某火炮电机调速系统监测软件设计与实现

任海波，郭 敏，焦灵侠，周 杨,杨 燕

(1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099;2.榆林学院，陕西 榆林 719000;3.西安工业大学，陕西 西安 710021)

在火炮伺服系统中，电机调速系统的各项性能直接影响到火炮系统的作战性能，为达到指标要求，在电机调速系统调试的过程中，需要对其多项高速变化的参数进行实时监测，因此对监测软件的实时性和稳定性要求较高。目前多采用将数据以文件的形式记录下来，利用MATLAB进行绘图，再进行比较分析。存在操作繁琐、实时性差和调试效率低等缺点。

作为主流的可视化开发环境VC++6.0具有界面友好，功能强大，开发灵活等优点，文献[1]中采用的CDC类开发绘图模块，存在开发周期长和难度高的缺点，而美国NI (National Instuments)公司为VC++6.0开发、提供了一个集成式套件，即Measurement Studio 6.0，包括了各种常用测量和自动化控件、工具和类库[2]，可以补偿VC开发图形控件时存在的缺陷。

笔者提出采用VC++6.0和Measurement Studio 6.0联合开发的某火炮电机调速系统监测软件，其具备对系统参数实时数据采集、实时显示、数据保存和数据回放等功能。

1 软件总体设计

系统连接示意图如图1所示，某火炮电机调速系统监测软件运行在PC机上，调试系统通过USBCANⅡ连接，某火炮电机调速系统和PC机按照约定的通信协议将需要监测的数字量，以曲线、数字或指示灯等方式显示在人机交互界面上。

PC机和某火炮电机调速系统之间的通信方式为主从问答方式。PC机向某火炮电机调速系统发送命令帧，某火炮电机调速系统接收到命令帧后向PC机发送响应帧，发送频率为1 ms一帧，从而实现数据交换。

1.1 软件架构

某火炮电机调速系统监测软件主要由数据收发模块、数据处理模块和数据显示3个模块组成，如图2所示。数据接收模块作为通信接口主要负责数据的实时接收，数据处理模块负责根据通信协议对数据进行解析，以FIFO的模式进行存取，并将数据以文件的形式记录下来。数据显示模块主要负责为用户提供一个良好的人机交互界面，在图形显示区域连续动态地显示波形。

1.2 开发环境

某火炮电机调速系统监测软件在Windows XP操作系统下，采用VC++6.0和Measurement Studio 6.0混合编程的模式开发。VC++6.0为用户提供类库和控件快速完成人机交互界面设计。Measurement Studio 6.0作为专业的虚拟仪器控件以ActiveX的形式嵌入到VC++6.0环境中，在CWGraph控件的“属性”中可以快速地设计出调试软件需要显示的各波形的各项属性，降低了软件开发难度，缩短了开发周期。

2 监测软件的设计与实现

监测软件为用户提供了良好的人机交互界面，主要功能有数据采集、数据解析、波形显示、x轴和y轴动态缩放、数据保存和历史数据回放等功能。

2.1 通信协议

CAN总线采用CAN 2.0协议规范，波特率为500 Kbit/s,标准信息帧格式；CAN总线网络采用树形拓扑结构，由驱动器和上位机两个通信节点构成。

驱动器向上位机发送工作状态信息，帧ID: 0x102,共8个字节。帧格式如图3所示。 Data 0表示帧序列编码:以0～255循环；Data 1表示A相电流，Data 2表示B相电流，Data 3表示q轴电流，所有电流的数据类型为有符号整数，用0～255表示-128～127 A；Data 4和Data 5高四位表示位置主令，Data 6和Data 7高四位表示位置反馈，所有位置的数据类型为无符号整数，用0～4 095表示0～4 095密位；本文不涉及上位机发送到驱动器的控制命令。

2.2 监测软件简要介绍

监测软件的主界面分为波形显示区、波形控制区和命令控制区，如图4所示。

2.2.1 波形显示区

在火炮伺服系统中，用高低和方位两个方向分别控制，因此将波形显示区分为高低和方位两个区。每个区可同时显示5条曲线，分别为位置主令、位置反馈、A相电流、B相电流和q轴电流，每条曲线共用时间轴，位置主令和位置反馈共用一个y轴，A相电流、B相电流和q轴电流共用一个y轴，出于简化软件考虑，只设置一个y轴，将各项电流值扩大10倍后再显示，每10 密位的刻度对应1 A的电流。

用户通过在曲线显示区域双击鼠标左键，全屏显示该曲线显示区域，也可通过按住鼠标左键拖动来移动显示曲线，通过拨动鼠标滚轮缩放显示曲线。

2.2.2 波形控制区

用户可以通过设置x轴和y轴的范围对曲线进行缩放和拖移，也可用鼠标进行拖移或缩放操作。

2.2.3 命令控制区

用户在此设置驱动器的执行命令，并通过相应的按钮实现向驱动器发送命令、暂停、重启、保存数据和历史数据回放等操作。

2.3 关键技术

在监测软件设计过程中，高速实时数据采集、数据处理和显示的同时进行是软件设计的难点，为了满足数据采集、处理和显示的实时性、可靠性、完整性的要求，笔者采用将数据的采集和处理与数据显示分开处理，实现软件实时性；利用数据缓冲技术将数据接收线程的数据暂存，避免丢数，实现数据的完整性；由于NI控件不是线程安全，在线程中刷新数据，会出现不可预知的异常[3]，因此，利用MFC的消息机制[4]，通过发送消息的模式，通知绘图控件刷新界面数据。

1)采用数据接收线程读取CAN总线上的数据，由于数据采集率为1 kHz，按照经验，Windows XP操作系统允许用户最多20 ms进入一次线程，且CAN本身自带数据缓冲功能，数据接收线程每次处理完数据后休眠20 ms，再进行数据接收，当数据接收线程进入休眠时，并达到了重绘点数，即可进行波形重绘，这样既不会丢失数据，又可分出CPU资源进行数据处理，从而实现数据实时接收与波形实时绘制同时进行。

2) 由于数据采集率为1 kHz,而波形的重绘频率较低，一般不会超过60 Hz，因此，采用数据缓冲技术，即环形缓冲区[5]，将采集到的数据放入环形缓冲区，当检测到环形缓冲区的数据达到重绘点数(128个)时，便向主界面发送重绘波形的消息，对波形进行刷新。

3) 由于NI控件不是线程安全的，用户不能在线程中刷新绘图控件，因此监测软件自定义了刷新消息，通过发送消息的方式，驱动绘图控件刷新。

2．4 监测软件关键功能的详细设计

2.4.1 数据接收模块

首先，在监测软件初始化程序中完成以下操作：创建并启动数据接收线程；加载周立功USBCANⅡ驱动程序；设置和启动CAN。

然后，在数据接收线程中采集循环，循环读取CAN数据，根据通信协议解析后，将数据依次存放至环形缓冲区中。

在软件退出时，关闭CAN和退出数据接收线程。

2.4.2 数据处理模块

数据处理模块包括数据解析、数据缓存和数据保存3个模块，数据处理流程如下:

依据通信协议规定，位置主令值的解析方法为:

Pvalue=(float)(X+(Y& 0x0f)*256)

(1)

式中：Pvalue表示实际的位置值;X和Y分别为驱动器向上位机发送的数据第4字节和第5字节，位置反馈值的解析方法同理。

A相电流值的表示范围压缩到-128～127，解析方法为

Ivalue=(float)(Z-128)

(2)

式中：Ivalue表示实际的A相电流值;Z表示驱动器向上位机发送的数据第1字节，B相电流值和q轴电流值的解析方法同理。

在监测软件初始化程序中，完成建立环形缓冲区对象，并设置环形缓冲区的深度为4 K字节，在数据接收线程中，将解析后的数据依次写入环形缓冲区，在得到更新波形数据的消息时，在消息处理函数中，读缓冲区数据。当环形缓冲区满时，将“最早”的数据丢弃，将“最新”的数据写入缓冲区。

当数据需要保存时，执行数据保存操作时，先新建*.txt类型的文本，文本名按“data”+当前时间的规则命名，将接收到的数据以字符串形式保存在文本中。

数据处理流程图如图5所示。

2.4.3 数据显示模块

数据显示模块主要包括波形显示单元和波形操控单元。

2.4.3.1 波形显式单元

波形显示单元有两种状态，即工作状态和回放状态，在不同的状态下，数据源、数据处理和显示方式不同。当其处于工作状态时，数据显示流程如图6所示。

数据来自CAN总线，为了使波形显示流畅完整，需要降低波形的刷新频率，以波形的重绘频率刷新曲线，图形控件的绘图数组长度设置为1 024字节，绘图数组的大小决定了一屏能显示波形的最长时间，如果用户需要显示更长时间的波形，必须增大绘图数组。每当缓冲区的数据量达到128个时，将绘图数组第0～127序列的数据删除，再将128～1 023序列的数依次前移128位，再将最新的128个数放入数组的最后，如图7所示[6]。因此，当前图形控件的数据是实时显示的，能观察到的波形数据只有最新的1 024组数据。

当其处于回放状态时，数据来源于文本文件，当用户按下“打开数据”的按钮时，按照命名规则找到用户要回放的数据文件，因为每个文件存储的数据量不等，因此，根据具体文件的数据量重新设置图形控件的绘图数组容量，再将所有数据解析后，依次放入绘图数组中，绘制波形。用户可根据实际需求对波形进行缩放和拖移操作，在图形控件上双击后即可全屏显示。

2.4.3.2 波形操控单元

波形操控单元主要是通过对其x轴和y轴范围的设置来实现波形的全屏显示、波形拖移和波形缩放。

在波形显示之前，软件会一直记录波形x轴和y轴向的最大和最小值，只要在鼠标双击事件中将x轴和y轴的范围设置成波形的范围，即可实现双击后波形全屏显示。

拖移与缩放是在鼠标左键按下事件中记录起始点的坐标，然后在左键弹起的事件中记录终点坐标，波形缩放是将两个坐标形成的矩形区域范围设置新的x轴和y轴的范围，而波形拖放是分别记录两个坐标在x轴和y轴方向的相对位移量，然后x轴和y轴分别在各自的方向上平移位移量。

以上主要是通过鼠标操作波形，也可通过波形控制区设置x轴和y轴的范围进行波形操作。

3 软件测试

测试网络拓扑结构参见图1，将一个某火炮电机调速系统连接在CANⅡ上，某火炮电机调速系统监测软件运行在PC机上，为了测试该软件，设定驱动器以1 kHz的频率向上位机发送正弦波，发送的正弦波频率有50、40、30、20、10和1 Hz等选项。软件运行效果如图8所示，图中，在GD Curve中绿色、蓝色、红色曲线分别为50、40和30 Hz正弦曲线，在FW Curve中绿色、蓝色、红色曲线分别为20、10和1 Hz正弦曲线，曲线平滑，无变形，波形的全屏、拖移与缩放功能正常。试验表明，某火炮电机调速系统监测软件波形显示正常而稳定，软件设计达到预期的使用要求。

4 结束语

笔者设计的基于VC++6.0和NI控件联合开发的实时监测软件，用于某火炮电机调速系统的性能测试，并对监测软件的关键技术和关键功能做了详细说明。该软件具有界面美观、实时性能好、开

发成本低等特点，具有较强的实用价值和参考价值。但在扩展性、可移植性和通用性方面依然存在不足。

References)

[1]孟玉静,叶桦,周玲,等.基于CANBUS的高速采样虚拟示波器软件的设计与实现[J]. 工业仪表与自动化装置, 2012(6):26-31． MENG Yujing,YE Hua,ZHOU Ling,et al.The design and implementation of high-speed sampling virtual oscilloscope software[J].Industrial Instrumentation & Automation, 2012(6):26-31．(in Chinese)

[2]李同立.基于VC++的虚拟示波器软件设计[J].软件导刊,2013,12(11):56-59． LI Tongli. Design of virtual oscilloscope software based on VC++[J].Software Guide, 2013,12(11):56-59．(in Chinese)

[3]熊启龙.基于Indy 控件的遥测中心GPRS数据接收软件应用[J].水利信息化,2012(5):49-52． XIONG Qilong.Application of GPRS data receiving software in telemetry center based on controls of Indy[J].Water Resources Informatization,2012(5):49-52．(in Chinese)

[4]赵钦,黄玲.基于Windows 消息机制的自动检测系统设计[J].广西科学院学报,2010,26(4):497-499． ZHAO Qin,HUANG Ling.Design of automatic test system based on Windows messages[J].Journal of Guangxi Aca-demy of Sciences,2010,26(4):497-499．(in Chinese)

[5]姚章俊,陈蜀宇,卢尧.一种高性能环形缓冲区的研究与实现[J].计算机工程,2012,38(8):228-231． YAO Zhangjun,CHEN Shuyu,LU Yao.Research and implementation of high-performance ring buffer[J].Computer Engineering, 2012,38(8):228-231．(in Chinese)

[6]孟玉静,叶桦,仰燕兰.双机时钟不同步情况下虚拟示波器波形显示方法的改进[J].工业控制计算机,2012,15(21):11-13． MENG Yujing,YE Hua,YANG Yanlan.Improvement in virtual oscilloscope waveform display on condition of clock asynchronization of dual converters[J].Industrial Control Computer, 2012,15(21):11-13．(in Chinese)