基于C#電機測試系統的設計

胡宗華 代嚴滿 竇洋洋

摘 要：計算機測試系統是計算機技術和測控技術、電子技術、測試儀器技術深層次結合的產物，文章采用基于PCI總線的技術開發出基于C#的電機測試系統，給出了測試系統的基本配置，開發環境是Microsoft Visual Studio 2010，并結合NI公司的Measurement Studio 2015軟件，開發出一套能完成電機各項功能測試的綜合測試系統，人機界面友好，操作簡單。

關鍵詞：測試系統；C#；功能測試

電機是能量轉換裝置的最好體現，它廣泛用于工農業領域、交通運輸領域、國防科技領域等，因此電機的性能研究頗受青睞，人們對電機性能測試有了更高的要求。電機測試技術主要研究的是電機的各種參數特性及原理和方法，利用虛擬儀器、儀表和相應的設備，按照相關規定，對電機制造過程中的電氣性能、力學性能、安全性能以及可靠性進行檢驗。這些實驗數據可以知道電機的設計是否符合要求以及改進的目標和方向。

1 電機測試系統的硬件設計

1.1 硬件系統組成

基于C#的電機測試系統是以PC機為主測量平臺，利用虛擬儀器模擬實際儀器的操作界面，通過人機交互來完成對電機各種參數的采集、調理、分析、結果顯示和輸出的功能。從虛擬儀器外部硬件結構出發，它是由硬件結構和軟件結構兩大部分組成，儀器的硬件結構是就計算機測試系統的外圍電路。圖1為典型的虛擬儀器系統基本框圖。

1.2 數據采集

信息飛速發展的社會，信息與信號處理技術在很大程度上決定了信息技術的先進性。本系統采用北京阿爾泰公司旗下的PCI18622板卡，開發出基于PCI總線的C#電機測試系統，來完成電機性能參數的采集和分析。PCI18622是一款基于PCI總線的數據采集卡，可直接插在IBM-PC 或與之兼容的計算機內的任一主機插槽中，形成實驗室、產品質量檢測中心等各種領域的數據采集、波形分析以及數據處理。也可搭建成工業生產過程監控系統。

AD模擬量輸入功能：（1）轉換器類型：AD7663。（2）輸入量程（InputRange）：±10V，±5V，±2.5V，0～10V，0～5V。（3）采樣速率（Frequency）：1Hz～250KHz。（4）模擬輸入通道總數：32路單端，16路雙端。

說明：各通道實際采樣速率=采樣速率/采樣通道數。

分頻公式：采樣頻率=主頻/分頻數，其中主頻=40MHz，32位分頻，分頻數的取值范圍：最低為160，最高為40000000。

模擬信號的輸入分單、雙端輸入2種方式。信號單端輸入方式是指在使用正負兩個通路實現某個信號輸入的情況，信號由單一通道輸入這種方式叫差分輸入方式。這種方式主要應用于干擾較大，通道數量相對較少的環境。PCI8622數據采集板卡可按照下圖連接方式，構成模擬電壓雙端輸入的方式，同時能夠抑制共模信號帶來的干擾情況，提高數據采集的精度。16路模擬信號的輸入端一端接到AI0～AI15端，另外一端接到AI16～AI31端的負端，現場設備與PCI8622板卡共用一個模擬地端口AGND如圖2所示。

數據采集的方式采用的是分組采集，它的功能是AD在采樣過程中，每采樣組的各通道以內的時鐘采樣頻率相互之間進行數據轉換，采樣組兩組之間有一個較長的等待時間，這段時間被稱為采樣組間間隔。各種數據采集系統其數據采集過程大致相同，一般包括以下2步：（1）使用傳感器采集各種物理信號，通過AD轉換把模擬信號轉換成數字信號。（2）通過A/D轉換完成之后，電腦可以識別出來具體的數字信號，便于對采集到的數據進行分析處理。

各采集組的內采集通道在進行AD轉換完成后，該系統會等待一段時間，再接著下一組的數據采集與轉換，依次重復下去并分組采集。

1.3 物理ID設置

物理ID號的設置，如果主機電腦中安裝了多塊數據采集板卡時，并且是相同型號的，如PCI18622板卡，此時系統可以對每一塊板卡的物理ID號進行相應的開關設置，這就使得用戶在編程和調試情況下，不僅訪問方便，速度也大大提高。每塊數據采集板卡均以4位二進數字來表示，開關撥向“ON”時，它的意思是“1”，撥向“ON”的另一側，表示“0”。圖3表示的是：位置為“ID3”是高位，“ID0”是低位，圖3中黑色的模塊表示開關的所處位置。

通過PCI18622數據采集板卡的引腳定義，將數據采集的模擬輸入與STM32下位機的輸出相連，即可完成數據采集。

2 電機測試系統的軟件設計

2.1 下位機控制軟件設計

下位機是基于STM32最小系統板搭建的控制系統，該控制系統一方面實時采集電機各種參數數據，另一方面負責控制電機的實時運行狀態，還要對各種采集到的信息進行輸出處理，如電機的轉速、轉矩、電流、電壓等參數。

下位機控制軟件的開發平臺是Keil uVision4，對STM32系統的I/O口配置以及傳感器的輸入輸出，均采用模塊化設計思想，主要功能包括幾個方面：數據采集模塊、信號轉換與放大電路模塊、邏輯處理模塊、傳感器軟件驅動模塊、PCI總線通信模塊。

（1）數據采集模塊：被測電機的參數是測試系統主要的數據來源，也是對電機以后的改進方向有著很重要指導作用。如電機的轉速，電機的電流，電機的電壓，電機的轉矩，點擊的功率因素等。這些模擬信號是一方面，另一方面整個測試系統的數字信號對電機的控制也是很重要的，如電機的運行、制動、暫停，還包括調節電機的轉速，電壓、電流、功率因素等等。對這些模擬信號和數字信號要進行一個防干擾處理，以免一些錯誤信息或者是干擾信息擾亂測試系統的正常運行。

（2）信號轉換與放大電路模塊：電機測試系統中，有些模擬信號是非常微弱的，如電流甚至達到幾微毫安，這樣的信號在有些精度不高的采集板卡中，幾乎是測不出來的，也就是達不到預期的控制效果，實時性也難以達到，而且，這個信號太微弱，對上位機的控制也是不利的，有時系統可能自動忽略太微弱的信號，就做不到控制，運行中出現故障。

（3）傳感器硬件驅動模塊：這模塊主要是針對一些傳感器設定的，眾所周知，傳感器在接入上位機之后，是需要裝驅動的，否則上位機無法識別這些設備，只有正確地安裝了驅動之后，才能達到上位機控制這些設備的目的，或者是軟件編程過程中對這些外設的控制，包括它的輸入、輸出、接口等。

2.2 上位機軟件設計

本測試系統操作系統采用Windows 7，其性能穩定可靠，為測試系統提供可靠的運行平臺.開發平臺選用Microsoft Visual Studio 2010，結合Measurement Studio，快速搭建上位機圖形界面和連接硬件，并與各種儀器開展通信和快速采集數據.在Windows 7系統上創建出高性能、穩定好的應用程序，為建立電機測試系統、提供了極大的便利。PC機上位機系統軟件按功能劃分由系統登陸界面、用戶注冊、系統設置、輸出控制。上位機系統軟件結構如圖4所示。

系統測試是測試軟件系統和其他的系統元素及硬件、數據庫和人機交互信息組合構成完整的計算機應用系統中所有的元素配合是否合適以及整個系統的功能、性能、執行強度、安全性等是否達到規定標準，它的測試數據通常是系統測試的測試數據的子集。不同的測試類型，在設計測試用例時，測試點各有不同。在測試系統開發過程中，編程和測試是緊密相關、相輔相成的技術活動，缺一不可，同等重要。同時，還需補充新的測試用例來測試新的或被修改了的功能。

用C#語言編寫相關程序涉及到的函數：（1）private void AdsThread（）。該線程是C#語言和核心技術之一，操作系統上同時可以運行多個應用程序，這些技術就是進程技術，一個進程里面可以有多個線程或者單個線程。線程是操作系統合理利用處理器時間的基本單元之一，在線程中可以有多個線程同時運行。這里通過使用Thread類，對線程進行創建、暫停、恢復、休眠等操作。系統為應用程序分配一個主線程，該線程執行程序中的Main方法開始和結束的代碼。（2）private void ProcessData（）。定義一個無返回值函數ProcessData，它的作用是用數組來存取采集到的數據，在該方法里面還應用到拋出異常這一技術，方便基礎學者調試程序時更易發現其中的錯誤。

3 結語

本文詳細介紹了基于C#電機測試系統的設計方法，通過采用STM32單片機作為整個測試系統的下位機，上位機控制軟件是在Visual Studio開發平臺上用C#語言設計的虛擬控制界面，可以有效提高測試系統的穩定性和實時性。實驗證明，本測試系統具有體積小、功耗低、精度高、實時性好、穩定等優點，可以在電機測試系統中應用。

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[4]王小科.C#從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2010.

The Design of the Test System Based on C#

Hu Zonghua， Dai Yanman， Dou Yangyang

（College of Engineering Control Institute， Xijing University， Xi an 710123， China）

Abstract： The computer test system is computer technology and Measurement and control technology， electronic technology， testing instrument technology product of further combination， this article based on PCI bus technology to develop the motor test system based on c #， the basic configuration of the test system is given， the development environment is Microsoft Visual Studio 2010， combined with the Measurement of NI company Studio 2015 software， can develop a set of complete motor functions of comprehensive testing system， friendly man-machine interface， easy to operate.

Key words： test system； C#； functional test