某火炮電機調速系統監測軟件設計與實現

任海波，郭 敏，焦靈俠，周 楊,楊 燕

(1.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099;2.榆林學院，陜西 榆林 719000;3.西安工業大學，陜西 西安 710021)

在火炮伺服系統中，電機調速系統的各項性能直接影響到火炮系統的作戰性能，為達到指標要求，在電機調速系統調試的過程中，需要對其多項高速變化的參數進行實時監測，因此對監測軟件的實時性和穩定性要求較高。目前多采用將數據以文件的形式記錄下來，利用MATLAB進行繪圖，再進行比較分析。存在操作繁瑣、實時性差和調試效率低等缺點。

作為主流的可視化開發環境VC++6.0具有界面友好，功能強大，開發靈活等優點，文獻[1]中采用的CDC類開發繪圖模塊，存在開發周期長和難度高的缺點，而美國NI (National Instuments)公司為VC++6.0開發、提供了一個集成式套件，即Measurement Studio 6.0，包括了各種常用測量和自動化控件、工具和類庫[2]，可以補償VC開發圖形控件時存在的缺陷。

筆者提出采用VC++6.0和Measurement Studio 6.0聯合開發的某火炮電機調速系統監測軟件，其具備對系統參數實時數據采集、實時顯示、數據保存和數據回放等功能。

1 軟件總體設計

系統連接示意圖如圖1所示，某火炮電機調速系統監測軟件運行在PC機上，調試系統通過USBCANⅡ連接，某火炮電機調速系統和PC機按照約定的通信協議將需要監測的數字量，以曲線、數字或指示燈等方式顯示在人機交互界面上。

PC機和某火炮電機調速系統之間的通信方式為主從問答方式。PC機向某火炮電機調速系統發送命令幀，某火炮電機調速系統接收到命令幀后向PC機發送響應幀，發送頻率為1 ms一幀，從而實現數據交換。

1.1 軟件架構

某火炮電機調速系統監測軟件主要由數據收發模塊、數據處理模塊和數據顯示3個模塊組成，如圖2所示。數據接收模塊作為通信接口主要負責數據的實時接收，數據處理模塊負責根據通信協議對數據進行解析，以FIFO的模式進行存取，并將數據以文件的形式記錄下來。數據顯示模塊主要負責為用戶提供一個良好的人機交互界面，在圖形顯示區域連續動態地顯示波形。

1.2 開發環境

某火炮電機調速系統監測軟件在Windows XP操作系統下，采用VC++6.0和Measurement Studio 6.0混合編程的模式開發。VC++6.0為用戶提供類庫和控件快速完成人機交互界面設計。Measurement Studio 6.0作為專業的虛擬儀器控件以ActiveX的形式嵌入到VC++6.0環境中，在CWGraph控件的“屬性”中可以快速地設計出調試軟件需要顯示的各波形的各項屬性，降低了軟件開發難度，縮短了開發周期。

2 監測軟件的設計與實現

監測軟件為用戶提供了良好的人機交互界面，主要功能有數據采集、數據解析、波形顯示、x軸和y軸動態縮放、數據保存和歷史數據回放等功能。

2.1 通信協議

CAN總線采用CAN 2.0協議規范，波特率為500 Kbit/s,標準信息幀格式；CAN總線網絡采用樹形拓撲結構，由驅動器和上位機兩個通信節點構成。

驅動器向上位機發送工作狀態信息，幀ID: 0x102,共8個字節。幀格式如圖3所示。 Data 0表示幀序列編碼:以0～255循環；Data 1表示A相電流，Data 2表示B相電流，Data 3表示q軸電流，所有電流的數據類型為有符號整數，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高四位表示位置反饋，所有位置的數據類型為無符號整數，用0～4 095表示0～4 095密位；本文不涉及上位機發送到驅動器的控制命令。

2.2 監測軟件簡要介紹

監測軟件的主界面分為波形顯示區、波形控制區和命令控制區，如圖4所示。

2.2.1 波形顯示區

在火炮伺服系統中，用高低和方位兩個方向分別控制，因此將波形顯示區分為高低和方位兩個區。每個區可同時顯示5條曲線，分別為位置主令、位置反饋、A相電流、B相電流和q軸電流，每條曲線共用時間軸，位置主令和位置反饋共用一個y軸，A相電流、B相電流和q軸電流共用一個y軸，出于簡化軟件考慮，只設置一個y軸，將各項電流值擴大10倍后再顯示，每10 密位的刻度對應1 A的電流。

用戶通過在曲線顯示區域雙擊鼠標左鍵，全屏顯示該曲線顯示區域，也可通過按住鼠標左鍵拖動來移動顯示曲線，通過撥動鼠標滾輪縮放顯示曲線。

2.2.2 波形控制區

用戶可以通過設置x軸和y軸的范圍對曲線進行縮放和拖移，也可用鼠標進行拖移或縮放操作。

2.2.3 命令控制區

用戶在此設置驅動器的執行命令，并通過相應的按鈕實現向驅動器發送命令、暫停、重啟、保存數據和歷史數據回放等操作。

2.3 關鍵技術

在監測軟件設計過程中，高速實時數據采集、數據處理和顯示的同時進行是軟件設計的難點，為了滿足數據采集、處理和顯示的實時性、可靠性、完整性的要求，筆者采用將數據的采集和處理與數據顯示分開處理，實現軟件實時性；利用數據緩沖技術將數據接收線程的數據暫存，避免丟數，實現數據的完整性；由于NI控件不是線程安全，在線程中刷新數據，會出現不可預知的異常[3]，因此，利用MFC的消息機制[4]，通過發送消息的模式，通知繪圖控件刷新界面數據。

1)采用數據接收線程讀取CAN總線上的數據，由于數據采集率為1 kHz，按照經驗，Windows XP操作系統允許用戶最多20 ms進入一次線程，且CAN本身自帶數據緩沖功能，數據接收線程每次處理完數據后休眠20 ms，再進行數據接收，當數據接收線程進入休眠時，并達到了重繪點數，即可進行波形重繪，這樣既不會丟失數據，又可分出CPU資源進行數據處理，從而實現數據實時接收與波形實時繪制同時進行。

2) 由于數據采集率為1 kHz,而波形的重繪頻率較低，一般不會超過60 Hz，因此，采用數據緩沖技術，即環形緩沖區[5]，將采集到的數據放入環形緩沖區，當檢測到環形緩沖區的數據達到重繪點數(128個)時，便向主界面發送重繪波形的消息，對波形進行刷新。

3) 由于NI控件不是線程安全的，用戶不能在線程中刷新繪圖控件，因此監測軟件自定義了刷新消息，通過發送消息的方式，驅動繪圖控件刷新。

2．4 監測軟件關鍵功能的詳細設計

2.4.1 數據接收模塊

首先，在監測軟件初始化程序中完成以下操作：創建并啟動數據接收線程；加載周立功USBCANⅡ驅動程序；設置和啟動CAN。

然后，在數據接收線程中采集循環，循環讀取CAN數據，根據通信協議解析后，將數據依次存放至環形緩沖區中。

在軟件退出時，關閉CAN和退出數據接收線程。

2.4.2 數據處理模塊

數據處理模塊包括數據解析、數據緩存和數據保存3個模塊，數據處理流程如下:

依據通信協議規定，位置主令值的解析方法為:

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

(1)

式中：Pvalue表示實際的位置值;X和Y分別為驅動器向上位機發送的數據第4字節和第5字節，位置反饋值的解析方法同理。

A相電流值的表示范圍壓縮到-128～127，解析方法為

Ivalue=(float)(Z-128)

(2)

式中：Ivalue表示實際的A相電流值;Z表示驅動器向上位機發送的數據第1字節，B相電流值和q軸電流值的解析方法同理。

在監測軟件初始化程序中，完成建立環形緩沖區對象，并設置環形緩沖區的深度為4 K字節，在數據接收線程中，將解析后的數據依次寫入環形緩沖區，在得到更新波形數據的消息時，在消息處理函數中，讀緩沖區數據。當環形緩沖區滿時，將“最早”的數據丟棄，將“最新”的數據寫入緩沖區。

當數據需要保存時，執行數據保存操作時，先新建*.txt類型的文本，文本名按“data”+當前時間的規則命名，將接收到的數據以字符串形式保存在文本中。

數據處理流程圖如圖5所示。

2.4.3 數據顯示模塊

數據顯示模塊主要包括波形顯示單元和波形操控單元。

2.4.3.1 波形顯式單元

波形顯示單元有兩種狀態，即工作狀態和回放狀態，在不同的狀態下，數據源、數據處理和顯示方式不同。當其處于工作狀態時，數據顯示流程如圖6所示。

數據來自CAN總線，為了使波形顯示流暢完整，需要降低波形的刷新頻率，以波形的重繪頻率刷新曲線，圖形控件的繪圖數組長度設置為1 024字節，繪圖數組的大小決定了一屏能顯示波形的最長時間，如果用戶需要顯示更長時間的波形，必須增大繪圖數組。每當緩沖區的數據量達到128個時，將繪圖數組第0～127序列的數據刪除，再將128～1 023序列的數依次前移128位，再將最新的128個數放入數組的最后，如圖7所示[6]。因此，當前圖形控件的數據是實時顯示的，能觀察到的波形數據只有最新的1 024組數據。

當其處于回放狀態時，數據來源于文本文件，當用戶按下“打開數據”的按鈕時，按照命名規則找到用戶要回放的數據文件，因為每個文件存儲的數據量不等，因此，根據具體文件的數據量重新設置圖形控件的繪圖數組容量，再將所有數據解析后，依次放入繪圖數組中，繪制波形。用戶可根據實際需求對波形進行縮放和拖移操作，在圖形控件上雙擊后即可全屏顯示。

2.4.3.2 波形操控單元

波形操控單元主要是通過對其x軸和y軸范圍的設置來實現波形的全屏顯示、波形拖移和波形縮放。

在波形顯示之前，軟件會一直記錄波形x軸和y軸向的最大和最小值，只要在鼠標雙擊事件中將x軸和y軸的范圍設置成波形的范圍，即可實現雙擊后波形全屏顯示。

拖移與縮放是在鼠標左鍵按下事件中記錄起始點的坐標，然后在左鍵彈起的事件中記錄終點坐標，波形縮放是將兩個坐標形成的矩形區域范圍設置新的x軸和y軸的范圍，而波形拖放是分別記錄兩個坐標在x軸和y軸方向的相對位移量，然后x軸和y軸分別在各自的方向上平移位移量。

以上主要是通過鼠標操作波形，也可通過波形控制區設置x軸和y軸的范圍進行波形操作。

3 軟件測試

測試網絡拓撲結構參見圖1，將一個某火炮電機調速系統連接在CANⅡ上，某火炮電機調速系統監測軟件運行在PC機上，為了測試該軟件，設定驅動器以1 kHz的頻率向上位機發送正弦波，發送的正弦波頻率有50、40、30、20、10和1 Hz等選項。軟件運行效果如圖8所示，圖中，在GD Curve中綠色、藍色、紅色曲線分別為50、40和30 Hz正弦曲線，在FW Curve中綠色、藍色、紅色曲線分別為20、10和1 Hz正弦曲線，曲線平滑，無變形，波形的全屏、拖移與縮放功能正常。試驗表明，某火炮電機調速系統監測軟件波形顯示正常而穩定，軟件設計達到預期的使用要求。

4 結束語

筆者設計的基于VC++6.0和NI控件聯合開發的實時監測軟件，用于某火炮電機調速系統的性能測試，并對監測軟件的關鍵技術和關鍵功能做了詳細說明。該軟件具有界面美觀、實時性能好、開

發成本低等特點，具有較強的實用價值和參考價值。但在擴展性、可移植性和通用性方面依然存在不足。

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