摘  要： 為了滿足多用戶同時進行空氣壓縮機性能實驗的要求,，設(shè)計了基于數(shù)據(jù)采集單元和計算機網(wǎng)絡(luò)的實驗測試系統(tǒng),。數(shù)據(jù)采集單元由16位微控制器MC9S12XET256和以太網(wǎng)控制器組成，測量空氣壓縮機的壓力和轉(zhuǎn)速,，接收來自網(wǎng)絡(luò)的命令并上傳數(shù)據(jù),。計算機網(wǎng)絡(luò)采用客戶機/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，客戶機通過服務(wù)器分時共享硬件資源,。服務(wù)器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和客戶機的采集命令,，接收和保存客戶機的實驗結(jié)果；客戶機負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理,，繪制示功圖并上傳實驗結(jié)果,。實際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以滿足多達(dá)253個用戶共同實驗,，實驗教學(xué)的質(zhì)量和時效性大為提高,。

　　關(guān)鍵詞： 空氣壓縮機；實驗測試系統(tǒng),；以太網(wǎng),；多線程通信

　　活塞式空氣壓縮機作為一種通用設(shè)備，廣泛用于工業(yè)和民用等領(lǐng)域,，其性能一般是通過實驗測量示功圖來評判,。示功圖是指壓縮機一個工作循環(huán)中活塞處于不同位置時，氣缸內(nèi)氣體壓力變化的曲線,。根據(jù)示功圖可以計算壓縮機的平均指示壓力,、指示功率、氣缸內(nèi)的實際壓比等,，進而確定最節(jié)能的設(shè)計工況點[1-2],。目前實驗室所用空氣壓縮機實驗臺由交流電機驅(qū)動的空氣壓縮機、計算機、打印機,、求積儀等組成,，實驗時，先根據(jù)采集軟件的提示測量環(huán)境大氣壓力,，然后啟動空氣壓縮機,，在計算機上操作軟件，采集壓力數(shù)據(jù),，打印示功圖,，用求積儀測定示功圖上不同部分的面積，在圖上量出對應(yīng)線段的長度,，計算各性能參數(shù),。實驗過程耗時長、過程繁瑣,、效率低,，且不能保證每個實驗參與者獨立自主完成實驗。

　　利用以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò),，配合基于網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和C/S模式運行的后臺(服務(wù)端和客戶端)管理軟件,，用戶可以快速靈活地控制和訪問采集設(shè)備[3-4]。為此,，通過對空氣壓縮機試驗臺進行升級改造,，設(shè)計了基于以太網(wǎng)的實驗測試系統(tǒng)，使得一套實驗設(shè)備可以與多臺計算機聯(lián)網(wǎng),，允許多個用戶同時獨立進行實驗,，只需在客戶機上操作客戶端軟件，即可進行實驗數(shù)據(jù)的分析和計算,，從而提高實驗教學(xué)效果。

　　1 實驗測試系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　實驗測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元和運行后臺管理軟件的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成,，如圖1所示,。數(shù)據(jù)采集單元通過單片機的輸入捕捉模塊測量空氣壓縮機的旋轉(zhuǎn)周期并計算轉(zhuǎn)速，利用周期中斷定時器定時觸發(fā)氣缸壓力信號采樣,，按照采樣周期計算采樣的轉(zhuǎn)角間隔,，并將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)桨惭b服務(wù)端軟件的計算機（服務(wù)器）上。服務(wù)器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)采集命令,、采集數(shù)據(jù)和接收客戶機上傳的實驗結(jié)果,。客戶機作為人機交互設(shè)備,，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集命令的發(fā)布,、數(shù)據(jù)的處理和分析、繪制示功圖以及上傳實驗結(jié)果。

　　2 數(shù)據(jù)采集單元硬件設(shè)計

　　2.1 主控制器模塊

　　數(shù)據(jù)采集單元的核心采用Freesacle的MC9S12XET256單片機,，該芯片集成有12位分辨率的高速A/D轉(zhuǎn)換模塊,、增強型定時器（ECT）模塊和大容量的RAM。采用片上A/D模塊和ECT的輸入捕捉模塊可使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)緊湊,，提高可靠性,。以太網(wǎng)通信采用RTL8019AS以太網(wǎng)控制器，全雙工峰值通信速率可達(dá)10 Mbit/s,。

　　2.2 壓力信號測量電路

　　壓縮機氣缸壓力測量電路如圖2所示,。來自壓力變送器的信號通過一階低通濾波器進行濾波，并經(jīng)過一個電壓跟隨器和限幅電路后,，由單片機的A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,。電壓跟隨器用于緩沖、隔離,，提高帶載能力和阻抗匹配,。限幅電路的作用是將信號的幅值限制在0～5 V，保護A/D轉(zhuǎn)換模塊,。

　　2.3 壓縮機轉(zhuǎn)速測量電路

　　壓縮機的飛輪邊緣上安裝有一個磁鋼,，磁電轉(zhuǎn)速傳感器固定在壓縮機的機身上，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)速脈沖,。傳感器的輸出信號通過整形電路變換成0～5 V方波,，由單片機的輸入捕捉模塊測量轉(zhuǎn)速。信號調(diào)理電路如圖3所示,。

　　3 數(shù)據(jù)采集單元軟件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集采用定時方式,，根據(jù)壓縮機的最高轉(zhuǎn)速和角度分辨率（0.25° CA）要求，確定采樣周期為30 μs,。利用單片機內(nèi)的周期中斷定時器使其每隔30 μs產(chǎn)生一次中斷,，在定時器中斷服務(wù)程序中觸發(fā)一次A/D轉(zhuǎn)換，相鄰兩個采樣點對應(yīng)的角度α為：

　　α=6·n·T(1)

　　其中,，n為轉(zhuǎn)速（r/min）,，T為采樣周期（s）。

　　數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示,。當(dāng)數(shù)據(jù)采集單元收到來自服務(wù)器的采集命令時,，使能單片機的輸入捕捉模塊，并將記錄轉(zhuǎn)速脈沖的變量n賦值為0,。當(dāng)捕捉到壓縮機轉(zhuǎn)速脈沖信號后,，將變量n賦值為1，同時記錄該脈沖的時刻,，并使能定時器,，定時器周期性觸發(fā)A/D采集,。當(dāng)輸入捕捉模塊捕捉到下一個轉(zhuǎn)速脈沖信號，表明壓縮機曲軸已經(jīng)轉(zhuǎn)過一圈,，一個循環(huán)的數(shù)據(jù)采集已經(jīng)完成,，于是，結(jié)束采集任務(wù)并記錄第二個轉(zhuǎn)速脈沖發(fā)生的時刻,，把測量數(shù)據(jù)臨時保存在單片機的RAM中,，并觸發(fā)數(shù)據(jù)傳送任務(wù)，將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器,。

　　4 后臺管理軟件

　　后臺管理軟件是一個基于UDP協(xié)議,，以C/S模式運行的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，分為服務(wù)端軟件和客戶端軟件,，采用面向?qū)ο罂梢暬木幊汰h(huán)境Visual Basic.NET 2010開發(fā),。

　　4.1 服務(wù)端軟件

　　服務(wù)端軟件啟動后，將調(diào)用My.Settings訪問用戶和應(yīng)用程序級設(shè)置[5],，初始化配置參數(shù),。當(dāng)用戶啟動通信后，服務(wù)端軟件將創(chuàng)建6個Socket的UDP對象,，其中3個UDP對象用于發(fā)送命令和數(shù)據(jù),；另外3個UDP對象用于創(chuàng)建監(jiān)聽不同端口的線程，分別監(jiān)聽8000,、8001,、8002端口，分別對應(yīng)前臺數(shù)據(jù)接收端口,、客戶機采集命令接收端口和客戶機實驗結(jié)果接收端口,。建立UDP對象和線程，服務(wù)器將等待客戶端發(fā)送采集命令,。當(dāng)UDP的監(jiān)聽線程監(jiān)聽的端口出現(xiàn)數(shù)據(jù)時,，UDP線程通過自定義類的事件代理，觸發(fā)接收數(shù)據(jù)和協(xié)議解析事件[6],。當(dāng)服務(wù)端發(fā)送命令和數(shù)據(jù)時,，會把目的IP地址和數(shù)據(jù)寫入到其中一個UDP對象中，并創(chuàng)建一個臨時線程,，把數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的IP地址上。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后撤銷臨時線程,，釋放硬件資源,。

　　當(dāng)服務(wù)器的8001端口出現(xiàn)數(shù)據(jù)，服務(wù)端將記錄客戶機發(fā)送數(shù)據(jù)的源IP地址,，并把收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)采集單元中,，啟動數(shù)據(jù)采集,。當(dāng)服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，立即把數(shù)據(jù)組包轉(zhuǎn)發(fā)到提出請求的IP地址客戶機上,，從而減少數(shù)據(jù)采集單元的通信負(fù)擔(dān),。數(shù)據(jù)采集單元只響應(yīng)服務(wù)器的命令請求和發(fā)送數(shù)據(jù)，所有命令和數(shù)據(jù)均由服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā),。

　　如圖5所示,，當(dāng)服務(wù)器收到多個客戶機發(fā)出數(shù)據(jù)采集請求時，服務(wù)端把多臺客戶機的IP地址和請求命令保存到地址數(shù)組中,，并使請求地址指針Pt1指向最新寫入的地址,，檢查采集標(biāo)志CFlag是否為0，若為0,，則啟動地址比較定時器ADT1,。ADT1事件中將比較請求地址指針Pt1和應(yīng)答地址指針Pt2是否一致，當(dāng)Pt2<Pt1時,，說明服務(wù)端有未應(yīng)答的請求,，將提取Pt2指向的IP地址和采集命令，然后將Pt2指向下一個地址,，關(guān)閉定時器ADT1并把CFlag置為1,，把采集命令發(fā)送到采集單元，等待接收數(shù)據(jù),。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)接收并組包完成后,，把數(shù)據(jù)發(fā)送到提取的IP地址的客戶機，并打開定時器ADT1,，從而完成一個客戶機的請求響應(yīng),。服務(wù)端將繼續(xù)等待一個定時器ADT1事件，當(dāng)Pt2=Pt1時,，軟件把CFlag置為0,，關(guān)閉定時器ADT1。

　　服務(wù)器的8002端口收到數(shù)據(jù)時,，說明有客戶機在上傳實驗結(jié)果,，服務(wù)端收到數(shù)據(jù)協(xié)議包后，提取用戶信息,、實驗報告和分包個數(shù),，然后等待接收分包的數(shù)據(jù)，直到接收的分包數(shù)據(jù)個數(shù)與數(shù)據(jù)協(xié)議包中的個數(shù)相等時,，再根據(jù)數(shù)據(jù)包的編號進行組包處理,，還原示功圖數(shù)據(jù)并保存至服務(wù)器。

　　4.2 客戶端軟件

　　客戶端軟件安裝在客戶機上,，是壓縮機性能實驗人機交互的關(guān)鍵部分,?？蛻舳税l(fā)送采集命令后，將會收到服務(wù)端返回的數(shù)據(jù),，客戶端軟件負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進行處理和繪制示功圖,，提交實驗結(jié)果[7]。

　　4.2.1 數(shù)字濾波處理

　　數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)可能包含一些干擾,，為此采用滑動平均數(shù)字濾波對數(shù)據(jù)處理,，如式（2）所示。該算法較為簡單,，對于抑制隨機噪聲并保留陡峭邊沿非常有效,。

　　其中，Pi和Vi分別是第i個采樣點對應(yīng)的氣缸壓力和工作容積,。

　　客戶端軟件對壓力數(shù)據(jù)濾波和計算處理后,，繪制的P-α和P-V示功圖如圖6所示。

　　4.2.3 實驗結(jié)果的生成和上傳

　　客戶端完成數(shù)據(jù)采集后,，用戶根據(jù)軟件繪出的示功圖分析容積效率和多變指數(shù)因數(shù),。客戶端軟件隨后自動生成一個數(shù)據(jù)協(xié)議包和若干個分包數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)協(xié)議包包含用戶信息,、實驗報告內(nèi)容和示功圖數(shù)據(jù)分包的個數(shù)。每個分包數(shù)據(jù)包大小為30 KB,，根據(jù)示功圖截圖的數(shù)據(jù)生成,，其編號用于服務(wù)端組包?？蛻舳税l(fā)送數(shù)據(jù)時,，先發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)議包，再發(fā)送分包數(shù)據(jù),。服務(wù)端軟件收到數(shù)據(jù)協(xié)議包和分包數(shù)據(jù)后,，進行組包處理。

　　通過對空氣壓縮機試驗臺進行升級改造,，利用MC9S12XET256單片機設(shè)計了數(shù)據(jù)采集單元,，采用Visual Basic.NET開發(fā)了基于以太網(wǎng)的后臺（服務(wù)端和客戶端）管理軟件。該管理軟件具有以下優(yōu)點：

　?。?）利用MC9S12XET256的輸入捕捉模塊測量轉(zhuǎn)速,，采用單片機內(nèi)置的周期中斷定時器和A/D模塊采集壓力數(shù)據(jù)，采樣轉(zhuǎn)角間隔可達(dá)0.25° CA,。

　?。?）利用多線程和UDP協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,、實驗結(jié)果的發(fā)送和接收,。客戶端利用滑動平均濾波對采集數(shù)據(jù)進行處理,，繪出P-α和P-V示功圖,。

　　（3）大批量,、多人次的使用表明,，該系統(tǒng)完全滿足多達(dá)253個用戶同時實驗，操作方便,，提高了實驗效率,；實驗結(jié)果保存在服務(wù)器中，便于管理,；每個用戶獨立完成實驗,，提高了實驗教學(xué)效果。

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