譚光興 戚秋晨

摘 要：變速箱電磁閥是汽車重要的零部件之一，其性能好壞直接影響換擋平滑與否，因此變速箱電磁閥的性能測試有著重要意義。為提高變速箱電磁閥測試的可視化程度，提出了一套變速箱電磁閥測試軟件。在.NET Framework 4.8環(huán)境下，基于WinForm技術(shù)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電磁閥測試的數(shù)據(jù)采集、串口傳輸與測試過程可視化，并利用相關(guān)控件對(duì)性能參數(shù)自動(dòng)繪制波形。通過對(duì)軟件的相關(guān)功能進(jìn)行測試，證明該測試軟件功能運(yùn)行穩(wěn)定，滿足了變速箱電磁閥測試的需求。

關(guān)鍵詞：WinForm；電磁閥；上位機(jī)測試軟件；變速箱

中圖分類號(hào)：TP271.31 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.02.012

0 引言

近年來，隨著我國居民汽車保有量大幅度增長，汽車零部件再制造行業(yè)也迎來了高速發(fā)展。國家發(fā)改委等八部委印發(fā)《汽車零部件再制造規(guī)范管理暫行辦法》，要求立足我國汽車零部件再制造行業(yè)發(fā)展實(shí)際，對(duì)再制造企業(yè)規(guī)范條件、舊件回收管理、再制造生產(chǎn)管理、再制造產(chǎn)品管理、再制造市場管理、監(jiān)督管理等方面作出要求。汽車零部件再制造是指用現(xiàn)有的機(jī)械加工技術(shù)對(duì)回收的汽車零部件進(jìn)行加工修復(fù)，或使用新的零部件對(duì)一些不可修復(fù)的部分零部件進(jìn)行替換，使原已報(bào)廢的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品使用性能的恢復(fù)或達(dá)到再次使用標(biāo)準(zhǔn)的性能參數(shù)[1]。為了確保再制造變速箱電磁閥的質(zhì)量，在出廠前，廠家需要對(duì)其進(jìn)行性能測試。傳統(tǒng)的測試需要檢測者通過人眼去觀察一系列儀表動(dòng)態(tài)并手動(dòng)記錄，或是通過拍照來記錄，這樣對(duì)測試信息的動(dòng)態(tài)捕捉存在一定誤差，并且很難對(duì)測試過程進(jìn)行重要信息記錄。因此，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化程度高的測試系統(tǒng)具有重要意義。

文獻(xiàn)[2]根據(jù)使用相應(yīng)采集技術(shù)采集到的高壓共軌柴油機(jī)噴油電磁閥的實(shí)時(shí)電流值來提取電流特征，再根據(jù)電流特征對(duì)電磁閥的工作狀態(tài)做出判斷，判斷電磁閥是處于正常還是短路或者斷路故障，最后使用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件），以只包含硬件的方式設(shè)計(jì)了電磁閥故障檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)電磁閥實(shí)時(shí)電流進(jìn)行直接采集，根據(jù)電磁閥驅(qū)動(dòng)電流來判斷電磁閥是否故障，但測試過程難以記錄，不利于技術(shù)員操作。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障檢測方案，此種方案中的電磁閥檢測是在不同的制動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)的，同樣也是采集電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流，用驅(qū)動(dòng)電流的大小判斷電磁閥的狀態(tài)?；谀Ｐ偷碾姶砰y檢測方法在瞬態(tài)運(yùn)行、元件退化和測量誤差方面具有很好的效果，但是，該方法計(jì)算復(fù)雜度高，很難快速得出電磁閥的性能參數(shù)，導(dǎo)致應(yīng)用中的效率不高；其次，這種測試方法也難以捕捉過程測試走向，對(duì)測試環(huán)境的硬件要求很高。

對(duì)此，本文在液壓回路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)變速箱電磁閥液壓測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過壓力傳感器對(duì)待測電磁閥的溫度、輸入壓力、輸出壓力、流量等多種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[4]，通過變頻器對(duì)其輸出端壓力進(jìn)行控制，通過WinForm設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)測試過程記錄及結(jié)果保存[5]。

1 測試平臺(tái)組成與工作原理

1.1 測試平臺(tái)組成

變速箱電磁閥測試系統(tǒng)主要由三大部分組成，分別是上位機(jī)軟件、數(shù)據(jù)采集電路以及試驗(yàn)臺(tái)。上位機(jī)軟件運(yùn)行在本地計(jì)算機(jī)上，能夠在Windows10版本系統(tǒng)上穩(wěn)定運(yùn)行。電磁閥測試系統(tǒng)在完成單個(gè)型號(hào)的電磁閥測試后會(huì)生成測試結(jié)果，存儲(chǔ)在指定文件夾下。待測電磁閥放置在試驗(yàn)臺(tái)上，數(shù)據(jù)采集電路通過多個(gè)傳感器采集目標(biāo)量并以串口通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。該系統(tǒng)的組成以數(shù)字化技術(shù)及信息化技術(shù)為支撐，能滿足電磁閥測試的各種復(fù)雜工況，同時(shí)提高了測試的自動(dòng)化程度及測試效率[6]。變速箱電磁閥測試平臺(tái)如圖1所示。

1.2 工作原理

電磁閥液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。液壓系統(tǒng)的運(yùn)行是以電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，使得油箱里的液壓油經(jīng)過液壓泵加壓后流向直動(dòng)式溢流閥，再經(jīng)過直動(dòng)式溢流閥定壓溢流之后流向壓力調(diào)節(jié)閥，在這里可以通過外接穩(wěn)壓電源來對(duì)流過壓力調(diào)節(jié)閥的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此達(dá)到調(diào)節(jié)其輸出端壓力大小的作用。在工裝臺(tái)的正確位置裝入被測試的電磁閥，在其入口處和出口處分別接有壓力傳感器，油液最后經(jīng)過壓力傳感器（10）流回油箱中，形成一個(gè)完整的回路。系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)電磁閥得到的IP特性曲線設(shè)置為參考標(biāo)準(zhǔn)，然后將此類型中剩下的電磁閥得到的IP特性曲線與之進(jìn)行對(duì)比[7]。

2 測試平臺(tái)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能總體設(shè)計(jì)

軟件具有與下位機(jī)通信的功能，可采集各種目標(biāo)參數(shù)，測試數(shù)據(jù)保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫，并記錄日志用于問題分析。圖3所示為上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)框架，界面設(shè)計(jì)扁平化，具有良好的人機(jī)交互體驗(yàn)[8]。

2.2 串口監(jiān)視流程設(shè)計(jì)

通過System.IO.Ports.SerialPort類實(shí)現(xiàn)串口通信。首先調(diào)用靜態(tài)方法GetPortNames（ ）獲取下位機(jī)的串行端口。根據(jù)獲取的串口名稱初始化SerialPort對(duì)象，設(shè)置參數(shù)，調(diào)用Open（ ）方法打開串口。若采用輪詢的方式來接收數(shù)據(jù)會(huì)比較浪費(fèi)時(shí)間，同時(shí)也會(huì)造成線程堵塞。采用DataReceived事件觸發(fā)的方法可以較好地接收定長數(shù)據(jù)。此外，SerialPort讀取數(shù)據(jù)的方法都是同步阻塞調(diào)用，可以使用異步處理或線程間處理。圖4為串口監(jiān)視功能設(shè)計(jì)流程圖。

2.3 基于Chart控件的曲線繪制及測試報(bào)告自動(dòng)生成設(shè)計(jì)

軟件使用Chart圖表控件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)曲線顯示。因數(shù)據(jù)采集會(huì)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，曲線圖需要實(shí)現(xiàn)循環(huán)更新，在此使用Queue集合存放數(shù)據(jù)。Queue集合是先進(jìn)先出的集合，調(diào)用Enquque（ ）方法配合Timer定時(shí)器可以實(shí)現(xiàn)更新數(shù)據(jù)及刷新圖表。當(dāng)Queue集合中的數(shù)據(jù)大于屏幕顯示的最大寬度時(shí)，可以通過刪除已經(jīng)顯示過的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)曲線隨時(shí)間動(dòng)態(tài)移動(dòng)的效果。

使用Chart控件需要先定義圖表區(qū)域、存儲(chǔ)和顯示點(diǎn)的容器以及圖表顯示的樣式。曲線數(shù)據(jù)更新使用Queue.Dequeue（ ）的方法先從隊(duì)列Queue取點(diǎn)，再用Chart.Series.Points.AddXY（ ）的方法添加到曲線中來更新曲線。

由于C#WinForm窗體程序中需要把界面顯示線程與其他功能線程分開，為了防止線程沖突導(dǎo)致界面顯示線程停止響應(yīng)，在多線程編程應(yīng)用中，需在任務(wù)執(zhí)行的線程中去更新界面顯示，需要用到跨線程調(diào)用控件，而在多線程中直接調(diào)用界面的控件是錯(cuò)誤的方法，通常會(huì)以線程間操作無效反饋給編程人員。為了應(yīng)對(duì)上述問題，軟件設(shè)計(jì)使用了委托調(diào)用的方法。委托調(diào)用最常用的方法就是delegate委托方法和BeginInvoke方法，從其他線程中調(diào)用控件安全地更新界面顯示。委托調(diào)用控件如圖5所示。

2.4 基于多線程的系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，電磁閥測試系統(tǒng)上位機(jī)軟件需要同時(shí)運(yùn)行串口通信、界面控件顯示、測試數(shù)據(jù)采集、波形實(shí)時(shí)顯示及電磁閥測試報(bào)告生成等功能模塊，因此需要多線程的編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)并行處理線程。在WinForm設(shè)計(jì)窗體程序時(shí)，界面顯示控件程序即UI線程是人機(jī)交互最基本最重要的部分，因此界面顯示控制線程是整個(gè)測試系統(tǒng)的主線程。根據(jù)CPU默認(rèn)的進(jìn)程運(yùn)行方式處理多個(gè)功能進(jìn)程時(shí)，Chart控件會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)波形繪制不連續(xù)、不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示或者出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)波形缺失錯(cuò)亂的問題。同時(shí)，將測試數(shù)據(jù)波形繪制進(jìn)程寫入測試系統(tǒng)主程序中運(yùn)行，由于該線程需要通過串口通信采集大量的數(shù)據(jù)，因此波形繪制線程會(huì)與界面顯示控件線程產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致系統(tǒng)當(dāng)前的線程阻塞，失去對(duì)系統(tǒng)的操作控制。

為了解決多個(gè)復(fù)雜功能模塊運(yùn)行相沖突的問題，本文將下位機(jī)數(shù)據(jù)采集、串口通信傳輸、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)波形繪制進(jìn)程及其他功能進(jìn)程以多線程運(yùn)行的方法寫入測試系統(tǒng)的主程序中，結(jié)合多線程優(yōu)先級(jí)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)不同功能模塊的并行處理。測試系統(tǒng)同時(shí)配置了Timer定時(shí)器來刷新時(shí)間，從而連續(xù)地采集下位機(jī)系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電磁閥測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，以串口通信的方式將電磁閥測試數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)波形繪制的進(jìn)程中，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的數(shù)據(jù)波形動(dòng)態(tài)顯示[9]。圖6為多線程系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文針對(duì)變速箱電磁閥測試平臺(tái)，在Visual Studio（Microsoft Visual Studio）開發(fā)環(huán)境下基于C#設(shè)計(jì)了平臺(tái)上位機(jī)測試軟件。實(shí)驗(yàn)的硬件平臺(tái)為Intel（R） Core（TM） i5-8300H CPU，頻率為2.3 GHz，內(nèi)存為24 G；編程平臺(tái)為Visual Studio2019，在 .NET Framework 4.8環(huán)境下基于WinForm實(shí)現(xiàn)。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)參考線的設(shè)置及測試參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)過程中，電流的調(diào)節(jié)先從0逐漸增大，達(dá)到設(shè)定的電流峰值1 000 mA后，再從1 000 mA減小到0。通過實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)電流從0增加到300 mA的時(shí)候，電磁閥的輸出壓力基本上沒有變化，所以在測試電磁閥的時(shí)候，初始電流的設(shè)置可以是100 mA，也可以是300 mA。標(biāo)準(zhǔn)電磁閥實(shí)驗(yàn)測得的電流真有效值和平均值分別如圖7（a）和圖7（b）所示。因?yàn)檎嬗行е祮?dòng)曲線和返回曲線很接近，不容易分辨，為了增強(qiáng)對(duì)比效果，電磁閥測試參考線采用平均值。

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)待測電磁閥性能測試的定義是：將同類型電磁閥中一號(hào)電磁閥得到的IP特性曲線設(shè)置為參考標(biāo)準(zhǔn)，然后將此類型中剩下的電磁閥得到的IP特性曲線與之進(jìn)行對(duì)比，如果重合就是合格，否則就是不合格。以1型-2MPa-300-1100 mA為例，電磁閥試驗(yàn)2次以示一致性。圖8（a）為第一次試驗(yàn)結(jié)果，圖8（b）為第二次試驗(yàn)結(jié)果。

分別選取電磁閥試驗(yàn)電流為400 mA、600 mA、800 mA和1 000 mA處的2次試驗(yàn)的壓力值作標(biāo)準(zhǔn)差。

電流從300到1 100 mA時(shí)，2次試驗(yàn)壓力的標(biāo)準(zhǔn)差為：

σ =0.002 219 414. （1）

電流從1 100到300 mA時(shí)，2次試驗(yàn)壓力的標(biāo)準(zhǔn)差為：

σ =0.002 579 687. （2）

通過計(jì)算可知電磁閥在設(shè)定電流處得到的壓力標(biāo)準(zhǔn)差比較小，由此得出，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確地獲取待測電磁閥的IP特性曲線。

進(jìn)入測試系統(tǒng)主頁面，需要設(shè)置測試參數(shù)。測試參數(shù)設(shè)置主要是對(duì)測試系統(tǒng)中的一些常規(guī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，不同型號(hào)的電磁閥對(duì)應(yīng)的測試參數(shù)設(shè)置不同。以1型-2MPa-300-1100mA為例，該型號(hào)電磁閥的試驗(yàn)壓力需設(shè)置為2 MPa，試驗(yàn)電流從300 mA到1 100 mA，最后再返回到300 mA，結(jié)束試驗(yàn)。控制器用PID算法來進(jìn)行控制，使得控制器通過D/A輸出合適的控制電壓給變頻器，進(jìn)而對(duì)液壓系統(tǒng)中待測電磁閥的輸入端壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。測試參數(shù)設(shè)置如圖9所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

軟件運(yùn)行后先驗(yàn)證用戶名與密碼，系統(tǒng)的用戶名和密碼存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，如需要授予用戶新權(quán)限，需先在數(shù)據(jù)中添加。驗(yàn)證成功后會(huì)彈出消息提示框，并切換頁面到測試系統(tǒng)主頁面。

試驗(yàn)電流從1 100 mA返回300 mA，測試完成后，測試電磁閥的IP曲線與標(biāo)準(zhǔn)電磁閥的IP曲線可通過曲線圖來比較，同時(shí)測試數(shù)據(jù)會(huì)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫，通過界面也可以查詢。完成上述操作之后界面如圖10所示。

電磁閥測試系統(tǒng)在完成指定型號(hào)的電磁閥測試后會(huì)生成測試結(jié)果，并存儲(chǔ)在指定文件夾下，測試報(bào)告記錄了測試閥的型號(hào)、性能曲線以及測試日期。在添加using System.Drawing命名空間后，調(diào)用Chart.SaveImage（ ）方法將完整的波形以.jpeg的格式保存到本地目標(biāo)文件夾。

圖11為設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)同一類型的6個(gè)不同電磁閥進(jìn)行測試的試驗(yàn)報(bào)告。通過試驗(yàn)報(bào)告中測試電磁閥的IP特性，可以判斷出電磁閥的性能好壞。圖11（a）、（c）、（e）對(duì)應(yīng)的電磁閥的IP曲線平滑，無明顯鋸齒波，說明電磁閥的性能符合再制造標(biāo)準(zhǔn)。

圖11（b）對(duì)應(yīng)的電磁閥在試驗(yàn)電流從0到300 mA的過程中出現(xiàn)了明顯的鋸齒波，可能是由于電磁閥在測試前內(nèi)部有污垢造成的。在進(jìn)行沖洗后復(fù)測，所得IP曲線仍然在0到300 mA過程中產(chǎn)生鋸齒波，因此圖11（b）對(duì)應(yīng)的電磁閥不符合再制造標(biāo)準(zhǔn)。同理，圖11（d）對(duì)應(yīng)的電磁閥在整個(gè)測試過程中存在鋸齒波，圖11（f）對(duì)應(yīng)的電磁閥在試驗(yàn)電流從700 mA到1 000 mA的過程中存在鋸齒波，因此，圖11（d）、（f）對(duì)應(yīng)的電磁閥也不符合再制造標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 多線程優(yōu)化性能對(duì)比

本次軟件測試，曲線繪制用到的電磁閥輸出壓力曲線由2 000個(gè)離散點(diǎn)構(gòu)成。通過對(duì)比測試線程在曲線繪制線程下的運(yùn)行耗時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，多線程提升了目標(biāo)線程的性能，提高了CPU的效率。

為了比較單線程系統(tǒng)與多線程系統(tǒng)的運(yùn)行效率，通過使用Stopwatch類來記錄程序運(yùn)行耗時(shí)。Stopwatch類使用了操作系統(tǒng)和硬件提供的最高分辨機(jī)制，通常情況下分辨率少于1 ms，相比之下DateTime.Now方法和Environment.TickCount方法分辨率在15 ms左右。程序運(yùn)行耗時(shí)對(duì)比如表1所示。

單線程的程序耗時(shí)取決于所有程序順序執(zhí)行完畢的總時(shí)間，而多線程的程序耗時(shí)取決于耗時(shí)最長的線程。如表1所示，單線程在處理復(fù)雜線程時(shí)速率較低，當(dāng)后期系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜時(shí)，與多線程的耗時(shí)差距會(huì)越來越大。在僅UI線程運(yùn)行下，多線程的運(yùn)行速度較單線程提升了64%，在曲線繪制線程下提升了78%[10]。

如表1所示，在多線程應(yīng)用中對(duì)比設(shè)置了不同優(yōu)先級(jí)的測試線程運(yùn)行耗時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在設(shè)置了最高優(yōu)先級(jí)Highest后，測試線程會(huì)被優(yōu)先處理，設(shè)置了最低優(yōu)先級(jí)的線程將會(huì)最后執(zhí)行。由此可知，多線程的應(yīng)用可以使得測試系統(tǒng)的性能達(dá)到預(yù)期要求，并且為測試系統(tǒng)中的調(diào)度機(jī)制設(shè)置提供了參考。

4 結(jié)束語

針對(duì)工廠里現(xiàn)有的人工作業(yè)分析效率低下、自動(dòng)化測試程度低等問題，本文的這套基于WinForm的測試系統(tǒng)軟件較好地解決了此類問題，且軟件在工程人員的PC端運(yùn)行，測試環(huán)境要求不高。基于串口通信實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓系統(tǒng)的控制以及上、下位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，解決了繁瑣的手動(dòng)調(diào)節(jié)控制并降低了數(shù)據(jù)采集的丟包率；基于Chart控件技術(shù)的動(dòng)態(tài)曲線繪制提高了工程師對(duì)電磁閥測試的性能分析能力，同時(shí)，測試報(bào)告自動(dòng)保存功能及日志功能為測試提供了結(jié)果及操作記錄的保障，測試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期設(shè)定的目標(biāo)。

通過多線程的調(diào)度機(jī)制使不同功能模塊并行處理，提高了測試系統(tǒng)的整體性能。測試軟件可使測試過程操作簡易化，有效降低了人工測試的誤差率，提高了變速箱電磁閥再制造的可靠性。除了滿足各項(xiàng)功能需求，軟件設(shè)計(jì)力求達(dá)到高內(nèi)聚低耦合的效果。

目前本軟件僅實(shí)現(xiàn)了本地的傳感器數(shù)據(jù)采集，下一步還需要將測試系統(tǒng)優(yōu)化成遠(yuǎn)程控制方式，同時(shí)將測試曲線的相似性分析算法融入系統(tǒng)，以功能模塊調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)也是測試系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)。此外，隨著工業(yè)上圖像檢測技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化測試中引用機(jī)器視覺來對(duì)目標(biāo)測試對(duì)象進(jìn)行瑕疵測試也成為了趨勢[11]。

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Design and implementation of test system software of transmission

solenoid valve based on WinForm

TAN Guangxing， QI Qiuchen

（ School ofAutomation， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545616， China ）? Abstract： Transmission solenoid valve is one of the most important parts of the automobile， and its? performance directly affects whether the shift is smooth or not， so the performance test of transmission? solenoid valve is of great significance. In order to improve the visualization of transmission solenoid? valve test， a set of transmission solenoid valve test software is proposed. In. NET Framework 4.8? environment， the software based on WinForm technology is designed to implement the visualization of? the data collection， serial port transmission and test process. And the related control is used to? automatically draw the waveform of performance parameters. By testing the related functions of the? software， it is proved that the software runs stably and meets the requirements of the transmission? solenoid valve test.

Key words： WinForm; solenoid valve; test software of upper computer; transmission