基于C++和SQL的流速標準裝置檢定軟件設計

張 龍1, ，葉 松1，張繼軍，張寶國，張東亮

(1.國防科技大學 氣象海洋學院，南京 211101; 2.西北核技術研究所，西安 710024)

0 引言

在水文觀測領域中，流速是基本的觀測要素之一。準確測量流速有助于了解水資源的時空分布規律，為合理開發和利用水資源提供重要依據。因此，流速測量已經成為氣象、水文等多個領域的研究重點[1-2]。

在現有的眾多流速測量儀器中，轉子式流速儀表現出結構簡單、使用方便等一系列突出優勢，因而深受水文工作者的青睞，已廣泛應用于水文觀測的多個領域。為保證該型流速儀測量結果的準確性和一致性，國內外均已建立起基于直線靜水水槽和檢定車的流速檢定標準裝置，然而該系統體積龐大，建造及維護成本高，且可用設備數量較少，導致目前轉子式流速儀的計量檢定工作效率較低且費用較高。基于上述原因，本文提出研制一套基于環形水槽的小型輕便式流速標準裝置，為轉子式流速測量設備提供計量保障。

檢定軟件是標準裝置測控系統的重要組成部分，主要用于完成裝置的運行狀態監控及檢定數據管理。本文在充分研究檢定軟件的功能需求和設計方法的基礎上，運用面向對象的程序設計方法和多層架構模型完成了標準裝置檢定軟件的設計。軟件具體的功能模塊由C++程序設計語言實現，檢定數據管理由SQL Server數據庫實現。測試結果表明，檢定軟件既能夠實現期望的功能性需求，又具備實用性、可靠性、擴展性等非功能性需求，從而有效提高了流速標準裝置的自動化程度。

1 環形流速標準裝置

1.1 標準裝置技術指標

本文所述的基于環形水槽的流速標準裝置充分借鑒了原有直線靜水水槽檢定設備的設計思路，同時在裝置體積、重量、使用靈活性、建造及維護成本等方面體現出更優的性能，可用作小型轉子式流速儀的計量檢定設備。裝置以絕對值編碼器作為角度測量標準器，以激光測距儀作為長度測量標準器，在FPGA和上位機檢定軟件的協同配合下實現對人員信息、儀器信息、檢定流程、檢定數據等對象的全面監控與管理，有效提高了裝置的自動化和信息化程度。

根據小型輕便的設計理念和量值傳遞的相關要求，標準裝置需實現的技術參數如下：檢定速度范圍為0.1～4.5 m/s，擴展不確定度為0.01 m/s，在最高檢定速度下，被檢儀器的勻速運動時間不少于3 s，裝置總重量(除環形水槽及附屬部件)小于150 kg，可進行快速分解、組裝、維護等工作，其概念模型如圖1所示。

圖1 環形流速標準裝置概念模型

1.2 測控系統工作方式

標準裝置由環形水槽、傳動結構和測控系統組成。根據裝置功能需求，測控系統包括由上位機和FPGA模塊組成的控制處理器、由光電編碼器和激光測距儀組成的測量標準器、由伺服電機及伺服驅動器組成的動力系統、無線攝像機作為被檢儀器示值采集器。測控系統的結構組成如圖2所示。

圖2 測控系統結構組成

基于上述結構，可將測控系統工作流程分為以下四個步驟：

1)使用高精度激光測距儀測量轉動半徑，并將測量結果輸入上位機檢定軟件。在軟件中設置儀器參數、檢定參數等各項指令，進入自動檢定模式。在檢定軟件控制下，裝置自第一個檢定點開始自動執行檢定任務。

2)FPGA向伺服驅動器發送脈沖信號，控制電機轉動并帶動被檢流速儀在水槽中以檢定速度做圓周運動，在此過程中讀取光電編碼器的角度測量值并將其傳輸至上位機。通過反饋的編碼器角度值和同步時間信息判斷被檢儀器是否達到檢定速度，并計算勻速段的標準速度。

3)為提高裝置的自動化程度，采用無線攝像機視頻監控方式獲取被檢儀器手持記數終端的示值。運用基于視頻流的數字圖像識別技術提取視頻中的儀器讀數，并將識別結果讀入上位機檢定軟件。

4)運行軟件的數據處理子程序，比較裝置輸出的標準流速值和被檢儀器示值，計算被檢儀器在各個檢定點處的系統誤差，判斷其是否合格并生成檢定結果。

2 檢定軟件設計

2.1 需求分析及設計原則

根據標準裝置的設計要求，檢定軟件需要實現以下功能：可實現對通信協議、人員信息、登錄權限等基本參數的設置和管理；可實時獲取裝置運行過程中各功能模塊的數據，并按照控制算法調整裝置的運行狀態；根據設定的檢定參數自動執行檢定任務，并給出檢定結果；具有數據存儲與查詢功能，可自動保存歷次檢定任務的實驗數據及檢定結果以備查詢。

除上述功能性需求外，檢定軟件還需具備實用性、可靠性、擴展性等非功能性需求，因此在軟件開發過程中需遵循以下設計原則[3-4]。

1)實用性原則：實用性是衡量軟件設計成功與否的一項重要指標，主要體現在所設計軟件具有良好的兼容性和可移植性，可在多種操作系統中實現軟件資源共享；具有簡潔流暢的邏輯結構和工作流程，可在占用最少系統資源的情況下完成設定任務；以用戶體驗為核心，綜合運用多種表達方式增強軟件的信息交互能力，給予用戶更方便快捷的人機交互體驗。

2)可靠性原則：在軟件開發過程中，應充分考慮其可靠性需求，以確保軟件可以長期穩定運行。在本文所述的檢定軟件中，其可靠性主要體現在具有較強的容錯能力和報警機制，對軟件運行過程中出現的錯誤具有及時的應對措施；檢定軟件需根據程序設定的相關算法調整裝置的運行狀態，處理實驗數據并生成檢定結果，故必須確保軟件運行準確無誤。

3)擴展性原則：軟件設計不僅要滿足當前的用戶需求，還應考慮到軟件功能擴展的需要。本文所述環形流速標準裝置尚處于研究的初級階段，其檢定軟件仍有較大的擴展空間，如軟件功能添加、控制算法改進等，因此在軟件的開發過程中需預留擴展接口，以便于軟件的更新完善。

2.2 軟件設計方法

目前，數據采集和監控管理系統多采用組態軟件形式設計實現，盡管降低了設計難度，縮短了開發周期，但容易導致軟件結構混亂，擴展性和實用性不足，為后期的需求升級和軟件更新帶來諸多困難[5]。本文所述的環形流速標準裝置尚處于研究的初始階段，隨著后續研究的深入，軟件需求將有較大變化，故采用傳統的組態軟件形式難以滿足軟件設計需求。相反，面向對象的程序設計方法和多層構架模型在軟件設計中具有較大優勢，可有效提高設計軟件的通用性、可靠性、擴展性，適用于本文所述檢定軟件的設計需求。

本文所設計檢定軟件的多層架構模型如圖3所示，包括表現層、業務邏輯層、數據訪問層、抽象工廠層、模型層等層次結構。其中，處于最頂端的表現層可通過軟件用戶界面的方式實現，業務邏輯層主要用于對登錄權限設置、系統參數設置等功能模塊的實現方法進行封裝，模型層用于實現對儀器參數、實驗數據、檢定結果等對象的封裝，SQL Server數據庫可實現對系統參數、檢定數據的管理，通過數據訪問層可完成數據讀取、更新等操作[71-72]。各層之間通過接口調用的方式實現數據交互，降低了相互之間的耦合度，只需修改少量代碼即可實現軟件功能更新，實現了可擴展和易于更新的設計目標[6-7]。

圖3 檢定軟件多層架構模型

2.3 軟件功能模塊設計

按照上述功能需求及設計原則，將檢定軟件分為權限設置、參數設置、任務管理等三大功能模塊，其結構如圖4所示。

圖4 檢定軟件主要功能模塊

2.3.1 權限設置模塊

根據GJB 2725A-2001相關要求，測試檢定實驗室應包括行政負責人、技術負責人、質量負責人、測試/檢定員、審核員、儀器管理員等[8]。根據軟件功能需求和人員權限范疇，設計了管理員、檢定員、審核員三種用戶類型，軟件登錄時自動判斷登錄人員身份，提示輸入登錄密碼。檢定人員可對個人信息及登錄密碼進行維護，管理人員負責設置軟件登錄權限。

2.3.2 參數設置模塊

在執行檢定任務之前，對被檢儀器及標準器的辨識信息和性能參數等進行錄入或修改，包括儀器編號、量程范圍、測量精度、檢定證書號、有效期、送檢單位等；根據被檢儀器特性，對檢定規程相關參數進行修改，包括檢定點選取、讀數次數設置等；設置檢定軟件與被控對象的通信接口。

1)儀器參數設置。

儀器參數設置主要用于完成被檢儀器及標準器的參數讀取、查詢、修改等操作。通過此模塊，軟件用戶可對儀器編號、生產廠家等標識信息以及量程范圍、測量精度等性能參數進行管理，相關數據可存儲于標準器信息表、被檢儀器信息表等數據庫表格中。

2)檢定參數設置。

檢定參數設置用于實現檢定規程的讀取、修改等操作。在執行檢定任務之前，需根據檢定規程要求設置合適的流速檢定點，并將被檢儀器量程范圍、最大允許誤差、傳動臂長度、流速檢定點等參數讀入系統中，相關數據可存儲于檢定規程數據庫記錄表中。

2.3.3 任務管理模塊

根據設定的相關參數，實現對檢定流程的自動控制；在檢定過程中，對裝置的運行狀態進行實時監控與管理；讀取被檢儀器與標準器的測量數據，根據檢定規程對實驗數據進行處理并生成檢定結果；自動保存檢定數據及結果，具備數據備份及還原功能，可對歷史數據進行查詢和管理；審核人員進行檢定結果審核，審核通過后可生成數據表格及檢定證書。

1)檢定流程監控。

檢定流程是指從創建檢定任務至生成檢定結果的整個過程，包括儀器參數設置、檢定參數設置、檢定數據處理、檢定結果生成等核心操作步驟。為實現檢定過程的自動化，在軟件設計時將檢定流程以規定的文本格式存儲于數據庫中。在執行檢定任務時，首先從數據庫中讀取檢定流程文本，并據此執行相應的儀器操作，從而實現檢定過程的自動化。

檢定流程如圖5所示。首先創建新的檢定任務，系統將自動生成本次檢定的任務編號，并跳轉至參數設置界面。在參數設置界面中完成被檢儀器的參數設置，包括儀器名稱、儀器型號、出廠編號、送檢單位、量程范圍、最大允許誤差等，并根據檢定規程設置合適的檢定點。其次，進行被檢儀器外觀結構檢查，要求被檢儀器各零部件安裝正確、牢固，不存在變形、塌陷、彎曲、裂縫等現象。對于轉子式流速儀，其螺旋槳應轉動平穩，無跳動或阻滯現象。外觀結構檢查合格的被檢儀器可繼續執行檢定任務。根據設定的檢定點次序，系統將從第一個檢定點開始自動執行檢定任務，并在此過程中讀取被檢儀器及標準器數據，處理實驗數據并生成檢定結果。在進行高速點檢定時，實驗裝置轉動速度較快，存在一定的危險性，為應對意外狀況，設置了“緊急停止”按鈕，可實現裝置的緊急制動。

圖5 檢定流程圖

2)檢定數據處理。

檢定數據處理過程包括粗大誤差剔除、系統誤差計算、合格判定、不確定度評定等操作。根據系統誤差可判定被檢儀器是否合格：若被檢儀器在各檢定點處系統誤差的絕對值均不大于其最大允許誤差的絕對值，則判定其合格；反之，則判定為不合格。

3)檢定結果生成。

檢定結果可分為數據記錄表及檢定證書兩部分。數據記錄表格式如表1所示，包含被檢儀器、標準裝置及標準器的相關參數、檢定過程環境參數以及對應于每個檢定點的被檢儀器及標準器示數。根據上述數據處理方法，計算各檢定點處被檢儀器的系統誤差，并據此判斷其是否合格。檢定合格的儀器將由已獲認可的計量單位出具檢定證書，對于不合格的被檢儀器將發出檢定結果通知書或提出處理意見。檢定證書包括計量機構名稱、送檢單位名稱、被檢儀器名稱及型號、檢定日期及有效期、檢定所用測量標準的相關參數、檢定所依據的技術文件、檢定結果擴展不確定度、檢定實驗室環境參數等內容，其具體格式如圖6所示。

3 SQL Server 數據庫設計

SQL Server是微軟公司推出的一種可擴展、高性能的關系型數據庫管理系統，具有強大的數據處理能力，可通過多種方法來確保數據的完整性，基于自主的SQL語言可實現數據提取、數據更新等多種操作[9-10]。綜上所述，本文選取SQL Server 實現檢定軟件的數據庫設計。

表1 檢定數據記錄表

圖6 檢定證書格式

本文所述的檢定軟件不僅需要完成檢定過程的自動控制，還需對檢定任務所涉及的儀器參數、實驗數據、檢定結果等信息進行管理，因此需要合理設計數據庫結構，以提高數據訪問、更新、刪除等操作效率。基于上述需求，建立了如圖7所示的數據庫設計流程[11-12]。

圖7 數據庫設計流程

1)需求分析：根據檢定軟件的功能需求和相關檢定規程，確定數據庫需記錄的重要數據信息及其包含關系，主要包括實驗過程環境參數、被檢儀器及標準器技術參數、檢定過程設置參數、檢定數據及檢定結果等。

2)概念設計：建立數據庫概念模型。目前，增強型實體-關系(Enhanced Entity-Relationship，簡稱EE-R)模型在數據庫開發過程中應用較廣，其表達形式簡潔明了，能夠更全面的描述數據庫邏輯結構和功能需求[13-14]。歸納EE-R模型中各實體的特征屬性，以檢定操作流程為依據，建立了各實體間的相互聯系，由此可得檢定軟件數據庫的EE-R模型如圖8所示。

圖8 檢定軟件數據庫EE-R模型

3)邏輯設計：將概念設計過程中生成的EE-R模型轉換為與SQL Server數據庫系統兼容的邏輯模型，并對其進行范式優化。首先，根據實體間關系類型(一對一(1:1)、一對多(1：n)、多對多(n：m))將EE-R模型轉化為R(A、B、……)形式的關系模式集。然后，按照關系數據庫的范式優化模型對設計結果進行優化[15]。

4)物理實現：通過具體的數據庫管理系統實現方法完成實體關系和數據記錄表的設計。

4 實驗結果與分析

4.1 儀器參數設置

標準器信息管理窗口如圖9所示，可對角度測量標準器和長度測量標準器的基本參數進行管理。被檢儀器信息管理窗口圖10所示，可對被檢儀器的儀器基本信息和送檢單位信息進行管理。

圖9 標準器信息管理窗口

圖10 被檢儀器信息管理窗口

4.2 檢定點設置

根據國內外現有標準，被檢流速儀在其全量程范圍內的檢定點數應在12～15個左右(量程上下限為必檢點)，且在低速段應增加檢定點數量。通常，當檢定速度小于0.1 m/s時，其速度間隔可在0.02～0.05 m/s之間；當檢定速度大于0.2 m/s時，其速度間隔可在0.2～0.5 m/s之間。根據上述要求，選取檢定點如下：0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s、0.7 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s、3.5 m/s、4.0 m/s、4.5 m/s。檢定點設置窗口如圖11所示。

圖11 檢定點設置窗口

4.3 檢定數據記錄

通過檢定軟件記錄被檢儀器示值、讀數時間以及標準流速值，其參數設置及數據記錄窗口如圖12所示。

圖12 檢定參數設置及數據記錄窗口

5 結論

本文首先提出了檢定軟件的功能需求及設計原則，并在此基礎上對軟件的設計與實現方法進行了研究。為使軟件具有較高的層次性、通用性、擴展性，采用面向對象的程序設計方法和多層架構模型建立了軟件結構，運用C++編程語言和Visual Studio軟件開發平臺編程實現了具體的功能模塊，運用SQL Server數據庫實現了檢定軟件的數據管理。測試結果表明，檢定軟件既能夠實現期望的功能性需求，又具備實用性、可靠性、擴展性等非功能性需求，從而有效提高了流速標準裝置的自動化程度。