通過接插件連接到內(nèi)部精密電阻兩端，選用的RTU模塊對精密電阻兩端的電壓進(jìn)行采集，通過485接口上傳到自動化測試軟件中，然后再根據(jù)公式轉(zhuǎn)換成需要判斷的信號值，判斷測試結(jié)果并記錄。

失穩(wěn)檢測傳感器自動測試是帶機(jī)械動作的測試，所以要充分考慮到安全保護(hù)措施。安全保護(hù)裝置能在機(jī)械裝置運(yùn)動失控或發(fā)生意外事故時，保護(hù)機(jī)械裝置免遭損傷、毀壞造成事故及避免人員發(fā)生意外[6]。硬件上的保護(hù)措施有：可以在機(jī)柜上顯眼的位置上安裝有緊急停止開關(guān)，一旦發(fā)生緊急情況，按下開關(guān)，整個裝置斷電、在機(jī)柜總供電處加上漏電保護(hù)開關(guān)，一旦發(fā)生漏電現(xiàn)象，漏電保護(hù)開關(guān)工作，這些措施充分保障測試人員的安全問題。

整個測試系統(tǒng)集成在一個機(jī)柜中，可以用警示燈實時顯示當(dāng)前的測試狀態(tài)，測試過程或測試成功時綠燈亮，測試失敗時紅燈亮，且光源明顯，在自動測試的條件下，人員可以通過聲光報警對測試進(jìn)度實時掌控。

測試的結(jié)果可以保存生成報表，可以添加外圍配置，配置一臺打印機(jī)設(shè)備，可以隨時按照需求進(jìn)行文檔的打印工作?？紤]到待測物的數(shù)量、信息錄入的繁瑣，失穩(wěn)檢測傳感器自動測試裝置配有無線二維碼掃描槍，將鼠標(biāo)的光標(biāo)放置在相應(yīng)的位置上掃描待測物的信息，可以方便、快捷、準(zhǔn)確的實現(xiàn)信息的錄入工作。

軟件方面，失穩(wěn)檢測傳感器自動測試機(jī)柜配有一體化測試軟件，軟件使用C++語言實現(xiàn)，編程環(huán)境是Microsoft Visual Studio 2010，設(shè)計使用面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計方法，對軟件需求的功能模塊進(jìn)行抽象，提取出軟件公用模塊，由這些公用模塊組成絕緣耐壓測試設(shè)備上位機(jī)軟件，此框架類似一個軟件插槽，通過在框架上加入不同的功能模塊，實現(xiàn)各種功能：提供測試通道的測試配置、提供測試配置的記錄和讀取、提供單通道測試或全通道自動測試功能。測試軟件充分考慮到實際使用的習(xí)慣，提供兩種模式：自動模式和手動模式。自動模式下，如果測試不通過，測試裝置報警并將結(jié)果記錄，然后繼續(xù)進(jìn)行下一步的測試工作;手動模式下，如果測試不通過，則要手動選擇是否繼續(xù)進(jìn)行測試，上位機(jī)軟件界面如下圖1所示。

界面右側(cè)為測試結(jié)果信息顯示窗口，實時顯示測試結(jié)果。左側(cè)區(qū)域的最上方實時顯示當(dāng)前測試項，位于它下方的設(shè)備狀態(tài)用于顯示各個模塊的連接情況，以及是否正在測試。左側(cè)最下方的區(qū)域用于測試信息的配置，以及一鍵啟動測試按鈕，“啟動測試”和“終止測試”按鈕用于測試的開始和停止。整個測試流程可以實現(xiàn)全自動，按下開始按鈕即可進(jìn)行測試，中間過程不需要人工干預(yù)，提高了測試效率，降低人工干預(yù)。中間區(qū)域為項目的控制及顯示面板，最上方顯示待測傳感器的信息、傳感器實時采集信息、實時顯示各個待測傳感器各個狀態(tài)下的測試結(jié)果態(tài)以及最終的測試情況，測試通過顯示綠色字體的“合格”，不通過，則用紅色的“不通過”進(jìn)行顯示。

3 測試結(jié)果及分析

失穩(wěn)檢測傳感器自動測試裝置整體實現(xiàn)如下圖2所示，試驗臺頂部固定有雙層警示燈和旋轉(zhuǎn)測試工裝，分別用來顯示實時的測試狀態(tài)和操作待測傳感器的位置。機(jī)柜正面的右上角裝有緊急停止開關(guān)，當(dāng)發(fā)生緊急情況時，按下該急停開關(guān)給整個機(jī)柜斷電。機(jī)柜內(nèi)部從上到下分別是電機(jī)控制模塊、信號采集模塊、KVM、工控機(jī)和打印機(jī)。待測物從機(jī)柜后面的接插件插入，然后打開工控機(jī)，通過KVM操作上位機(jī)進(jìn)行測試，正常測試過程中雙層警示燈的綠燈亮，測試不通過時紅燈亮、蜂鳴器響。經(jīng)過實踐證明，最終實現(xiàn)的失穩(wěn)檢測傳感器自動測試機(jī)柜能滿足目標(biāo)需求，且測試效率高、測試結(jié)果可靠。

軟件有參數(shù)配置選項，軟件根據(jù)配置情況對待測傳感器進(jìn)行自動化的操作，并將測試結(jié)果在表格中顯示。

下圖3所示是可打印的失穩(wěn)檢測傳感器自動測試記錄表表格示意圖，圖中可以顯示產(chǎn)品或公司的LOGO、測試結(jié)果的記錄，表格內(nèi)容與格式均可根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。測試時長根據(jù)測試人所設(shè)置的測試時間而定，測試過程可控，不會出現(xiàn)差錯。

通過以上研究分析，采用本設(shè)計自動化測試系統(tǒng)與原有手工測試從功能以及效率進(jìn)行對比，對比表如下：

4 結(jié)論

本文針對目前失穩(wěn)檢測傳感器自動測試提出了一種自動化的測試方案，硬件設(shè)備搭配自動化軟件的方式，按照測試需求與步驟進(jìn)行了全面測試。具有全程監(jiān)控、危險報警、自動生成報表打印等功能。后續(xù)的使用中可以對測試人員進(jìn)行管理，管理員可以更改測試流程，測試人員只能測試。研發(fā)完成后集成在一個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中，本設(shè)計已經(jīng)成功應(yīng)用于標(biāo)動設(shè)備的失穩(wěn)檢測傳感器自動測試中。

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