远程集散式安规测试系统设计

季明红，胡 钢，马 胜，王护廷

(1.河海大学计算机与信息学院，常州 213022;2.江苏省输配电装备技术重点实验室，常州 213022;3.常州市扬子电子有限公司，常州 213022)

1 引言

为了保证仪器仪表和电子产品的使用安全，对该类产品的成品和半成品的电气安全性能测试(即安规测试)尤为重要。安规主要测试项目包括交直流耐压、绝缘电阻、泄漏电流、接地电阻等。

随着科学技术的不断发展，产品生产线的测试需求越来越高，包括高速完成产品的多项电气安全性能测试、管理测试数据和远程监控各生产线产品质量等，单一的安规测试仪已不能满足上述需求。为此提出了一种基于集散控制的远程安规综合测试系统，实现安规的综合测试和对分散在各生产线的综合测试集中操作和数据管理。

2 系统总体结构

远程集散式安规综合测试系统主要由管理中心、中控单元和测试仪器组三部分构成［1］。系统总体结构图如图1所示。

图1 远程集散式安规测试系统总体结构图

测试仪器组由耐压测试、绝缘测试、泄漏测试和接地测试仪器构成，每台测试仪器有唯一的地址，与中控单元通过串行口以RS485总线方式连接。中控单元接收管理中心指令后对测试仪器进行参数配置、启动、停止等操作，对多项电气安全性能测试一并完成。测试过程中自动切换测试项目，定时请求测试数据和测试状态，接收后对其进行处理、保存和显示。管理中心是整个远程集散安规测试系统的控制和数据管理中心，包括向中控单元发送测试项目的选择、测试参数及上下限报警值，发送指令给中控单元使其向测试仪器发出操作指令，对测试结果进行保存、统计、查询和打印，实现了远程监测各生产线产品的安全质量。考虑到工业现场通信环境比较恶劣，管理中心与各中控单元间亦采用RS485总线方式通信。

3 中控系统设计

3.1 硬件设计

中控单元硬件主要由单片机C8051F020、串口扩展电路、RS485串行接口电路、数据存储电路、继电器控制电路、液晶显示电路和声光报警电路等组成。中控系统组成如图2所示。

系统采用C8051F020单片机作为核心处理器，通过RS485串行接口与PC机和测试仪器组进行通信。PC机发送的测试参数和测试项目顺序与测试仪器组返回的测试数据保存在E2PROM中，即使断电也能够保存。通过I/0端口加驱动电路控制继电器从而控制测试状态(高压，合格，失败)变化时指示灯电路及泄漏测试前交流接触器的通断。声光报警模块则在测试不合格时发出现场报警。8寸智能液晶显示屏DMG80600S080_01W实时显示多项测试项目的测试数据与测试状态，它与单片机通过RS232 串口通信［2］。

图2 中控系统组成

中控系统通过串口与PC机、测试仪器组和智能液晶显示屏通信实现系统功能，但是C8051F020只有两个UART串口，无法满足系统需求，所以需扩展串口。系统利用扩展串口芯片GM8123将串行口UART1扩展为三个标准串口，电路图如图3所示。GM8123的母串口与C8051F020的TXD0和RXD0连接，SRADD1～0，STADD1～0与 C8051F020的P1.5～P1.2连接用作控制选择GM8123的发送或接收子串口。GM8123的子串口1、2分别用于连接液晶和设计RS485通信接口，子串口3备用。

图3 串口扩展

3.2 软件设计

中控系统的软件主要包括初始化、数据通信、数据处理、存储器读写、LCD液晶显示等部分。主程序流程图如图4所示。

中控单元开启后，首先进行初始化工作(包括端口配置，串口及GM8123的初始化)，接收PC机发送的数据后保存，并将测试参数(测试电压、测试时间等)发送给相应的测试仪器进行参数配置。再接收PC机指令启动第一台仪器工作，实时读取测试数据和测试状态后对其处理和显示，测试完成后将该项测试数据保存并自动切换到下一项目测试，直至所有指定测试的项目测试完毕。最后将该组测试数据同时上传至PC机。若测试过程中，测试数据大于上下限报警值(漏电流上下限、绝缘电阻上下限或接地电阻上下限等)则发出声光报警并向工作的测试仪器发出停止命令。测试过程结束，将测试数据和报警原因上传至PC机，以便历史查询，对产品质量问题进行分析。

图4 中控系统主程序流程

其中，3个串口间的协调通信是关键。串口UART1初始化时，设定通道标志位 path=1时置STADD1～0为‘01’，数据发送给液晶屏;path=2时置STADD1～0为‘10’，数据发送给RS485通信口。中控单元在上电初始化之后将一直处于帧听状态。接收到一帧信息后，首先判断是C8051F020哪个串口的数据，如果为 UART1的数据，根据地址SRADD1～0判断是GM8123哪个子串口发送的数据，如果PC机发送的数据，系统则响应其发送的命令;如果为UART0的测试数据，则将测试数据处理保存并置path=1，通过UART1上传至液晶屏显示。通信流程图如图5所示。

4 自定义通信协议

PC机与中控单元、中控单元与测试仪器组均采用主从通信方式。在通信过程中，主机主动向从机发送数据，从机被动向主机发送数据，但从机之间不直接进行数据通信。

图5 通信流程图

为了能够在网络上正确的通信数据，根据实际需要，系统自定义了如下通信协议:通信以“帧”为单位，分为命令帧和响应帧。命令帧由主机发送给从机，响应帧为从机接收命令后向主机发送的响应数据。

(1)PC机(主机)和中控单元(从机)

命令帧分两种命令:①起始码+地址码+长度+测试项目序号(0～3)+测试项目代码(01－耐压，02－绝缘，03－泄漏，04－接地)+测试参数+上下限参数+校验和+结束码。②起始码+地址码+控制命令码、请求数据+结束码。

响应帧应答数据为两种:①起始码+0x33/0x32+结束码，0x33表示发送成功，0x32表示发送失败，请求重发。②起始码+地址码+长度+测试项目代码1+测试数据1+…+测试项目代码n+测试数据n+校验和+结束码(n=1～4)。

测试项目序号+测试项目代码的组合实现了存储测试项目及其顺序，例如:"2+01"，中控接收后则附值 str［2］=01，数组最后一位 str［4］=3，表示一共测试3项，第三项是泄漏测试仪，测试参数和上下限参数保存在E2PROM中固定存储泄漏数据的部分。测试项目按递增序号发送，中控实时返回的测试数据一次性传送完成。

(2)中控单元(主机)和测试仪器组(从机)

命令帧分两种命令:①起始码+地址码+长度+测试参数+校验和+结束码。②起始码+地址码+启动停止、请求数据控制码+结束码。

响应帧应答数据为两种:①起始码 +0x96/0x97+结束码，0x96表示数据发送成功，0x97表示发送失败，请求重发。②起始码+地址码+状态码+长度+测试数据+校验和+结束码。

5 管理中心软件设计

管理中心软件采用Visual Studio.NET环境下C#语言设计。软件功能结构图如图6所示。软件主要由登陆管理模块、参数设置模块、数据通信模块、数据存储、历史数据查询、报表打印模块等组成。

图6 管理中心软件功能模块图

5.1 系统登录管理模块

安规测试具有一定的危险性，所以只有专业的操作用户才可以登陆系统对系统进行测试。操作用户按权限分管理员和普通员工两种，只有管理员有新增操作用户和查询统计的功能。新增操作用户时，同时设置其初始密码及权限。使用者登录时，系统根据用户名判断其权限，自动加载相应模块。

5.2 参数设置模块

参数设置模块主要完成测试序号、测试参数和上下限报警参数等的输入。其中参数的输入控件采用正则表达式，规定了数据格式(包括小数点位置及小数点前后的位数)和数据大小，大大减少了人为输入产生的失误。

5.3 多线程串口通信技术

数据通信模块通过.NET提供的Serial Port类实现串行数据通信，来向中间控制单元发送指令和接收数据。其中，从SerialPort对象接收数据时，系统采用了多线程技术［3－4］。

先定义串口接收中断

再声明一个委托delegate void sendOK(byte［］retdata);

接收函数关键代码如下，

5.4 水晶报表查询

系统采用ADO技术对SQL Server数据库进行访问。系统将测试数据保存在数据库中，采用水晶报表设计器生成报表，实现对测试结果的历史查询，打印和存储。操作用户可以在查询统计界面根据测试日期查询测试结果，对产品的质量进行统计分析。实现关键代码如下:

6 结 束 语

本文设计了一种集散式安规综合测试系统，给出了系统的总体结构和工作原理，详细介绍了硬件设计、软件设计和关键设计方法。该系统结构简单，通信可靠，人机界面操作方便，满足了生产线对电气安全性能参数的统一监测和管理。

［1］任伟，王艳.主从分布式网络监控系统的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2010，18(11):2539 －2541.

［2］Xu Ling，Chen Zhen，Zhang Shi－ lei.Research of Serial Communication System based on C8051F020 Singlechip［J］，Computer Application and System Modeling，2010(8):404－407.

［3］王军，卢益民，何燕.多线程技术在虚拟多串口通信中的应用［J］.计算机与数字工程，2005，33(09):1 －2，66.

［4］Yungang Jia，Guobing Huang，Jiwen Xue，et al.Automatic Realization of Serial Communication［J］.Electrical and Control Engine，2011:2910 －2912.

［5］张培仁，孙力.基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2007.