摘 要： 為了滿足多用戶同時進行空氣壓縮機性能實驗的要求，設計了基于數據采集單元和計算機網絡的實驗測試系統。數據采集單元由16位微控制器MC9S12XET256和以太網控制器組成，測量空氣壓縮機的壓力和轉速，接收來自網絡的命令并上傳數據。計算機網絡采用客戶機/服務器的結構，客戶機通過服務器分時共享硬件資源。服務器負責轉發數據和客戶機的采集命令，接收和保存客戶機的實驗結果；客戶機負責數據的處理，繪制示功圖并上傳實驗結果。實際應用結果表明，該系統可以滿足多達253個用戶共同實驗，實驗教學的質量和時效性大為提高。
關鍵詞： 空氣壓縮機；實驗測試系統；以太網；多線程通信
活塞式空氣壓縮機作為一種通用設備，廣泛用于工業和民用等領域，其性能一般是通過實驗測量示功圖來評判。示功圖是指壓縮機一個工作循環中活塞處于不同位置時，氣缸內氣體壓力變化的曲線。根據示功圖可以計算壓縮機的平均指示壓力、指示功率、氣缸內的實際壓比等，進而確定最節能的設計工況點[1-2]。目前實驗室所用空氣壓縮機實驗臺由交流電機驅動的空氣壓縮機、計算機、打印機、求積儀等組成，實驗時，先根據采集軟件的提示測量環境大氣壓力，然后啟動空氣壓縮機，在計算機上操作軟件，采集壓力數據，打印示功圖，用求積儀測定示功圖上不同部分的面積，在圖上量出對應線段的長度，計算各性能參數。實驗過程耗時長、過程繁瑣、效率低，且不能保證每個實驗參與者獨立自主完成實驗。
利用以太網作為通信網絡，配合基于網絡接口的數據采集系統和C/S模式運行的后臺(服務端和客戶端)管理軟件，用戶可以快速靈活地控制和訪問采集設備[3-4]。為此，通過對空氣壓縮機試驗臺進行升級改造，設計了基于以太網的實驗測試系統，使得一套實驗設備可以與多臺計算機聯網，允許多個用戶同時獨立進行實驗，只需在客戶機上操作客戶端軟件，即可進行實驗數據的分析和計算，從而提高實驗教學效果。
1 實驗測試系統基本結構
實驗測試系統由數據采集單元和運行后臺管理軟件的計算機網絡系統組成，如圖1所示。數據采集單元通過單片機的輸入捕捉模塊測量空氣壓縮機的旋轉周期并計算轉速，利用周期中斷定時器定時觸發氣缸壓力信號采樣，按照采樣周期計算采樣的轉角間隔，并將采集到的數據通過以太網傳輸到安裝服務端軟件的計算機（服務器）上。服務器負責轉發數據采集命令、采集數據和接收客戶機上傳的實驗結果。客戶機作為人機交互設備，負責數據采集命令的發布、數據的處理和分析、繪制示功圖以及上傳實驗結果。
2 數據采集單元硬件設計
2.1 主控制器模塊
數據采集單元的核心采用Freesacle的MC9S12XET256單片機，該芯片集成有12位分辨率的高速A/D轉換模塊、增強型定時器（ECT）模塊和大容量的RAM。采用片上A/D模塊和ECT的輸入捕捉模塊可使系統硬件結構緊湊，提高可靠性。以太網通信采用RTL8019AS以太網控制器，全雙工峰值通信速率可達10 Mbit/s。
2.2 壓力信號測量電路
壓縮機氣缸壓力測量電路如圖2所示。來自壓力變送器的信號通過一階低通濾波器進行濾波，并經過一個電壓跟隨器和限幅電路后，由單片機的A/D模塊轉換為數字信號。電壓跟隨器用于緩沖、隔離，提高帶載能力和阻抗匹配。限幅電路的作用是將信號的幅值限制在0～5 V，保護A/D轉換模塊。
2.3 壓縮機轉速測量電路
壓縮機的飛輪邊緣上安裝有一個磁鋼，磁電轉速傳感器固定在壓縮機的機身上，每轉產生一個轉速脈沖。傳感器的輸出信號通過整形電路變換成0～5 V方波，由單片機的輸入捕捉模塊測量轉速。信號調理電路如圖3所示。
3 數據采集單元軟件設計
數據采集采用定時方式，根據壓縮機的最高轉速和角度分辨率（0.25° CA）要求，確定采樣周期為30 μs。利用單片機內的周期中斷定時器使其每隔30 μs產生一次中斷，在定時器中斷服務程序中觸發一次A/D轉換，相鄰兩個采樣點對應的角度α為：
α=6·n·T(1)
其中，n為轉速（r/min），T為采樣周期（s）。
數據采集流程如圖4所示。當數據采集單元收到來自服務器的采集命令時，使能單片機的輸入捕捉模塊，并將記錄轉速脈沖的變量n賦值為0。當捕捉到壓縮機轉速脈沖信號后，將變量n賦值為1，同時記錄該脈沖的時刻，并使能定時器，定時器周期性觸發A/D采集。當輸入捕捉模塊捕捉到下一個轉速脈沖信號，表明壓縮機曲軸已經轉過一圈，一個循環的數據采集已經完成，于是，結束采集任務并記錄第二個轉速脈沖發生的時刻，把測量數據臨時保存在單片機的RAM中，并觸發數據傳送任務，將數據傳送到服務器。
4 后臺管理軟件
后臺管理軟件是一個基于UDP協議，以C/S模式運行的網絡應用程序，分為服務端軟件和客戶端軟件，采用面向對象可視化的編程環境Visual Basic.NET 2010開發。
4.1 服務端軟件
服務端軟件啟動后，將調用My.Settings訪問用戶和應用程序級設置[5]，初始化配置參數。當用戶啟動通信后，服務端軟件將創建6個Socket的UDP對象，其中3個UDP對象用于發送命令和數據；另外3個UDP對象用于創建監聽不同端口的線程，分別監聽8000、8001、8002端口，分別對應前臺數據接收端口、客戶機采集命令接收端口和客戶機實驗結果接收端口。建立UDP對象和線程，服務器將等待客戶端發送采集命令。當UDP的監聽線程監聽的端口出現數據時，UDP線程通過自定義類的事件代理，觸發接收數據和協議解析事件[6]。當服務端發送命令和數據時，會把目的IP地址和數據寫入到其中一個UDP對象中，并創建一個臨時線程，把數據發送到指定的IP地址上。數據發送完成后撤銷臨時線程，釋放硬件資源。
當服務器的8001端口出現數據，服務端將記錄客戶機發送數據的源IP地址，并把收到的數據轉發到數據采集單元中，啟動數據采集。當服務器收到數據后，立即把數據組包轉發到提出請求的IP地址客戶機上，從而減少數據采集單元的通信負擔。數據采集單元只響應服務器的命令請求和發送數據，所有命令和數據均由服務器轉發。
如圖5所示，當服務器收到多個客戶機發出數據采集請求時，服務端把多臺客戶機的IP地址和請求命令保存到地址數組中，并使請求地址指針Pt1指向最新寫入的地址，檢查采集標志CFlag是否為0，若為0，則啟動地址比較定時器ADT1。ADT1事件中將比較請求地址指針Pt1和應答地址指針Pt2是否一致，當Pt2<Pt1時，說明服務端有未應答的請求，將提取Pt2指向的IP地址和采集命令，然后將Pt2指向下一個地址，關閉定時器ADT1并把CFlag置為1，把采集命令發送到采集單元，等待接收數據。當采集到的數據接收并組包完成后，把數據發送到提取的IP地址的客戶機，并打開定時器ADT1，從而完成一個客戶機的請求響應。服務端將繼續等待一個定時器ADT1事件，當Pt2=Pt1時，軟件把CFlag置為0，關閉定時器ADT1。
服務器的8002端口收到數據時，說明有客戶機在上傳實驗結果，服務端收到數據協議包后，提取用戶信息、實驗報告和分包個數，然后等待接收分包的數據，直到接收的分包數據個數與數據協議包中的個數相等時，再根據數據包的編號進行組包處理，還原示功圖數據并保存至服務器。
4.2 客戶端軟件
客戶端軟件安裝在客戶機上，是壓縮機性能實驗人機交互的關鍵部分。客戶端發送采集命令后，將會收到服務端返回的數據，客戶端軟件負責對數據進行處理和繪制示功圖，提交實驗結果[7]。
4.2.1 數字濾波處理
數據采集模塊采集到的數據可能包含一些干擾，為此采用滑動平均數字濾波對數據處理，如式（2）所示。該算法較為簡單，對于抑制隨機噪聲并保留陡峭邊沿非常有效。
其中，Pi和Vi分別是第i個采樣點對應的氣缸壓力和工作容積。
客戶端軟件對壓力數據濾波和計算處理后，繪制的P-α和P-V示功圖如圖6所示。
4.2.3 實驗結果的生成和上傳
客戶端完成數據采集后，用戶根據軟件繪出的示功圖分析容積效率和多變指數因數。客戶端軟件隨后自動生成一個數據協議包和若干個分包數據。數據協議包包含用戶信息、實驗報告內容和示功圖數據分包的個數。每個分包數據包大小為30 KB，根據示功圖截圖的數據生成，其編號用于服務端組包。客戶端發送數據時，先發送數據協議包，再發送分包數據。服務端軟件收到數據協議包和分包數據后，進行組包處理。
通過對空氣壓縮機試驗臺進行升級改造，利用MC9S12XET256單片機設計了數據采集單元，采用Visual Basic.NET開發了基于以太網的后臺（服務端和客戶端）管理軟件。該管理軟件具有以下優點：
（1）利用MC9S12XET256的輸入捕捉模塊測量轉速，采用單片機內置的周期中斷定時器和A/D模塊采集壓力數據，采樣轉角間隔可達0.25° CA。
（2）利用多線程和UDP協議，實現數據采集、實驗結果的發送和接收。客戶端利用滑動平均濾波對采集數據進行處理，繪出P-α和P-V示功圖。
（3）大批量、多人次的使用表明，該系統完全滿足多達253個用戶同時實驗，操作方便，提高了實驗效率；實驗結果保存在服務器中，便于管理；每個用戶獨立完成實驗，提高了實驗教學效果。
參考文獻
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