专利名称：一种集散式环境参数的测控系统及方法
技术领域：
本发明涉及环境参数的集散式测控系统，及其模块化、通用化的功能实现方法。属
于计算机测控总体设计领域。
背景技术：
随着科学技术的进步，人的生存和工作空间不断扩大，对各类产品的需求量及质 量要求亦不断提高，因而对人的环境适应性和产品的环境可靠性提出了严格的要求。为此， 所有产品，如电子及电工产品、常规和非常规兵器、飞机、航天器、舰船和机动车辆(汽车、 装甲车辆、机车、车箱、冷藏车和工程车)等，都制定了相应的环境试验规范，并且先后建立 了各种类型和不同规模的环境模拟设备。在这些设备中再现各种环境条件，进行产品的环 境试验，用以研究和考核其环境可靠性。目前，环境模拟设备及环境试验技术正经历着由单 参数模拟到多参数模拟、从静态模拟到动态模拟、从产品环境试验到人机系统环境试验的 发展道路。 多参数环境模拟系统中的测量控制参数包括温度、压力、流量、物位、湿度、浓度、 转速、加速度等，对应的控制对象包括电加热器、涡轮(透平)机组、调节阀、电机等。不同的 测控对象，测量控制方式不同。然而总体来看，环境模拟试验的现有测控系统存在测量控制 参数单一，功能单一，自动控制技术水平较低，现代化管理程度不高，试验效率较低的缺点， 因此还需要在其测控技术上进一步改进和提高。 同时，随着科学技术的进步，计算机集散式控制系统DCS得到了完善和发展。可充 分利用其资源对实验过程进行实时监控和管理，在实现环境模拟设备的自动控制的同时， 对实验过程集中管理和分散控制，达到多个设备同时工作，多项实验同时进行，多组实验信 息同时获取同时处理的目的。 COM组建模型技术结合面向对象的编程思想，可构建模块化的系统功能人机交互 平台，增强数据的管理，便于系统功能的维护和扩充，使系统的通用性、可扩展性、稳定性和 可靠性得到全面的升级，但是采用这种技术需要结合面向对象的数据模型、描绘控制系统 才能满足环境模拟试验的需求、充分发挥COM组建模型技术的优势。本发明将COM组建模 型技术和数据库技术相结合，建立环境模拟试验设备的信息数据库和试验结果数据库，使 实验人员直接通过友好的界面操作试验，对不同试验数据进行管理。 本发明充分利用上述新兴计算机软硬件技术，具有模块化、通用化、组态化的特 点。提高了大型综合环境模拟试验设备的试验效率，节省试验时间和经费，具有良好的经济 效益。
发明内容
本发明提供了一种环境模拟试验的集散式测控系统，其目的是满足大型化、多参 数及多功能综合化环境模拟试验设备测量与控制的要求，其特征在于包括主控部分，用于 采集和控制环境参数；实时数据采集部分，用于采集在所述主控部分所控制的环境中的测试结果；试验结果数据库，用于被所述主控部分和所述实时数据采集部分中的至少一个所 存取。 本发明的效果本环境模拟试验设备的测控系统，完成了基于集散式DCS的硬件 管理系统设计，方便了试验人员对试验参数进行集中管理，对被控对象进行分散控制，并取 得了良好的效果，实现了较高的参数控制精度，满足了大型综合环境模拟试验的要求。开发 出的环境模拟系统监控软件_ "环境模拟测控系统"采用模块化的总体构架设计、面向对象 数据模型的数据库、高效合理的内存管理、多线程任务调度和管理、远程网络监控以及软件 动画界面设计方法，具有模块化、网络化、通用化的特点。提高了代码的重用性、大大减少了 代码编写的时间，并具有较高的可靠性、稳定性，满足了用户现代化管理试验的需求。目前， 该测控系统及配套硬软件，已应用于多项环境模拟试验中包括双路热动力试验，低气压与 温度冲击试验，温度高度试验，砂尘环境试验，高空环境模拟舱试验等多项环境模拟试验的 测控系统中。
图1是根据本发明的一个实施例的集散式系统的架构图。 图2是根据本发明的一个实施例的控制台的外型图。 图3是本发明的- 图4是本发明的- 图5是本发明的- 图6是本发明的- 图7是本发明的- 图8是本发明的- 图9是本发明的- 图10是本发明的 图ll是本发明的 图12是本发明的 图13是本发明的 图14是本发明的 图15是本发明的 图16是本发明的 图17是本发明的 图18是本发明的 图19是根据本发明的一个实施例的面向对象的数据模型的关系图。 图20是根据本发明的一个实施例的数据库的功能结构图。 图21是根据本发明的一个实施例的远程网络监控的原理图
具体实施例方式
以下结合图1-图7，详细说明本发明的具体实施放案。 图1所示的是根据本发明的一个实施例的一种集散式系统架构。该控制系统总体
-个实施例的模块功能表达框图。 -个实施例的任务管理模块功能流程框图。 -个实施例的实时数据测控模块流程框图。 -个实施例的实时数据显示模块流程框图。 -个实施例的实时数据管理模块流程框图。 -个实施例的实时数据传输模块流程框图。 -个实施例的实时数据采集模块流程框图。 一个实施例的高速数据采集模块流程框图。 一个实施例的流程图显示模块流程框图。 一个实施例的曲线显示模块流程框图。 一个实施例的数据列表显示模块流程框图。 一个实施例的UDP网络通讯模块流程框图。 一个实施例的设备通讯模块流程框图。 一个实施例的串口通讯模块流程框图。 一个实施例的多线程同步流程图。 一个实施例的任务管理模块的功能框图
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參现场设备层、直接测控层、中央管理层和远程管理层。现场设备层指现场信号 测量传感器(1)与设备执行机构(2)。包括温度、露点、压力、流量、转速等参数测量和气动 调节阀等设备的执行。
參直接测控层由系统控制台(3)和数据采集装置(4)组成，它和现场设备层相
连，除可直接显示现场测量参数值以外，还主要担负着控制现场执行机构的运行。
參中央管理层它由上位主控计算机(5)、数据采集计算机(6)、打印机(7)及接
口电路组成。它与直接测控层(下位控制级)通过RS485多设备控制的通讯接口 (14)和
/或信号电缆(13)相连，直接从下位控制级获得各种试验数据，并处理和管理试验数据，生
成曲线及报表，实时监控试验运行状况，执行现有设备报警与安全保护，在线修正试验参数
和试验状态。 參远程管理层主要由远程客户端(12)、网络打印机(13)、路由器(10)、工业以太
网(15)互联组成。它可以通过路由器(10)、防火墙(9)直接访问中央管理层的服务器(8)，
具有远程浏览试验流程、监控试验数据和曲线的功能。 图2显示了根据本发明的一个实施例的控制台(201)的外型图。 图3显示了本发明的一个实施例的模块功能表达框图。可以看出，它主要由主控
部分(3100)、数据采集部分(3200)、高速测量部分(3300)、数据处理系统部分(3500)、试验
结果数据库(3600)、试验信息数据库(3700)、以及一些外部功能模块和硬件设备组成。根
据环境模拟系统的设计要求，环境模拟试验由模拟环境条件的固定试验和在固定试验营造
的环境条件下进行各种测试的测试品试验组成。在固定试验中对模拟的环境参数进行测量
后，还需要对加温、制冷、抽空等设备进行控制，使模拟的环境参数符合试验要求，因此针对
固定试验的要求本发明设计主控部分(3100)及其相关外部模块，可完成对温度、压力、流
量、物位、湿度、浓度和转速等信号的测量和控制。测试品试验是在固定试验提供的环境条
件下完成对测试品的测试工作，主要对测试品的测试参数进行采集分析，不需要进行参数
的控制，本发明的数据采集部分(3200)针对测试品试验的要求可完成非控制参数的数据
采集。当测量信号的频率较高时，例如在对某环境条件下振动测试的加速度信号进行测量
时，需要较高的采样频率，短时间内产生较大的数据量，本发明针对这种情况设计振动信号
高速测量部分(3300)，可完成振动信号等高频信号的测量。数据处理系统部分(3500)主要
完成对试验结果数据的查看和处理、历史曲线的回放功能。 其中主控部分(3100)和数据采集部分(3200)可通过访问试验信息数据库(3700) 获得上次试验的信息数据，修改并保存本次试验的信息数据，完成试验状态的初始化。并 且，主控部分(3100)可将模拟环境参数的测量结果及控制参数实时存入试验结果数据库 (3600)中，数据采集部分(3200)也可将测试品的测试结果数据实时存入试验结果数据库 (3600)中。此外，主控部分(3100)和数据采集部分(3200)通过工业以太网互联以保证实 时同步数据交互，为测试品的某些性能参数计算提供主控部分(3200)测控的数据。因为采 样频率较高，数据量较大，振动信号高速测量部分(3300)直接将试验数据储存在内存中， 在试验结束后再将数据存入试验结果数据库(3600)中，因此该部分数据只与数据库交互。 这种设计方法既可实现各部分之间的独立工作，减少相互之间的干扰，又可实现数据的共
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上述主要几个部分的具体功能是通过内部功能模块，及其需要调用的外部功能模 块实现的。其中主要的内部模块功能包含以下几个 *运行功能模块(3108):主要完成准备、开始和停止操作，触发任务管理模块 (3101)中的各项任务。该模块可通过窗口消息响应循环实现。 *任务管理模块(3101):是主控部分功能实现的的核心，起到调度各模块工作和 数据交互的作用。并且保证系统实时运行，及时响应用户的命令。该模块采用时钟管理，保 证系统运行的实时性及周期性，完成任务间同步、通讯，数据互斥保护；若着重实时处理，则 会影响消息的及时处理，不能建立良好的人机交互；若着重人机交互，则实时处理就会受到 影响，不能及时的完成数据的采集、显示及控制任务。为了解决这个问题采用了单进程多线 程的技术来管理，并且采用临界区和事件触发方式实现任务间的同步、通讯与互斥。根据本 系统处理器的使用率不同划分为以下几个线程实时采集与控制线程、实时流程图绘制线 程、实时试验数据存储线程，实时硬件通讯线程、实时网络通讯线程。 *实时数据测控模块(3102):该模块是试验控制任务的核心，主要完成采集试验 各测点的数据，完成工程单位的转换，根据试验工况，解算控制算法控制设备，输出各种控 制信号的功能。时钟同步方式采用了多媒体定时器的时钟定时方式，即设置周期为T的时 钟，每一次触发完成数据采集控制一次。其算法描述如下①进入主循环之前，设置周期为 T的时钟定时；②主循环开始阻塞等待触发事件，该事件由任务管理模块(3101)触发；③接 收事件到进入本次循环处理，完成数据采集、控制算法解算等任务；④本次循环完成之后， 阻塞等待下一次触发事件。
*显示功能模块(3111):主要完成对试验流程的监控显示、试验数据的曲线显示、
试验报表的显示、以及历史数据的显示。它主要调用几个外部模块来完成该项功能包括流
程图显示模块(3404)、数据窗口显示模块(3405)、数据列表显示模块(3406)和曲线显示模
块(3407)。其中，流程图显示采用面向对象的设计方法，用图形绘制窗口类管理。流程图显
示窗口模拟试验的现场工作情况，把实时数据显示在实际的现场采样点附近，便于观察试
验状态。流程图采用Windows位图格式及24位真彩绘制，显示时调用此位图，并根据流程
图中测量点的位置建立了各个测量点的子窗口用于显示数据。试验数据用不同颜色以区别
是否超限报警。综合数据显示采用面向对象的设计方法，用数据窗口类管理。该窗口主要
显示试验数据表格、试验时间等。试验数据用不同颜色以区别是否超限报警。考虑到曲线
显示模块的通用性和可再用性，曲线绘制采用了面向对象的设计方法，设计了一个曲线窗
口类来管理。为了利用现有的MFC类库资源，该类可从窗口类继承并进行扩充。 *实时数据显示模块(3103):通过调用显示功能模块(3111)完成监控试验设备状
态，显示所有的参数信息，流程图窗口实时显示系统流程各测点的试验数据，曲线图窗口实
时绘制趋势图，综合数据显示窗口显示所有的试验数据在报警窗口显示报警信息，并且完
成各个显示页面的切换的功能。 *实时数据管理模块(3104):定时存储试验数据，即时打印试验数据，处理试验数 据，完成数据表格打印、曲线处理打印等，提供更方便外部接口。该模块采用数据库技术管 理试验数据，用数据文件的形式备份数据。其主要调用的外部模块为测量结果数据库模块 (3417)，通过该模块完成对试验结果数据库(3600)的读写操作。此部分数据是各时刻点现 场数据的集合，现场数据包括现场各测点的数值和时间戳。试验数据是测控系统的关键数
7据，为了保证不丢失和数据的安全性，同时也采用了数据库存储试验数据。在试验中数据量 不是很大，因而采用了Micosoft Access 2000中小型数据库来管理数据。数据库驱动接口 采用了ADO技术实现。在试验运行前，根据试验变量信息在数据库中动态创建数据表；试验 运行期，试验数据定时存入数据表中。 *控制功能模块(3112):本发明中采用较多的控制算法为PID控制算法。该功能 模块主要完成对控制参数包括P、 I、 D参数的记录和修改，以及对其它控制算法的选择。它 调用外部控制算法模块(3413)，根据用户选择的不同控制算法计算控制量。并且将计算结 果送给实时控制计算模块(3105)。 *实时控制计算模块(3105):该模块存在主控软件中，完成对控制参数的计算。首 先它由任务管理模块获得测量数据，并且由实验人员选择不同的控制算法后，通过该模块 访问控制功能模块(3112)，间接访问到外部控制算法模块(3413)，然后将控制量计算结果 实时的传给任务管理模块，再由实时数据测控模块将控制量输出给硬件，实现参数的控制 过程。 *实时数据传输模块(3106):主要完成与其它应用程序之间的数据交换功能，以 独立线程的模式存在，直接调用外部网络通信模块(3414)。由于系统中的网络通信只用于 主控部分和数据采集部分之间的数据通信，有一定的实时性要求，并且通信数据量不大，所 以比较适合采用无连接的UDP协议。TCP/IP的进程之间的通信经常使用C/S(客户/服务 器)方式。在本发明中，设计主控部分作为服务器端，数据采集部分作为客户端。前者不断 把采集的环境参数数据发送到指定IP上的特定端口，后者则不断读取数据，作相应的处理 应用。 *硬件功能模块(3113):主要具有硬件设备驱动(3803)的各项功能。可以调用外 部的串口通讯模块(3415)和设备通讯模块(3416)通过板卡(3802)、硬件模块(3804)、仪 表(3805)从传感器(3801)获得数据。 *硬件管理模块(3107):管理所有的硬件功能板卡，添加、删除硬件及其驱动程 序，进行硬件自测试、自诊断。该模块的主要通过调用硬件板卡提供的API接口函数对设备 进行操作，用户通过这些API函数与硬件设备进行交互和通讯，而对板卡的底层管理和操 作由API接口函数完成。这些与API接口函数屏蔽了不同的硬件设备在物理结构上的不同， 操作人员无需了解不同硬件的底层物理结构，也无须采用底层的汇编语言来操作各种功能 板卡，本发明针对需要调用的API接口函数的详细流程进行封装，以获得可以复用的设备 通讯模块，提供更简单的硬件操作接口供使用。 *初始化数据结构模块(3109):主要具有访问外部信息数据库，初始化试验信息 的功能。因此该模块的功能首先被调用，通过访问外部初始化数据库模块(3401)获得试 验信息数据库中的初始试验信息，并储存在内存中。操作人员可通过设置和管理功能模块 (3110)与该模块交互，修改试验信息数据，并再通过外部初始化数据库模块(3401)将本次 试验的信息数据保存入数据库，完成试验开始前的信息数据准备工作。
*设置和管理功能模块(3110):主要用于用户修改本次试验信息，并通过调用初 始化数据结构模块(3109)将修改后的试验信息存储在数据库中。此模块还通过调用外部 表达式计算模块(3402)和曲线计算模块(3403)修改试验需要的公式变量和设定曲线的函 数。使试验可按照特定的公式计算无法测量的参数如效率等。也可以使试验参数按照一定的设定曲线趋势变化。 数据采集部分(3200)与主控部分的内部功能具有相同的几个功能模块。本发明 根据数据采集不需要对测量参数进行控制的特点，设计了实时数据采集模块(3201)，该模 块的功能实现方法类同于实时数据测控模块(3102)的实现方法，根据试验要求不包括控 制算法解算的任务，只完成数据采集的任务。 同样，高速测量部分(3300)的功能包含的内部模块与数据采集部分(3200)几个 功能模块相同，但考虑需要较高的采样频率，本发明设计了高速数据采集模块(3301)。本 发明为了能够正确获得振动信号的实际情况，采样周期T设置为0. 1ms lms，所以需要在 实时采集线程的时钟中断方式中使用精度较高的定时器来确保采样周期的精度。如果采用 Windows API提供的多媒体定时器，定时范围只可以在1ms以上任意设置，而且计数精度仅 为30ms，误差较大不能满足要求。如果使用Sle印()函数，存在不仅误差较大，而且CPU占 用率较高的问题。考虑上述原因，在本发明中采用获得CPU内部定时器的时钟频率，然后在 需要定时的时间发生之前和发生之后分别获得两次计数值，并将两次获得的计数之差除以 时钟频率，计算出事件经历的精确时间的方法，其精度可达1 P s。高速采集线程每隔时间T 执行一次中断处理函数向其他线程发送事件触发其运行。 在本系统中包含的多个外部模块以控件的形式存在，供主控部分、数据采集部分 以及高速测量部分中的内部模块调用。有些外部模块又包含自己的子模块，这些外部模块 包括 *初始化数据库模块(3401):在初始化数据库模块中，采用直接使用ADO对象的方 法访问数据库，主要通过引入ADO动态链接库、初始化OLE/COM库环境、创建ADO与数据源 的连接方式获得数据库中的记录集、遍历记录集。主要功能是获得已有试验的信息，并初始 化本次试验的信息。试验信息数据包括试验的属性、试验人员、试验数据变量信息、传感器 信息、仪表信息、控制回路信息、1/0设备信息、各种网络参数信息等。 *表达式计算模块(3402):在程序中利用ActiveX Scripting实现对脚本语言的
支持以实现表达式等的编辑操作。该模块可以采用控件的方式进行封装设计。 *曲线计算模块(3403):该模块用于计算设定曲线的线形，将用户选择曲线的设
定值计算结果传递给主控程序。。该模块可以采用控件的方式进行封装设计。 *流程图显示模块(3404):该模块是重要的流程图监控模块，起到流程图的计算
机界面显示作用，主要职能包括流程程图的绘制，实时数据显示，实时控制设备的绘制与状
态显示，计算机数据报警显示的功能。其主要子模块包括电加热器绘制模块(3408)、数据
窗口绘制模块(3409)、流向线绘制模块(3410)、阀门绘制模块(3411)、状态指示灯绘制模
块(3412)。所有的绘图方法均采用Windows GDI绘图方式实现。 *数据窗口显示模块(3405):数据窗口显示的实现也是测控系统的用户界面的一 部分，这一部分主要采用了 MFC绘图机制来绘制或从打印机打印表格并显示实时测量试验 数据。 *数据列表显示模块(3406):实时进行数据列表的更新显示。该模块可以采用控 件的方式进行封装设计。 *曲线显示模块(3407):在监控系统中，对监控变量的监测以曲线监控的方式最 为直观有效。在试验中，试验员需要监测数据实时动态、需要察看历史曲线等等；试验后，检验系统控制精度，分析试验产品性能同样需要数据的曲线绘制。考虑到曲线显示模块的通
用性，曲线绘制采用了面向对象的设计方法，设计了曲线窗口类来管理。该类从窗口类继承
而来，并对之进行了扩充。设计曲线信息结构体，包含曲线名称、曲线索引，曲线颜色、曲线
线型、曲线线宽。曲线信息存放在数组里，因而曲线可动态增加和删除。 *智能控制算法接口模块(3413):该模块是为用户访问控制算法提供接口的重要
外部调用模块。 *网络通信模块(3414):网络通信模块采用当前流行的TCP/IP协议，主要起到到 网络管理层设备数据交互的作用。它主要通过网络来完成系统主控部分和数据采集两部分 之间的数据通讯、实现数据共享。该模块主要完成的任务包括主控部分向数据采集部分发 送主控部分的测量数据，数据采集部分接收主控部分发送的固定试验段测量数据，测试以 太网网络通讯。主控部分与数据采集部分的网络通讯的实现方法可采用MFC提供的应用程 序框架，使用Socket套接字来实现网络的连接和网络的数据传输。为提高网络通讯的速 度，选用数据报的方式，即UDP协议。 *串口通讯模块(3415):串口通信采用Windows API编程控制串口 。根据相应的 通信协议，实现串口设备包括仪表(3805)和硬件模块(3804)的各种功能操作函数。
*设备通讯模块(3416):系统中采用A/D，D/A，DI，D0等I/O功能板卡(3802)。设 备通讯模块的主要功能就是对上述各种I/O功能板进行管理访问操作。
*测量结果数据库模块(3417):测量结果数据库模块用于提供试验信息和试验结 果数据处理功能。该数据库是用于存储需要存储的试验信息和每次试验的结果数据，对于 试验信息需要建立一个简单的关系数据模型用于在数据库中存储试验信息，而对于试验结 果数据则采用每次试验开始时动态创建数据表的方式创建。 *数据处理系统部分(3500)主要完成对历史数据查看、曲线复现、以及数据分析 的功能。数据处理作为单独的部分设计。数据处理模块主要由表格打印及曲线处理打印两 个功能组成。同时为了试验数据的安全性和更强的处理能力，试验数据采用ADO技术，可以 转化到Access 2000数据库中，并可从该数据库中恢复试验数据；还采用了 COM技术将试验 数据转化为Excel文件，并可利用Excel强大的数据处理能力进一步的深入分析试验数据。
上述各部分模块功能可由软件实现。具体各模块的实现方式如图4至图16所示。
图4为任务管理模块(3101)实现流程，首先是进行初始化步骤(S310101)，主要 包括任务管理模块中的数据类型的初始化。进入退出判断(S310102)，如果用户选择退 出，则终止操作进入退出步骤，反之发送事件(S310103)通知其它线程启动。进入临界区 (S310104)对数据共享区的数据进行读共享区数据(S310105)的操作，根据用户对实验参 数的控制方式如自动、手动等设置控制状态(S310106)，根据用户对参数的是否报警的选择 和报警上下限的设置，进行是否报警(S310107)判断，如果该参数需要报警，并且实验参数 符合报警条件则置报警信息标志(S310108)，并进入离开临界区(S310109)步骤，否则直接 进入离开临界区的步骤。最后发送事件(S310110)通知其它线程进行相关操作。线程同步 操作实现步骤由图20给出。 图5为实时数据测控模块(3102)实现流程，首先是进行初始化步骤(S310201)， 主要包括实时数据测控模块中的数据类型的初始化。进入退出判断(S310202)，如果用户 选择退出，则终止操作进入退出步骤，反之进入等待触发事件(S310203)等待任务管理的触发事件。 一旦接收到触发事件后进行数据采集(S310204)步骤，包括调用串口通讯模块 (S310207)和调用设备通讯模块(S310205)步骤，完成后进入临界区(S310207)进行写共享 区数据(S310208)的操作，对于需要控制的试验参数进行控制算法结算(S310209)，然后输 出控制量通过D/A、 D/0(S310210)控制执行机构，最后离开临界区(S310211)，并回到步骤 (S310202)进行下一周期的循环。 图6为实时数据显示模块(3103)实现流程，首先是进行初始化步骤(S310301)，主 要包括实时数据显示模块中的数据类型的初始化。进入退出判断(S310302)，如果用户选 择退出，则终止操作进入退出步骤，反之进入等待触发事件(S310303)等待任务管理的触 发事件。 一旦接收到触发事件后置显示数据标志(S310304)步骤，进入临界区(S310305) 进行读共享区数据(S310206)的操作，然后离开临界区(S310207)，调用流程图显示模块 (S310308)显示系统流程图、调用曲线显示模块(S310309)显示曲线、调用数据列表显示 模块(S310310)显示数据列表，进行是否报警(S310311)判断，如果该参数需要报警显 示报警信息(S310312)并回到步骤(S310302)进行下一周期的循环，否则直接进入步骤 (S310302)。其中流程图显示模块(S310308)、曲线显示模块(S310309)、数据列表显示模块 (S310310)的流程在图11、图12、图13中具体介绍。 图7为实时数据管理模块(3104)实现流程，首先是进行初始化步骤(S310401)，主 要包括实时数据管理模块中的数据类型的初始化。进入退出判断(S310402)，如果用户选择 退出，则终止操作进入退出步骤，反之进入等待触发事件(S310403)等待任务管理的触发 事件。 一旦接收到触发事件后置数据存储标志(S310404)步骤，进入临界区(S310405)进 行读共享区数据(S310406)的操作，然后将试验数据存储于数据库(S310407)，置数据存储 完成标志(S310408)，离开临界区(S310409)，并回到步骤(S310402)进行下一周期的循环。
图8为实时数据传输模块(3106)实现流程，首先是进行初始化步骤(S310601)，主 要包括实时数据传输模块中的数据类型的初始化。进入退出判断(S310602)，如果用户选择 退出，则终止操作进入退出步骤，反之进入等待触发事件(S310603)等待任务管理的触发 事件。 一旦接收到触发事件后置进入临界区(S310604)进行读共享区数据(S310605)的操 作，获得网络数据(S310606)，然后离开临界区(S310207)，进行是否发送/接收(S310607) 判断，如果该参数需要进行发送/接收操作则传递给网络通讯模块(S310608)，最后离开临 界区(S310609)并回到步骤(S310602)进行下一周期的循环，否则回到步骤(S310606)继 续获得网络数据。其中网络通讯模块(S310608)的具体实现步骤在图14中详细介绍。
图9为实时数据采集模块(3201)实现流程，首先是进行初始化步骤(S320101)， 主要实时数据采集模块中的数据类型的初始化。初始化后等待其它线程就绪(S320102)， 设置周期为T的时钟定时(S320103)，并等待采集触发事件(S320104)，一旦接收到采集 事件之后进入查询运行状态(S320105)的步骤，当为运行状态时进入采集数据(S320106) 步骤，然后进入临界区(S320109)，执行写共享区数据(S320111)步骤，完成后离开临界区 (S320103)，并向其它线程发送事件(S320114)后回到等待触发事件步骤(S320104)。当查 询状态为停止时则进入停止处理(S320107)步骤，为其它时进入复位处理(S320108)，然后 通知其它线程退出(S3201110)，并等待其它线程退出(S320112)，最后退出。
图10为高速数据采集模块(3201)实现流程，首先是进行初始化步骤(S330101)， 主要高速数据采集模块中的数据类型的初始化。初始化后等待其它线程就绪(S330102)，
11设置周期为T的采样周期(S330103)，进入退出判断(S330104)的步骤，如果用户选择退 出，则终止操作进入退出步骤，反之进入等待触发事件(S330105)等待任务管理的触发事 件。 一旦接收到触发事件后首先判断数据是否溢出(S330106)，如果数据已经溢出则进入 是否存储数据(S330108)的判断，如果需要存储数据进入存储数据(S330109)，存储后退 出，不需要存储时直接退出。如果数据没有溢出则置运行状态(S330107)，进入精确定时 (S330110)，并进入临界区(S330111)，采集数据(S330112)，然后写共享区数据(S330113)， 离开临界区(S330114)，并回到步骤(S330104)进行下一周期的采集循环。
图11为流程图显示模块(3404)实现流程，首先是进行初始化步骤(S340101)，主 要高速数据采集模块中的数据类型的初始化。初始化后开启定时器(S340102)，进入是否停 止判断(S340103)步骤，如果用户选择退出，则终止操作停止定时器(S340104)进入退出步 骤，反之进入绘制流程图各元素(S340105)步骤。更新各部分数据(S340106)，将更新的数 据分别送绘制电加热器模块(S340107)、绘制数据子窗口模块(S340108)、绘制流向线模块 (S340109)、绘制阀门模块(S340110)、绘制状态指示灯模块(S340111)。最后置绘制完成标 志(S340112)，最后送屏幕显示(S340113)，并回到步骤(S330103)进行下一周期的显示循 环。 图12为数据列表显示模块(3405)实现流程，首先是进行初始化步骤(S340501)， 主要进行数据列表模块中的数据类型的初始化。初始化后开启定时器(S340502)，进入是否 停止判断(S340503)步骤，如果用户选择退出，则终止操作停止定时器(S340504)进入退出 步骤，反之进入绘制列表(S340505)步骤。更新各部分数据(S340506)，将更新的数据送屏 幕显示(S340507)，并回到步骤(S340503)进行下一周期的显示循环。 图13为曲线显示模块(3406)实现流程，首先是进行初始化步骤(S340601)，主要 进行曲线显示模块中的数据类型的初始化。初始化后开启定时器(S340602)，进入是否停 止判断(S340603)步骤，如果用户选择退出，则终止操作停止定时器(S340604)进入退出步 骤，反之进入绘制曲线(S340605)步骤。更新各部分数据(S340607)，将更新的数据送屏幕 显示(S340607)，并回到步骤(S340603)进行下一周期的显示循环。 图14为UDP网络通讯模块(3414)实现流程，首先在服务器端进行初始化步骤
(5341401) ，主要进行服务器端网络通讯中数据类型的初始化。初始化后开创键套接字
(5341402) ，设置地址和端口 (S341403)，进行退出事件是否有效判断(S341404)步骤，如 果用户选择退出，则终止操作进入退出步骤，反之则接收阻塞等待客户端数据并接收数据 (S341405)步骤。然后处理数据包(S341406)，最后发送数据(S341407)。在客户端进行初 始化步骤(S341408)，主要进行客户端网络通讯中数据类型的初始化。初始化后开创键套接 字(S341409)，进行退出事件是否有效判断(S341410)步骤，如果用户选择退出，则终止操 作进入退出步骤，反之则发送请求服务(S341411)。然后接收数据(S341412)，最后回到退 出事件是否有效(S341410)步骤进行下一循环。 图15为设备通讯模块(3416)实现流程，首先是进行设备初始化步骤(S341601)， 设置硬件属性(S341602)，打开硬件设备(S341603)，调用驱动函数(S341604)，进入模 拟量/数字量电压输入(S341605)，然后进入储存数据(S341606)步骤，判断是否重复 (S341607)，该判断为真的时候回到调用驱动函数(S341604)步骤，该判断结果为假时进入 关闭设备(S341608)步骤，执行退出操作。
图16为串口通讯模块(3415)实现流程，首先是进行打开串口 (S341501)操 作，然后进行串口初始化步骤(S341502)，主要高速数据采集模块中的数据类型的初始 化。初始化后开启定时器(S340102)，进入修改标志是否为真的判断(S341503)步骤，如 果此时标志为假，则进行读取数据操作，首先获取仪表地址、型号(S341504)，选择通讯命 令码(S341505)，发送通讯命令(S341506)，进入写串口成功判断(S314507)，写串口成功 判断结果为假则进行错误提示(S341512)，关闭串口 (S341526)后退出，写串口成功判断 结果为真的话进入读串口成功判断(S341508)，读串口成功判断结果为假则进行错误提 示(S341512)，关闭串口 (S341526)后退出，读串口成功判断结果为真则从返回码提取 状态数据(S341509)，进行数制转换(S341510)，将数据存储(S341511)，然后关闭串口 (S341526)后退出。当修改标志是否为真的判断(S341503)为真时进入修改仪表状态操 作，首先获取仪表地址、型号(S341513)，置仪表通讯状态(S341514)，进入修改控制状态 判断(S341515)，判断结果为真时进入自动/手动选择设定(S341518);进入修改设定值 判断(S341516)，判断结果为真时进入设定值转换为16进制整数(S341519);进入修改控 制参数判断(S341517)，判断结果为真时进入设置控制参数(S341520)操作；可根据仪表 功能扩充判断类型。判断结束后发送通讯命令(S341521)步骤。最后进入写串口成功判 断(S314522)，写串口成功判断结果为假则进行错误提示(S341524)，取消仪表通讯状态 (S341525)后关闭串口 (S341526)退出，写串口成功判断结果为真的话进入读串口成功判 断(S341523)，读串口成功判断结果为假则进行错误提示(S341524)，关闭串口 (S341526) 后退出，读串口成功判断结果为真时不进行错误提示直接取消仪表通讯状态(S341525)，然 后关闭串口 (S341526)后退出。 图17所示的，是根据本发明的一个实施例的多线程同步方案的流程图。在本发明 的一个示例性实施例中，根据系统的任务，系统划分了五个工作者任务管理线程、实时数 据测控线程、实时数据显示线程，实时数据管理线程、实时数据传输线程。系统中触发串口 通信的事件、触发板卡采集的事件、触发界面绘制线程的事件和触发网络线程的事件都属 于自动重置事件。每个周期需要由任务管理线程来协调运作。 图18所示的，是根据根据本发明的一个实施例的任务管理模块(3101)功能框 图。该模块具有发送测控事件(310101)触发实时数据测控模块(3102)、并从实时数据测 控模块(3102获取采集数据(310102)、控制流程处理(310103)、发送数据显示存储管理事 件(310104)给实时数据显示(3103)、实时数据管理(3104)、实时控制计算(3105)和实时 数据传输(3106)的功能。具体流程可参看图4。 图19显示的是根据本发明的一个实施例的面向对象的数据模型的关系图。本发 明所适用的测控系统中可具有很多数据信息，包括测量值(4100)、开关量(4115)、传感器 (4111)、公式值(4118)、控制量(4109)、报警量信息(4113)、控制回路(4108)等，它们具有 共同属性Id、Name等。因此设计基类"数据对象"，测量值、开关量、公式值、控制量、报警量 信息继承于基类"数据对象"。 对于测量值(4100)，其有PV等属性，以及操作这些属性的方法等。测量值信息的 值可以来自设备测量、公式计算或者网络接收。因此由测量值信息派生出"来自于设备的 测量值信息"(Device)、"来自于公式计算的测量值信息"(Equation)、"来自于网络的测量 值"(Net)，分别拥有自己的属性以及操作这些属性的方法。另外，他们将覆盖父类方法，以子类特殊的操作过程来实现对继承属性PV的操作。 公式值(4118)、控制量(4109)、报警量信息(4113)又分别有报警信息相关变量 (4114)、控制参数变量(4110)、报警信息相关变量(4114)的数据模型与之相对应。
同样，流程图(4101)、数据窗口 (4102)、流向线(4103)、流向线相关参数(4104)、 电加热器(4105)、阀门(4106)的数据模型中通过定义流程图ID(FlowChartID)相关联。
曲线(4116)和曲线相关参数的数据模型(4117)如图所示。 综合以上建立的面向对象数据模型以及对象之间的联系，通过关系数据模型和面 向对象数据模型的相互映射，将对象的消息集合和方法集合溶入由面向对象数据模型构建 的测控系统软件，通过测控系统软件来实现数据结构上的操作。 图20所示的，是根据本发明的一个实施例的数据库的功能结构图。数据库(500) 为界面编辑程序(508)和主控程序(509)提供信息数据的存取，为主控程序(509)和数据 采集程序(510)提供试验数据的保存，为网络程序(511)提供实时数据的更新。因此在其 数据管理模块(504)中设计信息数据存储子模块(505)、试验数据存储模块(506)、网络数 据刷新子模块(507)通过ADO接口完成磁盘管理器(501)对信息数据表(502)、试验数据表 (503)的存储。 图21所示的是根据本发明的一个实施例的远程网络监控方案的原理图。远程网 络监控是计算机通过浏览器向Web服务器(602)端发出请求，Web服务器处理后，调用相应 的ASP文件到数据库服务器(601)上进行查询，查询结果送回Web服务器后，以HTML页面 的形式返回到浏览器(603)。 在用户端浏览器所见到的是纯HTML表现的画面，例如用表格来表现的后台数据 库表中的字段内容。系统中的远程网络监控系统提供了测控系统(600)中流程界面测点 的数据监控(604)和测点的曲线监控(605)。在流程监控的界面，流程图作为网页的背 景，各测点处用表单显示测点数据。曲线监控采用网页上加载测控系统中设计的通用曲线 ActiveX控件，进行曲线显示。每周期测控系统将实时采集的数据写入数据库，ASP服务程 序则从数据库中读取采集信息，将数据实时显示在Web浏览器上。 0094] 图面标识
l传感器 2执行机构3系统控制台4数据采集装置 5主控计算机6采集计算机7打印机 8服务器 9防火墙IO路由器ll网络打印机12远程客户端 13信号电缆14通讯总线 15工业以太网 201系统控制台
3101任务管理(多线程) 3104实时数据管理 3107硬件管理 3110设置管理功能 3113硬件功能 3300振动信号高速效
0095] 0096] 0097] 0098] 0099] 0100] 0101] 0102] 0103] 0104] 0105] 0106] 0107]
3100主控部分 3103实时数据显示 3106实时数据传输 3109初始化数据结构 3112智能控制功能 3201实时数据采集
3401初始化数据库模块3402表达式计算模块 3404流程图显示模块3405数据窗口显示模块
3102实时数据测控 3105实时控制计算 3108运行功能 3111显示功能 3200数据采集部分 部分3301高速数据采集 3403曲线计算模块 3406数据列表显示模块
140108] 0109] 0110] 0111 ] 0112] 0113] 0114] 0115] 0116] 0117] 0118] 0119] 0120] 0121] 0122] 0123] 0124] 0125] 0126] 0127] 0128] 0129] 0130] 0131] 0132]
周期 0133] 0134] 0135]
退出 0136] 0137]
周期 0138] 0139] 0140] 0141] 0142] 0143]
3409数据窗口绘制模块 3412状态指示灯绘制模块 3415串口通讯模块
3407曲线显示模块3408电加热绘制模块 3410流向线绘制模块3411阀门绘制模块
3413智能控制算法接口模块3414网络通讯模块 . —......
3416设备通讯模块 3417量结果数据库模块3500数据处理系统部分
3600试验信息数据库 3700试验结果数据库 3800传感器
3802板卡 3803设备驱动 3804硬件模块 3805仪表
S310101任务管理初始化 S310102任务退出判断 S310103发送事件 S310104进入临界区 S310105读共享区数据 S310106设置控制状态
S310107报警判断S310108置报警信息标志S310109离开临界区 S310110发送事件
S310201实时数据初始化S310202退出判断 S310203等待触发事件 S310204采集数据 S310205调用设备通讯模块S310206调用串口通讯模块 S310207进入临界区S310208写共享区数据 S310209控制算法解算 S310210输出控制量(D/A、DO) S310211离开临界区
S310301实时数据初始化S310302数据显示退出判断
S310305进入临界区 S310308流程图显示 S310311报警判断 S310402退出判断 S310405进入临界区 S310408置数据存储完成标 S310602退出判断 S310605读共享区数据 S310608传递网络通讯模块 '化S320102等待其它线程就绪
S310304置显示数据标志 S310307离开临界区 S3103010数据列表显示 S310401数据管理初始化 S310404置数据存储标 S310407试验数据存储 S310601数据传输初始 S310604进入临界区 S310607发送接受判断 S320101数据传输初始
志
'化
S310303等待触发事件 S310306读共享区数据 S310309曲线显示模块 S310312显示报警信息 S310403等待触发事件 S310406读共享区 志S310409离开临界区 S310603等待触发事件 S310606获得网络数据 S310609离开临界区 S320103设置时钟中断
S320104等待采集事件 S320107停止处理
S320105查询运行状态 S320108复位处理
S320110通知其它线程退出S320111写共享区
S320106采集数据 S320109进入临界区 S320112等待其它线程
S320113离开临界区 S320114项其它线程发送事件S320115发送采集事件
S330101高速采集初始化S330102等待其它线程就绪 S330103设置时钟采样
S330104退出判断 S330107运行状态 S330110精确定时 S330113写共享区
S330106数据溢出判断 S330109存储数据 S330112采集数据
S330105等待触发事件 S330108数据存储判断 S330111进入临界区 S330114离开临界区 S340101流程图初始化S340102开启定时器 S340103停止判断
S340104停止定时器 S340105绘制流程图各元素S340106更新数据
S340107调用绘制电加热器模块 S340108调用绘制数据字窗口模块S340109调 用绘制流向线模块
0145] S340110调用绘制阀门模块S340111调用绘制状态指示灯模块S340112绘制完成 S340113显示
S340501数据列表显示初始化S340502开启定时器S340503停止判断 S340504停止定时器 S340505绘制列表S340506更新数据 S340507显示
S340601曲线显示初始化S340602开启定时器S340603停止判断 S340604停止定时器 S340605绘制曲线 S340606更新数据 S340607显示
S341401服务器通讯初始化S341402创建套接字S341403设置地址和端口 S341404退出判断 S341405等待数据 S341406处理数据包
S341407发送数据 S341408客户端通讯初始化S341409创建套接字
S341410退出判断 S341411发送请求服务S341412接受数据
S341501打开串口 S341502串口初始化S341503修改标志判断
S341504获取仪表地址型号S341505选择通讯命令码S341506发送通讯命令 S341507写串口成功判断 S341508读串口成功判断S341509从返回码提取状态
0146] 0147] 0148] 0149] 0150] 0151] 0152] 0153] 0154] 0155] 0156] 0157] 0158] 0159]
数据 0160] 0161] 0162] 0163] 0164] 0165] 0166] 0167] 0168] 0169] 0170] 0171] 0172] 0173] 0174] 0175] 0176] 0177] 0178] 0179] 0180]
S341510数制转换 S341513获取仪表地址、 S341516修改设定值 S341519数制转换 S341522写串口判断 S341525取消通讯状态 S341601设备初始化 S341604调用驱动函数 S341606存数 S341607重复判断 4100控变量数据模型 4103流向线数据模型 4106阀门数据模型 4109控制变量数据模型 4112设备数据模型 4115开关量数据模型 4118公式数据模型 500数据库功能结构 503试验数据表
S341511数据存储 S341512错误提示
型号S341514置仪表通讯状态S341515修改控制状态 S341517修改控制参数S341518自动/手动选择
S341521发送通讯命令 S341524错误提示
S341603打开设备 t电压输入
S341520设置控制参数 S341523读串口判断 S341526关闭串口 S341602设置硬件属性 S341605模拟量/数字〗
S341608关闭设备
4101流程图数据模型 4102数据窗口数据模型 4104流向线参数数据模型4105电加热器数据模型 4107网络参数数据模型4108控制回路数据模型
4110控制参数数据模型
4113报警变量数据模型
4116曲线数据模型
4119公式参数数据模型
501磁盘管理器
4111传感器数据模型 4114报警参数数据模型 4117曲线参数数据模型
502信息数据表 505信息数据存储子模块
504数据管理模块 506试验数据存储子模块507网络数据刷新子模块508界面编辑程序 509主控程序 510数据采集程序 511网络程序
16
600测控系统 601数据库服务器 602网页服务器 603网页浏览器 604流程监控功能 605曲线监控功能
权利要求
多参数实时测控系统，其特征在于包括主控部分(3100)，用于采集和控制环境参数；实时数据采集部分(3200)，用于采集在所述主控部分所控制的环境中的测试结果；试验结果数据库(3600)，用于被所述主控部分(3100)和所述实时数据采集部分(3200)中的至少一个所存取。
2. 根据权利要求1所述的多参数实时测控系统，其特征在于进一步包括 高速数据采集部分(3300)，用于对所述主控部分所控制的环境中的测试结果进行高速采集。
3. 根据权利要求2所述的多参数实时测控系统，其特征在于进一步包括 网络通信部分(3414)，所述主控部分和所述数据采集部分通过所述网络通信部分而实现通信连接、数据交换、监控中的至少一种功能。
4. 根据权利要求3所述的多参数实时测控系统，其特征在于进一步包括 流程图显示部分(3404)，用于根据来自主控部分和实时数据采集部分中的至少一个的数据，进行相应的流程图显示。
5. 根据权利要求1所述的多参数实时测控系统，其特征在于所述主控部分进一步包括主控任务管理部分(3101)，主控实时数据测控部分(3102)，用于进行环境控制参数的采集； 主控实时数据显示部分(3103)，用于完成相关的显示；主控实时数据管理部分(3104)，用于进行与所述多参数实时测控系统的试验数据有关 的操作；主控实时数据传输部分(3106)，用于进行与所述主控部分之外的所述多参数实时测控 系统的各部分的数据交换，其中所述主控任务管理部分(3101)对所述主控实时数据测控部分(3102)、所述主控 实时数据显示部分(3103)、所述主控实时数据管理部分(3104)、所述主控实时数据传输部 分(3106)的工作和数据交互进行控制和协调。
6. 根据权利要求5所述的多参数实时测控系统，其特征在于，所述主控任务管理部分 (3101)进一步包括:主控测控事件触发部分，用于向所述主控实时数据测控部分(3102)发送主控测控事件；主控控制流程部分，进行主控流程有关的控制流程处理；主控显示/管理/传输事件触发部分，用于向所述主控实时数据显示部分(3103)、所述 主控实时数据管理部分(3104)、所述主控实时数据传输部分(3106)中的至少一个发送相 关处理的触发事件。
7. 根据权利要求5所述的多参数实时测控系统，其特征在于所述主控部分进一步包括主控实时控制计算模块(3105)，用于根据从所述主控任务管理部分获得的测量数据， 完成对控制参数的计算。
8. 根据权利要求5所述的多参数实时测控系统，其特征在于所述主控实时数据显示部分(3103)能够进行包括流程图显示、曲线显示、数据列表的多种显示。
9. 根据权利要求5所述的多参数实时测控系统，其特征在于所述主控部分进一步包括主控硬件管理部分(3107)，用于管理所述主控部分的硬件功能板卡。
10. 根据权利要求2-9中任何一项所述的多参数实时测控系统，其特征在于 所述实时数据采集部分(3200)进一步包括 数据采集任务管理部分；数据采集实时数据显示部分，用于完成相关的显示；数据采集实时数据管理部分，用于进行与所述多参数实时测控系统的试验数据有关的 操作；数据采集实时数据传输部分，用于进行与所述实时数据采集部分之外的所述多参数实 时测控系统的各部分的数据交换，其中所述数据采集任务管理部分对所述数据采集实时数据显示部分、所述数据采集实 时数据管理部分、所述数据采集实时数据传输部分的工作和数据交互进行控制和协调；所述高速数据采集部分(3300)进一步包括高速采集任务管理部分；高速采集实时数据显示部分，用于完成相关的显示；高速采集实时数据管理部分，用于进行与所述多参数实时测控系统的试验数据有关的 操作；高速数据采集部分，用于对所述主控部分所控制的环境中的测试结果进行高速采集， 其中所述高速采集任务管理部分对所述高速采集实时数据显示部分、所述高速采集实 时数据管理部分、所述高速数据采集部分的工作和数据交互进行控制和协调。
全文摘要
一种环境参数的集散式测控系统。其功能实现方法具有模块化、通用化的特点，主要由主控部分模块、数据采集部分模块、振动信号高速测量部分模块、数据处理系统部分模块组成。该测控系统具有较高的可靠性、稳定性，满足了用户现代化管理试验的需求。可用于多项环境模拟试验中包括双路热动力试验，低气压与温度冲击试验，温度高度试验，砂尘环境试验，高空环境模拟舱试验等多项环境模拟试验的测控系统中，提高了大型综合环境模拟试验设备的试验效率，节省试验时间和经费，具有良好的经济效益。
文档编号G05B19/418GK101751024SQ20081023982
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月12日 优先权日2008年12月12日
发明者刘旺开, 李可, 沈为群, 王浚 申请人:北京航空航天大学