鐘澤宇, 吳 可, 吳秋軒*, 周華俊, 尤 磊, 吳 珍

(1.杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,浙江 杭州 310018; 2.河南科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;3.上海航天控制技術(shù)研究所,上海 201108)

微飛輪在衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中作為力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過(guò)變速旋轉(zhuǎn)提供反作用力矩實(shí)現(xiàn)動(dòng)量交換和儲(chǔ)存,從而完成能量?jī)?chǔ)存或姿態(tài)控制任務(wù),具有控制精度高、燃料消耗少、使用靈活性大等特點(diǎn)[1]。對(duì)于采用微飛輪作為姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的衛(wèi)星,若微飛輪發(fā)生故障,即使該衛(wèi)星其他部件工作正常,但由于姿控系統(tǒng)的失效,衛(wèi)星也無(wú)法正常地完成其設(shè)計(jì)任務(wù),變?yōu)椤疤绽?。因此微飛輪姿控系統(tǒng)的壽命是衛(wèi)星運(yùn)行壽命的重要組成因素,故對(duì)微飛輪進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試是非常有必要的[2]。

在國(guó)內(nèi),自動(dòng)化測(cè)試發(fā)展相對(duì)較晚,當(dāng)前我國(guó)的微飛輪自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)依然處于起步階段[3],具有下述一些不足:目前一套系統(tǒng)僅滿足一種測(cè)試功能和一種型號(hào)產(chǎn)品的測(cè)試需求,測(cè)試設(shè)備冗余度較高;大部分測(cè)試過(guò)程操作較為煩瑣、測(cè)試周期較長(zhǎng)、測(cè)試準(zhǔn)確度依賴于人員測(cè)試水平[4],軟硬件模塊化程度還不夠高,不方便后續(xù)維護(hù)拓展;在進(jìn)行測(cè)試時(shí)必須有工作人員在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試流程[5]。針對(duì)上述不足,本文主要解決測(cè)試系統(tǒng)通用化、多功能化的問(wèn)題,并從智能化、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化方面對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行研究。研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)包括兩個(gè)部分:信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)和上位機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)。

為驗(yàn)證該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是否滿足測(cè)試需求,分別從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、測(cè)試效率方面進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且測(cè)試精度和效率均能滿足需求。

1 微飛輪測(cè)試系統(tǒng)需求分析與功能提煉

該任務(wù)是為了實(shí)現(xiàn)多種型號(hào)反作用微飛輪的配電和電性能測(cè)試,用于后續(xù)多型號(hào)反作用微飛輪組件的試驗(yàn)和篩選任務(wù),并同時(shí)兼容成熟型譜產(chǎn)品的批產(chǎn)單板試驗(yàn)、篩選任務(wù)和批產(chǎn)整機(jī)篩選任務(wù)[6]。設(shè)計(jì)的微飛輪測(cè)試系統(tǒng)需要提高微飛輪在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試的效率,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試,降低實(shí)驗(yàn)人員在測(cè)試過(guò)程中的參與度,進(jìn)而提高測(cè)試過(guò)程的可靠性和測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性。對(duì)微飛輪測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下。

(1) 微飛輪測(cè)試系統(tǒng),用于微飛輪單板和微飛輪整機(jī)的功能測(cè)試、驗(yàn)收級(jí)測(cè)試和老煉測(cè)試。如圖1所示,每個(gè)單項(xiàng)測(cè)試可作為微飛輪的功能測(cè)試,一鍵測(cè)試(多個(gè)單項(xiàng)測(cè)試組合)則可作為微飛輪驗(yàn)收級(jí)測(cè)試,針對(duì)微飛輪單板還需有老煉測(cè)試模式。

圖1 通用化多功能微飛輪測(cè)試系統(tǒng)功能目標(biāo)

(2) 微飛輪整機(jī)測(cè)試功能要求測(cè)試臺(tái)能夠同時(shí)對(duì)6臺(tái)微飛輪進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)測(cè)量功能鍵,能夠?qū)︼w輪整機(jī)進(jìn)行恒速模式測(cè)試、力矩模式測(cè)試和電流模式測(cè)試。

(3) 微飛輪單板測(cè)試功能要求測(cè)試臺(tái)能夠一次測(cè)試6臺(tái)微飛輪控制板,通過(guò)測(cè)量功能鍵,能夠?qū)ξw輪單板進(jìn)行二次電源電壓測(cè)試、驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試、電流通信口測(cè)試、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向信號(hào)測(cè)試、串口通信測(cè)試和熱敏電阻測(cè)試。除此之外,測(cè)試臺(tái)還需要具備老煉測(cè)試模式。由于單板測(cè)試功能的特殊性,硬件模塊較多,故需要每個(gè)硬件模擁有獨(dú)立的調(diào)試窗口以備后續(xù)調(diào)試。

(4) 要求測(cè)試系統(tǒng)兼容多種型號(hào)微飛輪,并且方便后期拓展新型號(hào)的微飛輪。

(5) 要求整個(gè)測(cè)試流程全程自動(dòng)完成,測(cè)試結(jié)束后計(jì)算機(jī)可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫(kù)存檔和報(bào)表生成。

(6) 需要保證微飛輪測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和測(cè)試系統(tǒng)軟件和硬件的安全性,保障設(shè)備能連續(xù)加電長(zhǎng)期工作(不小于480 h)。能進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控。

2 微飛輪測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微飛輪自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)包括需求分析、理論分析、試驗(yàn)研究、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、軟硬件聯(lián)合功能測(cè)試、功能驗(yàn)證、恒久測(cè)試等流程[7]。恒久測(cè)試即長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行測(cè)試,是很重要的一環(huán),一方面驗(yàn)證硬件的穩(wěn)定性,另一方面驗(yàn)證軟件的穩(wěn)定性[8]。在恒久測(cè)試基礎(chǔ)上要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。對(duì)系統(tǒng)做出改進(jìn)之后再進(jìn)行恒久測(cè)試,以形成有正反饋的閉環(huán)測(cè)試流程。

微飛輪自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。微飛輪自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)都采用了分層化、模塊化設(shè)計(jì),其中硬件系統(tǒng)分為模塊集成、電源系統(tǒng)、信號(hào)復(fù)用集成和主控計(jì)算機(jī)四部分,軟件系統(tǒng)分為人機(jī)交互、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)處理層和硬件交互層4層。

圖2 微飛輪測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

測(cè)試系統(tǒng)面向的微飛輪測(cè)試主要是微飛輪整機(jī)和微飛輪單板2類,并且2種測(cè)試在測(cè)試過(guò)程和數(shù)據(jù)分析兩方面都存在一定差異,所以將整個(gè)微飛輪測(cè)試系統(tǒng)也分為2個(gè)功能來(lái)滿足對(duì)應(yīng)的測(cè)試需求,功能的劃分在軟件設(shè)計(jì)方面體現(xiàn)得更明顯。如此劃分測(cè)試系統(tǒng)面向通用化、多功能化,能降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度,提高設(shè)備使用率。

2.1 微飛輪測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為4部分:模塊集成、信號(hào)復(fù)用集成、電源系統(tǒng)集成和主控計(jì)算機(jī)。整體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,其中箭頭方向代表模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的流向。

模塊集成部分是自研發(fā)的或者集成其他精密器件的集成電路模塊。信號(hào)復(fù)用集成部分是針對(duì)要采集的信號(hào)所研發(fā)的集成電路板,其中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和差分信號(hào)會(huì)被數(shù)據(jù)采集卡采集到主控計(jì)算機(jī)中,而轉(zhuǎn)速采集模塊由計(jì)算機(jī)直接交互獲取。電源系統(tǒng)集成部分給系統(tǒng)各個(gè)電路板、硬件模塊和產(chǎn)品提供電源,其中的可編程電源可以通過(guò)主控計(jì)算機(jī)來(lái)設(shè)置和讀取電源的電壓和電流值。主控計(jì)算機(jī)采用的是工業(yè)控制計(jì)算機(jī),能在比較差的環(huán)境中穩(wěn)定工作,內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡和多種通信卡以滿足和硬件的交互需求。

數(shù)據(jù)采集卡使用的是PCIE-1816H型號(hào),主要用于控制繼電器和采集模擬信號(hào)。采集卡能夠測(cè)量的信號(hào)電壓為15 V,但要接入采集卡的原始驅(qū)動(dòng)信號(hào)和微飛輪電壓信號(hào)高達(dá)28 V,并且要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行有效隔離,故需要隔離放大電路將模擬信號(hào)進(jìn)行隔離放大處理。信號(hào)輸入處理電路圖如圖4所示。

R23與R24電阻對(duì)輸入信號(hào)起分壓作用,分別選用1 000 kΩ與51 kΩ,設(shè)3號(hào)引腳INA+輸入電壓為Vout,則其分壓結(jié)果為

(1)

分壓輸出結(jié)果經(jīng)過(guò)OPA2376運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器輸出為Ain,其數(shù)值與Vout相等。運(yùn)放供電電源GADD1

為經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓輸出的5 V電壓。電容C33為濾波電容。經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)Ain便可接入圖5中AMC1301的輸入端Ain。

圖5 運(yùn)放隔離電路圖

信號(hào)輸入到AMC1301芯片后,在芯片內(nèi)部進(jìn)行隔離處理,其輸出結(jié)果經(jīng)過(guò)單端供電的AD8605運(yùn)放所構(gòu)成的差分放大器輸出,端口VOP1-VOUT即為最終隔離輸出信號(hào)。

內(nèi)部電源電壓界為穩(wěn)壓器所輸出的電壓5 V,故系統(tǒng)可將±5 V的采樣輸入信號(hào)隔離輸出為0～5 V直流電壓,輸入與輸出呈線性關(guān)系(其中8.2為AMC1301隔離放大器標(biāo)稱增益):

(2)

故:

VOP1-VOUT=0.397 9Vin+2.5

(3)

在采集卡采集到數(shù)據(jù)之后,再根據(jù)式(3)進(jìn)行逆向處理即可得到原始波形數(shù)據(jù)。

測(cè)試系統(tǒng)可以滿足微飛輪整機(jī)和微飛輪單板2種測(cè)試需求。微飛輪整機(jī)測(cè)試功能面向的是微飛輪完整的產(chǎn)品,主要測(cè)試產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能,其測(cè)試項(xiàng)目主要靠軟件控制微飛輪實(shí)現(xiàn)。微飛輪的轉(zhuǎn)速、電壓和電流等本體原始數(shù)據(jù)都是計(jì)算機(jī)與微飛輪產(chǎn)品直接交互所獲取的,而微飛輪的供電電壓和電流通過(guò)高精度的電壓電流傳感器模塊,然后由數(shù)據(jù)采集卡采集。微飛輪整機(jī)測(cè)試所需要的硬件模塊有PCIE-1816H采集模塊、電壓電流傳感器模塊和繼電器模塊。由于微飛輪整機(jī)測(cè)試交互的硬件模塊較少,故使用了6套硬件模塊以滿足6路整機(jī)并行測(cè)試。

微飛輪單板測(cè)試功能面向的是微飛輪單板產(chǎn)品,需要模擬直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速、霍爾信號(hào)、電機(jī)軸承溫度和電機(jī)電流,還需要采集控制板輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向信號(hào)(差分信號(hào)),所以單板測(cè)試功能需要的硬件比較多,對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生和采集要求都比較高,故所需要的硬件模塊設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。硬件采用“一拖六”的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了一次測(cè)試6個(gè)微飛輪單板產(chǎn)品。具體是在對(duì)微飛輪單板產(chǎn)生輸入信號(hào)的模塊(線性HALL發(fā)生模塊、HALL位置發(fā)生模塊等)和采集微飛輪單板輸出信號(hào)的模塊(信號(hào)復(fù)用集成部分中的模塊)中使用了信號(hào)調(diào)理電路。電路板共包含6路通道,在某一路產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試時(shí)控制該路的繼電器對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行上電操作,并通過(guò)I/O信號(hào)控制模塊接通該路對(duì)控制板所有的輸入、輸出電路,實(shí)現(xiàn)電源部分的轉(zhuǎn)換、采樣通道的選擇,完成其他電路之間的連接。實(shí)現(xiàn)對(duì)6路微飛輪單板產(chǎn)品的串行測(cè)試。

微飛輪單板和微飛輪整機(jī)通過(guò)統(tǒng)一硬件接口的公共信號(hào)分配板與對(duì)應(yīng)測(cè)試需要的硬件模塊連接,測(cè)試時(shí)計(jì)算機(jī)程序會(huì)調(diào)用不同的硬件模塊,使用一套硬件設(shè)備就可以滿足單板測(cè)試和整機(jī)測(cè)試2個(gè)測(cè)試功能。

2.2 微飛輪測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

硬件是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的支撐,計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。隨著總線技術(shù)以及集成技術(shù)的發(fā)展,硬件逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建過(guò)程不再煩瑣,在將硬件接口根據(jù)功能抽象、提煉、集成之后,硬件測(cè)試功能的實(shí)現(xiàn)也更多地依賴軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)[9]。常見的桌面端軟件開發(fā)平臺(tái)有Qt、MFC和WPF[10]。越來(lái)越多產(chǎn)品開發(fā)運(yùn)用Qt并且不斷豐富Qt的接口函數(shù),這就使得Qt具有移植性強(qiáng)、易用性高及運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)。Qt特有的信號(hào)與槽的機(jī)制在UI交互設(shè)計(jì)、通信開發(fā)、子線程調(diào)用和線程間通信上都發(fā)揮著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[11-12]。Qt對(duì)串口、多線程、對(duì)話框、計(jì)時(shí)器功能封裝得十分完善,除此之外,Qt支持的第三方QCustomPlot庫(kù)用來(lái)繪制高質(zhì)量的曲線圖時(shí)非常方便[13]。故本測(cè)試系統(tǒng)軟件使用Qt進(jìn)行開發(fā)。

微飛輪測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)分層圖如圖6所示,將軟件系統(tǒng)分成了4層——人機(jī)交互層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)處理層和設(shè)備交互層,后文將圍繞這四大分層的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2.2.1 軟件設(shè)備交互層設(shè)計(jì)

設(shè)備交互層位于軟件結(jié)構(gòu)分層的最底層,是直接與硬件交互的部分,其設(shè)計(jì)重難點(diǎn)有兩方面:一方面是結(jié)合硬件對(duì)通用化多功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn);另一方面是對(duì)各個(gè)硬件的交互功能進(jìn)行封裝。

微飛輪分為多種型號(hào),不同型號(hào)的微飛輪有不同的通信種類、通信協(xié)議和物理參數(shù),使得目前測(cè)試系統(tǒng)通用化存在一定障礙;此外,同型號(hào)的微飛輪需要進(jìn)行微飛輪單板(控制電路板)測(cè)試和微飛輪整機(jī)測(cè)試,這也要求測(cè)試系統(tǒng)在多功能方向上進(jìn)行擴(kuò)展。

為解決微飛輪產(chǎn)品的型號(hào)兼容和功能拓展問(wèn)題,設(shè)計(jì)微飛輪產(chǎn)品UML類關(guān)系圖如圖7所示。微飛輪基類封裝著單板和整機(jī)共有的數(shù)據(jù)(實(shí)驗(yàn)ID、測(cè)試場(chǎng)地、測(cè)試人員、供電電壓電流等)和方法(微飛輪產(chǎn)品的通信建立、遙測(cè)數(shù)據(jù)的查詢和解析等)。微飛輪單板基類和微飛輪整機(jī)基類共同繼承著微飛輪基類,分別表示微飛輪單板和微飛輪整機(jī),在兩者公有的數(shù)據(jù)和方法中分別添加了面向單板測(cè)試和面向整機(jī)測(cè)試所特有的方法和數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)功能的拓展。微飛輪單板具體型號(hào)的子類繼承了微飛輪單板基類,子類會(huì)重寫基類中例如遙測(cè)數(shù)據(jù)解析等與產(chǎn)品型號(hào)相關(guān)的虛函數(shù),通過(guò)函數(shù)的晚綁定來(lái)根據(jù)產(chǎn)品所選型號(hào)調(diào)用相應(yīng)的接口函數(shù),以兼容不同型號(hào)的產(chǎn)品所帶來(lái)的變化。微飛輪整機(jī)也以同理的設(shè)計(jì)達(dá)到對(duì)各個(gè)型號(hào)產(chǎn)品的兼容。

圖7 微飛輪產(chǎn)品UML類關(guān)系圖

設(shè)備交互層中,只有微飛輪模塊類設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜,對(duì)于其他硬件只需做好通信和硬件功能的封裝,沒有復(fù)雜的繼承關(guān)系。面對(duì)不同的測(cè)試功能,只需調(diào)用不同的硬件模塊和功能函數(shù)。

數(shù)據(jù)采集卡是基于官方提供的底層庫(kù)函數(shù)進(jìn)行開發(fā)封裝的,主要功能有模擬量輸入(Analog Input,AI)和數(shù)字信號(hào)輸出(Digital Output,DO),DO用于控制繼電器給微飛輪產(chǎn)品通斷電。在微飛輪單板測(cè)試中,需要采集上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形,數(shù)據(jù)采集卡的AI使用的是Buffered AI模式,每個(gè)通道每次采集6 000多個(gè)波形原始數(shù)據(jù)點(diǎn),數(shù)據(jù)點(diǎn)用于分析波形和繪制靜態(tài)曲線;在微飛輪整機(jī)測(cè)試中,數(shù)據(jù)采集卡AI使用的是Instant AI模式,程序以250 ms為周期調(diào)用采集卡接口對(duì)6個(gè)通道的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,用于繪制動(dòng)態(tài)曲線,作為測(cè)試過(guò)程中整機(jī)動(dòng)態(tài)性能參考曲線之一。在不同的測(cè)試模式下,需要對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行不同的初始化配置,且數(shù)據(jù)采集卡在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候計(jì)算量較大,對(duì)應(yīng)功能函數(shù)輸入CPU密集型,需放入子線程運(yùn)行。在對(duì)各個(gè)硬件的交互功能函數(shù)封裝過(guò)程中,有2類函數(shù)接口需要放入子線程運(yùn)行:一類是I/O密集型,在工作時(shí)一直在與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并跨層交互數(shù)據(jù);另一類是CPU密集型,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理時(shí)運(yùn)算量比較大。為保證軟件的工作效率,這2類功能函數(shù)需要放入子線程運(yùn)行,以避免阻塞主線程。

電壓源、電流源、電壓采集板、頻率計(jì)等硬件使用的是Modbus協(xié)議,Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)(De facto),并且是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。軟件中將Modbus協(xié)議單獨(dú)封裝成了一個(gè)類,需要應(yīng)用Modbus協(xié)議的硬件類中組合使用了Modbus協(xié)議類,直接調(diào)用該類的接口函數(shù)即可進(jìn)行通信,提高代碼復(fù)用性。這類硬件在工作時(shí)一直保持與計(jì)算機(jī)交互,并保持將數(shù)據(jù)從設(shè)備交互層發(fā)送給數(shù)據(jù)處理層,通信功能函數(shù)屬于I/O密集型,需放入子線程運(yùn)行。

I/O單片機(jī)、Hall單片機(jī)、定值電阻單片機(jī)根據(jù)開發(fā)需求自定義功能協(xié)議,信號(hào)發(fā)生器使用的是廠家規(guī)定的協(xié)議,協(xié)議封裝正確即可與硬件交互。這類硬件只在測(cè)試流程中特定時(shí)間被調(diào)用,數(shù)據(jù)交互較為簡(jiǎn)單,故主線程直接調(diào)用。

2.2.2 軟件人機(jī)交互層設(shè)計(jì)

人機(jī)交互在軟件分層的最上層,是用戶能夠?qū)φ麄€(gè)測(cè)試系統(tǒng)控制的保證。要求交互頁(yè)面簡(jiǎn)潔智能且功能齊全,盡量減少用戶煩瑣的操作,這也要求交互頁(yè)面面向用戶需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

人機(jī)交互頁(yè)面根據(jù)用戶需求和功能分析分為信息錄入、數(shù)據(jù)顯示、流程控制、參數(shù)配置四大部分。

信息錄入用于輸入實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品和用戶信息。若輸入信息不完整就開始測(cè)試,軟件會(huì)提醒信息填寫錯(cuò)誤,以避免報(bào)表信息不完整,保證數(shù)據(jù)的完整性。

數(shù)據(jù)顯示用于顯示實(shí)時(shí)電壓、電流、轉(zhuǎn)速等微飛輪數(shù)據(jù),顯示和設(shè)備交互的信息和錯(cuò)誤信息;繪制驅(qū)動(dòng)信號(hào)、電流、轉(zhuǎn)速等曲線,曲線可以縮放調(diào)整以便觀察;數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新,保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

流程控制用于選擇測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試流程控制,只需要選擇所需測(cè)試項(xiàng)目后單擊開始測(cè)試,即可自動(dòng)測(cè)試并完成報(bào)表,根據(jù)需求極大地簡(jiǎn)化了用戶的操作步驟。

配置文件使用JSON文件進(jìn)行存儲(chǔ)。JSON(JavaScript Object Notation)是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式,使用鍵值對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),易于閱讀和編寫,可以在多種語(yǔ)言之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)也易于機(jī)器解析和生成[14-15]。Qt也對(duì)JSON文件有比較完整的封裝,對(duì)JSON格式數(shù)據(jù)的操作比較方便,故使用JSON作為配置文件格式是不二選擇。參數(shù)配置用于配置微飛輪參數(shù)、串口信息和報(bào)表文件地址等。

2.2.3 軟件業(yè)務(wù)邏輯層設(shè)計(jì)

業(yè)務(wù)邏輯是軟件系統(tǒng)架構(gòu)的核心,位于軟件分層圖的中間部分,貫穿整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)產(chǎn)品的控制、操作和測(cè)試基本都是靠該層內(nèi)容實(shí)現(xiàn),控制測(cè)試硬件設(shè)備交互的各種邏輯也都在該層實(shí)現(xiàn)。在業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)時(shí),由于測(cè)試的對(duì)象不同,測(cè)試需求不同,對(duì)應(yīng)的測(cè)試流程的封裝也有很大不同。

(1) 微飛輪整機(jī)測(cè)試功能測(cè)試流程設(shè)計(jì)。

微飛輪整機(jī)測(cè)試功能有2種測(cè)試模式:單機(jī)測(cè)試模式和一鍵測(cè)試模式。

單機(jī)測(cè)試模式是為了測(cè)試產(chǎn)品的某一動(dòng)態(tài)性能,包含速度模式、力矩模式、電流模式和速度跟蹤模式。速度模式下,用戶給產(chǎn)品發(fā)送單一轉(zhuǎn)速指令后,產(chǎn)品會(huì)以該設(shè)置速度恒速運(yùn)行;力矩模式下,產(chǎn)品會(huì)以恒定力矩運(yùn)行;電流模式和力矩模式類似,不過(guò)發(fā)送的是電流力矩指令,產(chǎn)品以恒定的設(shè)置力矩運(yùn)行。

一鍵測(cè)試模式包括速度模式、力矩模式和電流模式。該模式將根據(jù)用戶的選擇對(duì)6路產(chǎn)品并行測(cè)試,最后生成數(shù)據(jù)分析報(bào)表,可以作為鑒定級(jí)別的測(cè)試分析。一鍵測(cè)試模式下的速度模式,計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)送可設(shè)定的速度指令序列,使微飛輪的速度從0 r/min升到6 000 r/min,再由6 000 r/min直接降到-6 000 r/min,最后速度會(huì)回到0 r/min。每一個(gè)速度會(huì)持續(xù)10 s恒速運(yùn)行。在一個(gè)速度階躍的升速(減速)過(guò)程中,計(jì)算機(jī)會(huì)進(jìn)行預(yù)測(cè)控制以提高測(cè)試效率,即預(yù)測(cè)電機(jī)升速時(shí)間,到時(shí)間迅速判定電機(jī)是否達(dá)到設(shè)定速度,達(dá)到條件立刻開始5 s計(jì)時(shí)。整個(gè)過(guò)程微飛輪遙測(cè)數(shù)據(jù)都會(huì)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。一鍵測(cè)試模式下的力矩模式和電流模式過(guò)程與速度模式類似,對(duì)微飛輪發(fā)送力矩序列和電流序列,微飛輪以恒定力矩或者電流力矩運(yùn)行,計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)微飛輪升速時(shí)間,并及時(shí)檢測(cè)其速度是否達(dá)到某特定值,然后開始5 s秒計(jì)時(shí)。

微飛輪整機(jī)測(cè)試功能每個(gè)通道的測(cè)試分別放置在獨(dú)立的子線程中,所以最多可以6路產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行一鍵測(cè)試。單路整機(jī)測(cè)試流程圖如圖8所示,在測(cè)試過(guò)程中(無(wú)論單項(xiàng)測(cè)試還是一鍵測(cè)試),程序會(huì)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器來(lái)調(diào)用界面刷新函數(shù)和硬件信息讀取函數(shù),刷新界面信息并全程監(jiān)控產(chǎn)品電壓信息,若有異常立即切斷電源并報(bào)錯(cuò)。一鍵測(cè)試開始之后進(jìn)行的三項(xiàng)測(cè)試在程序中也都是由計(jì)時(shí)器驅(qū)動(dòng)狀態(tài)變化,所以用戶中斷或者異常中斷關(guān)閉測(cè)試時(shí),程序只需要對(duì)計(jì)時(shí)器進(jìn)行處理并釋放系統(tǒng)資源即可。

圖8 微飛輪整機(jī)測(cè)試流程圖

(2) 微飛輪單板測(cè)試功能測(cè)試流程設(shè)計(jì)。

飛輪單板測(cè)試功能有3種測(cè)試模式面向用戶的3種需求:單項(xiàng)測(cè)試、一鍵測(cè)試和老煉測(cè)試。微飛輪單板測(cè)試系統(tǒng)軟件單項(xiàng)測(cè)試的部分流程相對(duì)復(fù)雜,為了提高代碼的復(fù)用性,3種測(cè)試模式封裝后有如圖6業(yè)務(wù)邏輯層中微飛輪單板測(cè)試功能封裝所示的依附關(guān)系。

單項(xiàng)測(cè)試模式即每一種獨(dú)立的測(cè)試項(xiàng)目,是為了單獨(dú)測(cè)試產(chǎn)品的某一項(xiàng)功能,包括二次電源電壓測(cè)試、電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試、電機(jī)電流通信口測(cè)試、微飛輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向信號(hào)測(cè)試、通信測(cè)試和熱敏電阻測(cè)試。

一鍵測(cè)試模式是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行的一個(gè)完整測(cè)試,該模式將根據(jù)用戶的選擇串行調(diào)用6項(xiàng)單項(xiàng)測(cè)試封裝好的函數(shù)進(jìn)行測(cè)試,最后生成數(shù)據(jù)分析報(bào)表,可以作為鑒定級(jí)別的測(cè)試分析。

老煉測(cè)試是基于一鍵測(cè)試進(jìn)行開發(fā)的,測(cè)試流程調(diào)用了一鍵測(cè)試所封裝好的函數(shù)。老煉測(cè)試的目的是提高產(chǎn)品穩(wěn)定性、可靠性,同時(shí)剔除測(cè)試期間的不合格產(chǎn)品,即在特定溫度環(huán)境下使單板上電并保持一段時(shí)間,并在設(shè)定時(shí)長(zhǎng)結(jié)束后對(duì)6路產(chǎn)品進(jìn)行一鍵測(cè)試,這個(gè)過(guò)程將循環(huán)進(jìn)行。循環(huán)開始時(shí)間、循環(huán)間隔時(shí)間和循環(huán)次數(shù)都可以自定義。

微飛輪單板測(cè)試流程圖如圖9所示,當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品測(cè)試完成之后,會(huì)將當(dāng)前產(chǎn)品斷電,然后給下個(gè)待測(cè)產(chǎn)品上電并進(jìn)行測(cè)試。微飛輪單板測(cè)試功能一次可以測(cè)試最多6套產(chǎn)品。在每種測(cè)試模式中,都添加了中斷標(biāo)志位,方便用戶及時(shí)中斷一鍵測(cè)試,并且保證在中斷測(cè)試后,系統(tǒng)能對(duì)硬件進(jìn)行一些復(fù)位操作和對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行回收。在測(cè)試的過(guò)程中,程序利用計(jì)時(shí)器刷新界面、監(jiān)控產(chǎn)品電壓信息,若有異常立即切斷電源并報(bào)錯(cuò)。

(3) 其他功能封裝。

除了測(cè)試流程功能函數(shù)的封裝,業(yè)務(wù)邏輯層還有很多其他功能,如圖7軟件分層圖所示,這些功能貫穿在整個(gè)測(cè)試流程中,也保證了測(cè)試系統(tǒng)功能的完整性。

2.2.4 軟件數(shù)據(jù)處理層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理層包含對(duì)硬件交互的原始數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)的存取和數(shù)據(jù)報(bào)表。

(1) 原始數(shù)據(jù)處理。

計(jì)算機(jī)通過(guò)調(diào)用設(shè)備交互層封裝好的函數(shù)調(diào)用,將硬件的數(shù)據(jù)讀取至內(nèi)存,進(jìn)行初步處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)或者發(fā)送給用戶交互層用于數(shù)據(jù)顯示。

微飛輪單板驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采集使用的是PCIE-1816H數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸入緩沖讀取模式(Buffered AI),采樣率高達(dá)5 MHz,該模式下能精確讀取較高頻率的信號(hào),滿足設(shè)備采集要求。采集卡配置在多通道采集的情況下,每一次緩沖讀取,采集卡會(huì)同時(shí)讀取所有通道的原始數(shù)據(jù),故在程序中首先需要將各個(gè)通道的信號(hào)數(shù)據(jù)分離出來(lái),然后根據(jù)需求計(jì)算出信號(hào)的高低電壓差和頻率。計(jì)算信號(hào)頻率使用的是快速傅里葉變換算法,計(jì)算的頻率精度能達(dá)到1 Hz。

電機(jī)的電壓、電流和速度等基本參數(shù),通過(guò)維持一個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列來(lái)求平均值,以監(jiān)控閾值。在微飛輪整機(jī)軟件中,實(shí)時(shí)的速度值還用來(lái)計(jì)算實(shí)時(shí)力矩、角動(dòng)量、常值偏差和最大動(dòng)態(tài)偏差,這些都是微飛輪整機(jī)產(chǎn)品測(cè)試需要考核的參數(shù)指標(biāo)。

(2) 數(shù)據(jù)的存取。

數(shù)據(jù)的存取包含了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作,軟件數(shù)據(jù)庫(kù)使用的是SQLite。SQLite是一個(gè)小型的C語(yǔ)言庫(kù),它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)自包含的、可嵌入的、零配置的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)引擎。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是嵌入式的,而且已經(jīng)在很多嵌入式產(chǎn)品中得到了應(yīng)用,它占用的資源非常少,并且Qt對(duì)MySQL提供原生支持類QSqlDatabase、QSqlError和QSqlQuery,故數(shù)據(jù)庫(kù)選擇使用SQLite進(jìn)行開發(fā)。但是使用SQLite在插入數(shù)據(jù)時(shí)如果使用默認(rèn)插入方法而不進(jìn)行優(yōu)化,存儲(chǔ)效率可能達(dá)不到要求。SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)本質(zhì)上是磁盤上的一個(gè)文件,故每一次對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作都會(huì)轉(zhuǎn)化為對(duì)文件的操作,而頻繁地對(duì)文件進(jìn)行操作是非常耗時(shí)的。SQLite是支持事務(wù)操作的,SQL的事務(wù)(Transaction)是作為單個(gè)邏輯單元執(zhí)行的一系列操作[16]。多個(gè)操作作為一個(gè)整體向系統(tǒng)提交,或者都執(zhí)行,或者都不執(zhí)行。但其默認(rèn)將單條插入語(yǔ)句作為事務(wù)進(jìn)行操作,這種情況下有多少條數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生多少次磁盤操作,效率相對(duì)較低[17]。為了優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)插入效率,SQLite可以使用事務(wù),先儲(chǔ)存多條插入語(yǔ)句,然后完成一次事務(wù)操作。這樣節(jié)省了多余的事務(wù)操作的時(shí)間,即減少了大量不必要的磁盤操作。數(shù)據(jù)庫(kù)插入效率的優(yōu)化如圖10所示。經(jīng)測(cè)試,優(yōu)化之前插入10 000條數(shù)據(jù),需要大概1 min,使用事務(wù)進(jìn)行優(yōu)化,每1 000條數(shù)據(jù)進(jìn)行一次事務(wù)的提交。優(yōu)化之后,使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī),插入10 000條數(shù)據(jù),只需要大概1 s。在微飛輪整機(jī)測(cè)試功能中,6路產(chǎn)品最快需要每0.1 s插入一條采樣數(shù)據(jù)。測(cè)試軟件需要處理大量的數(shù)據(jù),所以對(duì)數(shù)據(jù)的插入操作不能占用太多CPU資源。故對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的插入操作優(yōu)化是非常有必要的。

圖10 數(shù)據(jù)庫(kù)插入效率的優(yōu)化

數(shù)據(jù)在測(cè)試時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中,每次一鍵測(cè)試都會(huì)導(dǎo)出報(bào)表。一鍵測(cè)試啟動(dòng)時(shí),程序會(huì)給每一個(gè)產(chǎn)品的每一次測(cè)試生成一個(gè)獨(dú)有的實(shí)驗(yàn)ID(實(shí)驗(yàn)ID=通道編號(hào)+啟動(dòng)測(cè)試時(shí)的時(shí)間)。因?yàn)橛袉?dòng)測(cè)試的時(shí)間點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)ID的組成部分,所以每次一鍵測(cè)試的實(shí)驗(yàn)ID必然是不同的,這是區(qū)分實(shí)驗(yàn)ID的關(guān)鍵。一鍵測(cè)試的自動(dòng)報(bào)表和后期的手動(dòng)查詢報(bào)表都是依靠數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)ID來(lái)查詢某個(gè)產(chǎn)品在某次實(shí)驗(yàn)中完整的測(cè)試數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)報(bào)表。

數(shù)據(jù)報(bào)表主要分為兩部分:一是分析數(shù)據(jù);二是導(dǎo)出報(bào)表。

微飛輪整機(jī)測(cè)試面向的是微飛輪運(yùn)行時(shí)的參數(shù),故數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的這些原始數(shù)據(jù)代表著微飛輪的動(dòng)態(tài)性能。整機(jī)測(cè)試的數(shù)據(jù)分析即從這些數(shù)據(jù)中分析出需要考核的最大反作用力矩、最大角動(dòng)量、常值偏差、最大功耗和最大動(dòng)態(tài)偏差等參數(shù)指標(biāo)。微飛輪單板測(cè)試需要模擬直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速和霍爾信號(hào),需要考核的數(shù)據(jù)基本上都是通過(guò)與計(jì)算機(jī)交互的硬件測(cè)得,數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的原始數(shù)據(jù)是多組能直接反映結(jié)果的數(shù)據(jù),所以單板測(cè)試在分析數(shù)據(jù)時(shí)基本都是直接求均值對(duì)比考核參數(shù)。

Word文檔即為產(chǎn)品最終測(cè)試結(jié)果表,Excel文檔是原始數(shù)據(jù)導(dǎo)出所得,報(bào)表的過(guò)程均在子線程中進(jìn)行。微飛輪單板測(cè)試時(shí),Word報(bào)表采用Word模板的方法進(jìn)行[18]。在軟件目錄下有名為“report.dot”的Word模板,軟件在報(bào)表時(shí)會(huì)讀取該模板文件,然后將分析好的數(shù)據(jù)和結(jié)果直接填入Word模板對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽中,導(dǎo)出后綴名為.docx的報(bào)表文件。使用Word模板報(bào)表有2個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn):① 相比于用軟件繪制Word表格,使用Word模板報(bào)表速度會(huì)快很多;② 方便修改Word表格樣式。但是缺點(diǎn)也是顯而易見的:在插入數(shù)據(jù)量比較大的情況下,需要提前在模板中手動(dòng)插入大量的書簽,比較麻煩。微飛輪整機(jī)測(cè)試報(bào)表數(shù)據(jù)量大,而微飛輪單板測(cè)試報(bào)表數(shù)據(jù)量小,并且在循環(huán)測(cè)試時(shí)需要更短的報(bào)表時(shí)間,所以在微飛輪整機(jī)測(cè)試軟件中,使用軟件繪制Word報(bào)表,而在微飛輪單板測(cè)試軟件中,使用Word模板進(jìn)行報(bào)表。上述2種報(bào)表方式流程圖如圖11所示。

圖11 報(bào)表流程

2.2.5 測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警,需要搭建一個(gè)云服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn),網(wǎng)絡(luò)通信示意圖如圖12所示。圖中的本地端即在測(cè)試的計(jì)算機(jī),遠(yuǎn)程端即手機(jī)端APP或者遠(yuǎn)程的電腦軟件。整個(gè)通信模型使用的是C/S模型。其中云服務(wù)器是服務(wù)端(Server),遠(yuǎn)程端和本地端都是客戶端(Client)。在建立連接時(shí),客戶端發(fā)送申請(qǐng)識(shí)別指令來(lái)告訴服務(wù)端自己是遠(yuǎn)程端還是本地端,這樣才能保證通信的正確性。每一個(gè)本地的設(shè)備都獨(dú)有一個(gè)ID,遠(yuǎn)程端通過(guò)該ID識(shí)別并監(jiān)控本地端的設(shè)備。搭建的服務(wù)器是簡(jiǎn)單的并發(fā)服務(wù)器,可以多個(gè)遠(yuǎn)程端監(jiān)控一個(gè)本地端,也可多個(gè)遠(yuǎn)程端監(jiān)控多個(gè)本地端,滿足并發(fā)需求。

圖12 網(wǎng)絡(luò)通信示意圖

3 測(cè)試性能與分析

為驗(yàn)證該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是否滿足測(cè)試需求,分別從系統(tǒng)的精確性、測(cè)試效率、穩(wěn)定性方面進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

3.1 測(cè)試分析

前文論述的微飛輪的各項(xiàng)測(cè)試主要在一鍵測(cè)試中進(jìn)行,下面論述其中一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)的分析過(guò)程和計(jì)算方法。

3.1.1 微飛輪整機(jī)測(cè)試分析

(4)

微飛輪最大常值偏差為

(5)

式中:nr為指令轉(zhuǎn)速。

微飛輪最大動(dòng)態(tài)偏差為

(6)

k點(diǎn)的角動(dòng)量定義為

Lp=J·np

(7)

式中:J為微飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;np為近p個(gè)點(diǎn)取得轉(zhuǎn)速均值。

無(wú)論是在恒速模式還是力矩模式中,都需要通過(guò)微飛輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行微飛輪實(shí)時(shí)力矩的計(jì)算。已知反作用力矩Tr(N·m)的計(jì)算公式為

(8)

假設(shè)k點(diǎn)的實(shí)測(cè)反作用力矩為Trk,近似為系統(tǒng)指令采樣周期內(nèi)的平均力矩為Trmk,則k點(diǎn)離散化的實(shí)測(cè)反作用力矩公式為

(9)

式中:Δnk=Δnk-Δnk-1,Δt=T,采樣m點(diǎn)后,可以求得期望力矩值:

(10)

力矩模式下需要測(cè)試的微飛輪的關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)是微飛輪以恒定力矩升速過(guò)程中微飛輪的平均力矩值。計(jì)算機(jī)以正負(fù)力矩值交替的序列順序?qū)⒘刂噶钕掳l(fā)給微飛輪,將實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算的力矩作為分析的指標(biāo)。

電流模式和力矩模式類似,微飛輪發(fā)送電流力矩指令,將通過(guò)微飛輪的實(shí)時(shí)電流作為分析的指標(biāo)。

3.1.2 微飛輪單板測(cè)試分析

微飛輪單板測(cè)試主要模擬產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)源和電機(jī)位置信號(hào)源輸入給微飛輪單板,然后采集單板輸出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向信號(hào)、采集電路板電源信息。下面簡(jiǎn)述各項(xiàng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的測(cè)量方法。

(1) 二次側(cè)電壓測(cè)試。

計(jì)算機(jī)控制可編程電壓源給微飛輪單板供電(28 V電壓源),通過(guò)電壓采集模塊采集二次測(cè)電壓值。

(2) 驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試。

信號(hào)發(fā)生器模塊生成相位開關(guān)為+120°、頻率為375 Hz的電機(jī)位置信號(hào)輸入給微飛輪單板,然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡模塊采集微飛輪單板驅(qū)動(dòng)信號(hào)并計(jì)算相關(guān)指標(biāo)。

(3) 電流通信口測(cè)試。

可編程電流源組成的電流源模塊給微飛輪單板輸入0.5 A、1 A和1.5 A這3組電流,然后與微飛輪交互數(shù)據(jù)讀取微飛輪遙測(cè)電流值。

(4) 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向信號(hào)測(cè)試。

計(jì)算機(jī)給信號(hào)發(fā)生器模塊下發(fā)指令,使其先后產(chǎn)生相位開關(guān)為正、負(fù),頻率為400 Hz轉(zhuǎn)速信號(hào)源模擬電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入給微飛輪單板,微飛輪單板將輸出單端轉(zhuǎn)速信號(hào)和代表正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的差分轉(zhuǎn)向信號(hào)。轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)采集箱中的頻率計(jì)模塊采集,轉(zhuǎn)向信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集。

(5) 串口通信測(cè)試。

計(jì)算機(jī)控制信號(hào)發(fā)生器模塊,使其先后產(chǎn)生相位開關(guān)為正、負(fù),頻率為400 Hz的轉(zhuǎn)速信號(hào)源輸入給微飛輪單板,通過(guò)與微飛輪單板交互解讀取正向和負(fù)向遙測(cè)轉(zhuǎn)速值。

(6) 熱敏電阻測(cè)試。

計(jì)算機(jī)給模擬電阻模塊發(fā)送指令,設(shè)置5 kΩ、15 kΩ和20 kΩ這3組模擬電阻值,輸入給微飛輪單板,然后通過(guò)與微飛輪單板的交互讀取3組微飛輪單板電阻數(shù)據(jù)。

3.2 精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

抽取2種型號(hào)的微飛輪,記為型號(hào)1和型號(hào)2。用型號(hào)1微飛輪進(jìn)行整機(jī)一鍵測(cè)試,型號(hào)2微飛輪單板進(jìn)行微飛輪單板一鍵測(cè)試。

3.2.1 速度模式

速度模式實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)要求如表1所示。

表1 微飛輪整機(jī)測(cè)試關(guān)鍵指標(biāo)內(nèi)容和指標(biāo)要求

轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)偏差和轉(zhuǎn)速常值偏差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示,縱坐標(biāo)是對(duì)微飛輪發(fā)送的速度序列,橫坐標(biāo)是測(cè)得的2個(gè)轉(zhuǎn)速偏差值,結(jié)果均在指標(biāo)要求范圍內(nèi)。

最大反作用力矩TrMax測(cè)試結(jié)果為20.89 mN·m,最大角動(dòng)量LpMax測(cè)試結(jié)果為301.123 mN·m·s,結(jié)果均能達(dá)到指標(biāo)要求。

3.2.2 力矩模式

設(shè)Tr1為指令力矩,Tr2為微飛輪以Tr1為恒定力矩加速期間實(shí)測(cè)力矩的平均值,令ΔT=Tr1-Tr2。指標(biāo)要求:當(dāng)Tr1=±3 mN·m、±1 mN·m、±0.5 mN·m時(shí),|ΔT|≤0.3 mN·m;當(dāng)Tr1=±10 mN·m、±15 mN·m、±20 mN·m時(shí),|ΔT|≤3 mN·m。

力矩模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示,橫軸是計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令力矩值,縱軸是所測(cè)得的微飛輪平均力矩值,結(jié)果均能達(dá)到指標(biāo)要求。

圖14 力矩模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.3 電流模式

設(shè)I1為指令電流,I2為微飛輪以恒定電流力矩加速時(shí)的采集電流。

電流I1=10 mA時(shí),要求I2≤3 mA;I1為其他值時(shí),要求I2≤6 mA。測(cè)試結(jié)果如圖15所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,電流模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果均能達(dá)到指標(biāo)要求。

3.2.4 微飛輪單板測(cè)試實(shí)驗(yàn)

微飛輪單板的測(cè)試項(xiàng)目是根據(jù)給定輸入信號(hào)測(cè)量輸出信號(hào)的模型,故用一張表格來(lái)描述測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試指標(biāo)和實(shí)測(cè)值。微飛輪單板實(shí)驗(yàn)結(jié)果和指標(biāo)對(duì)比如表2所示。

表2 微飛輪單板實(shí)驗(yàn)結(jié)果和指標(biāo)對(duì)比

3.3 效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的通用化多功能微飛輪測(cè)試系統(tǒng)能對(duì)多種協(xié)議微飛輪進(jìn)行測(cè)試,包含4種型號(hào)微飛輪,并用型號(hào)1、型號(hào)2、型號(hào)3和型號(hào)4代指這4種型號(hào)。用合格的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品對(duì)每種型號(hào)的微飛輪單板和微飛輪整機(jī)進(jìn)行一鍵測(cè)試實(shí)驗(yàn),對(duì)比驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)核查測(cè)試結(jié)果,一次測(cè)試6個(gè)產(chǎn)品,記錄測(cè)試結(jié)果。測(cè)試時(shí)間是6個(gè)產(chǎn)品全部測(cè)試完成的用時(shí),其中微飛輪整機(jī)測(cè)試是并行測(cè)試,微飛輪單板是串行測(cè)試。如表3所示,實(shí)驗(yàn)效率和精度均能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

表3 測(cè)試結(jié)果和測(cè)試時(shí)間統(tǒng)計(jì)

3.4 恒久測(cè)試實(shí)驗(yàn)

恒久測(cè)試保持測(cè)試系統(tǒng)超過(guò)20 d連續(xù)運(yùn)行,監(jiān)控并記錄其運(yùn)行狀態(tài)和各項(xiàng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)正常,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)用戶需求綜合分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套通用化多功能微飛輪測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)多功能和通用化的設(shè)計(jì),解決一套系統(tǒng)僅滿足一套設(shè)備的測(cè)試需求和測(cè)試功能的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)軟硬件分層化、模塊化設(shè)計(jì),解決測(cè)試設(shè)備冗余度較高、后續(xù)維護(hù)拓展不方便的問(wèn)題。通過(guò)智能化軟件設(shè)計(jì),解決測(cè)試過(guò)程操作煩瑣、測(cè)試準(zhǔn)確度依賴于人工測(cè)試水平的問(wèn)題。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化解決在進(jìn)行測(cè)試時(shí)必須有工作人員在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試流程的問(wèn)題。經(jīng)測(cè)試,本文設(shè)計(jì)的通用化多功能微飛輪測(cè)試系統(tǒng)功能完善,可兼容微飛輪單板測(cè)試、微飛輪整機(jī)測(cè)試和多種微飛輪型號(hào)測(cè)試,提高了多樣化測(cè)試需求和測(cè)試效率,具有良好的實(shí)用性和穩(wěn)定性。下一步將考慮使用分布化設(shè)計(jì),降低工控機(jī)的性能開銷,并使用嵌入式設(shè)計(jì)縮小設(shè)備體積和成本。