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1、基于面向对象理论的计量测控技术探究刘子龙王煜李平冯因进“计量是关于测量的科学”。随着测控技术的快速发展，计量研究的技术水平也不断提高。2 0 0 5 年美国哈佛大学物理学教授美国科学家罗伊格劳伯，美国N I S T 资深研究员、J I L A实验室研究人员约翰霍尔，德陶科学家特奥多尔亨施因对基于原子物理和量子光学的精密测量技术的贡献，共同获得2 0 0 5 年诺贝尔物理学奖。先进的测控技术有更大的记录科研成果出现概率。在各种测控手段都发展到模块化人机对话的条件下，计量测控应该偏重于软件“系统集成”方面的研究。目前，测控集成的思路已经从传统的“面向过程的结构化设计”理论发展到“面向对象的设计(
2、O b j e c tO r i e n t e dP r o g r a m m i n g - - O O P ) ”。这一设计理论为将各种部件在人机对话层面进行集成提供了设计基础，从而使计量科研人员按照自己的理念搭建具有某一计量目标的测控系统成为可能。在“规则透射比国家计量基准”的建立中，课题组充分应用O O P 理论完成了自己的测控系统。透射比是测量和评价透明和半透明材料的透光性能的指标。随着产品质量检测和国际贸易的需要，透射比作为重要的光学工程量已经列为围际计量局光辐射计量委员会( C C P R )的关键性困际比对之一。作为国家基准的光谱规则透射比装置以复现和传递规则光谱透射比为目
3、的。规则光谱透射比是最常用，条件最典型的光谱透射比形式。光谱透射比量值复现的基准装置是完全自主建造的从原理上复现光谱透射比量值的光机电一体化的自动测量装置。其原理结构图如图1 。总体上，规则光谱透射比装置包括：光源部分、色散部分、测量光路、探测器部分和光谱扫描控制机构、采样控制机构和各部分的供电电源，以及各种辅助性能检测部分( 光偏振状态控制机构和光楔光衰减机构，双光阑线性检测机构，光源稳定性监测机构，光斑均匀性检测机构，光谱带宽检测机构，等等) 。整个系统的电气硬件包括：2 0 6 1 电机驱动器，6 0 8电机驱动器，样品支架电机驱动器，减光片电机驱动器，探测器室挡光斑驱动器，信号采集电流
4、表，光源监测电流表等。5 0图1 光带透射比最位复脱装置站构示意剖表1 控制段信号处理用硬件扩总表序号名称功能捕述个数备注lP C I17 8 08 通逝P w M 波形输ml1 通道可给出脉冲数2P C I l7 1 3铠通道尊端模拟信号输入1多通道3P C IG P I B、I 一4 8 82F O RW I 、D ( t W Sl已联机，备用4G P I BU S B | 【S卜4 8 82F O RW I X D O W Sl 二蛆汛方式K 6 4 8 5信号探删及联机传输2高精度6T k l o t o r U2 0 6 1 及6 0 8 电机驱动器2f 自两厢7T P l偏振片驱动
5、器l高精度RT P D l偏振片位置传感器l高精度9州卜2 0 8 0 6 Y通用步进F t i O t 驱动器1联机使片1 01 D D 】吣 o i 解开关投驱动电路1光祸井口血驱l I1H D l霍尔丌关及j e 驱动电路2并明 驰l2T D I ，D 1暗审工件警示灯及其驱动电路l光耦并几 驱】：1 C T光电倍增管联机使片|在硬件控制方案中，采取“独立建类，按需调用”的方式，并在模块化的过程中采取O O P 。这样既可以实现控制资源的共享，又可以对新设计的实验快速实现对应的控制方案。整个硬件控制方案中设计了以下类。1 ) 单色仪驱动类T T 2 0 6 1整个系统中有两台同型号的步进
6、电机驱动器，分别用于单色仪2 0 6 1 的步进电机的驱动和预色散棱镜6 0 8 的步进电机的驱动。由于是同型号的，驱动通讯协议是一致的，所以可以设一个单色仪驱动类“T T 2 0 6 1 ”。该类完成的丰要功能有：驱动器的通讯通道的选择S e t C o m P o r t ( P o r t N u m ：s t r i n g ) 、驱动器发送和接收命令的格式化传输F o r m a t S e n d s t r ( S e n d s t r ：s t r i n g ) 、驱动器各种参数的记忆与查询、查询所驱动电机的位置信息等。在建立该类的基础上，设两个全局变量g _ T 2 0
7、6 1 ，g _ T 6 0 8 ，分别用于控制单色仪2 0 6 1的步进电机和预色散棱镜的步进电机。2 ) 串行通讯端U 类T C o m由于系统采用的是多种通讯方式，同一种通讯方式也存在多台仪器共用，所以建立不同的通讯管理类。串行通讯端口类T C o m 就是管理多串口的其中一个类。在这个类中需要完成的功能丰要有：串口的选择、串口传输数据的格式化、串口的打开和关闭S t a r t C o m 和S t o p C o m 。3 ) P W M 波形输出控制类T P 啊这个类是针对硬件P C I - 1 7 8 0 板卡设置的，负责完成对P C I 一1 7 8 0 的连接，控制和断开。该
8、类完成的主要功能有：P C I 一1 7 8 0 的连接P C I l 7 8 0 L i n k 、P 删波形输出P W M S t a r t ( C h a n n e l N o ，C o u n t ，P e r i o d ，H i P e r i o d ：s t r i n g ) 、P 删波形输出关闭P W M s t o p ( C h a n n e l N o ：s t r i n g ) 、光耦定位开关的状态查询T P 删H a lI R q T M 、电机运行状态查询R u n R q T M 。4 ) 模拟信号采集类T A n o l o g S i n g a
9、l这个类是针对硬件P C I - 1 7 1 3 板卡设置的，负责完成对P C I - 1 7 1 3 的连接，读取和断开。该类完成的主要功能有：P C I - 1 7 1 3 的连接D e v i c e L i n k 、任一通道模拟信号的采集R e a d S i n g n a l ( C h a n n a l ：i n t e g e r ) ：s t r i n g 、P C I 一1 7 1 3 的关闭D e v i c e C l o s e 。5 ) G P I B U S B 通讯及数据采集类T K 6 4 8 5G P I B - - U S B 通讯方式是本系统中继R
10、 S 2 3 2 后第二种通讯方式，由于这种通讯方式只用于信号的数据采集，所以把这两种功能集成到一起建立一个类：G P I B - - U S B 通讯及数据采集类。本系统中还在备份了P C I - G P I B 的板卡通讯方式。数据采集是在硬件上是通过两台高精度的皮安表实现的。两台皮安表通过G P I B 总线方式串联，按4 8 8 协议转U S B 协议，实现与工控5 2机的联机工作。该类的主要功能有：G P I B - - U S B 通讯的初始化I n ili z ( a d r e s s ：i n t e g e r ) 、对皮安表数据的读取M e a s ( a d r e s
11、 s ：i n t e g e r ) 、皮安表测量范围的设置S e t R a n g e ( R a n g e V a l u e ：s t r i n g ) 、通讯及数据采集的断开Q u i t 、定时断开连接O n T i m e r D o ( S e n d e r ：T O b j e c t ) 。6 ) 偏振控制类T F P o l a r i m e t e r该类是针对偏振实验设置的。该类的主要功能有：偏振晶体驱动器的连接C o n n e c t i o n 、位置传感器的位置量读取R e a d P o s i t i o n 、角度的再分配与补偿计算A n g
12、l e C a l 、信号的读取R e a d P ola r D a t a 。7 ) 并U 操作类T p a r a l l a P o r t在工控机输出简单控制信号时，选择直接应用计算机本身的硬件输出端口( 如并口、串口等) 来实现控制目的，可以避免制作下位机，或者做计算机的总线扩展，在完全实现控制目的的同时节省很多工作量。T p a r a l l a P o r t 的功能就是按照工控机并口上的硬件连接，在相应的端口输出需要的电平，作为控制信号去驱动相应的电路。在本系统中，利用这种方式实现控制的驱动电路有3 个：通用步进电机驱动器的方向及使能、暗室挡屏开关及其驱动电路、暗室工作警示
13、灯及其驱动电路。在“独立建类，按需调用”的硬件控制方案基础上，整个系统的测控方案按照“功能建类，组成模块”的思路设计。也就是说，建立各种功能类，然后按照不断设计的新实验要求组合一个实验模块。当然，功能类也不是一次建立完成，根据实验的发展可以扩充旧类或者建锣新类。目前建寺的主要的功能类有：1 ) 单色仪运行类T c o n t r o l F o r m该功能类集成了硬件控制方案中的单色仪驱动类T T 2 0 6 1 ，串行通讯端口类T c o m ，模拟信号采集类T a n o l o g S i n g a l 三个类的功能，将它们组合起来，实现了预色散棱镜单色仪6 0 8和光栅单色仪2 0
14、 6 1 分别的运行控制。2 ) 双单色仪运行类T F 2 D s a c n该功能类是完成预色散棱镜单色仪6 0 8 和光栅单色仪2 0 6 1 组合使用功能的。所以它集成了单色仪运行类T c o n t r o l F o r m ，串行通讯端L j 类T c o m 等，在这些类的基础上，还有自身的特色成员函数，特点在双单色仪运行的同步组合。a 状态的同步p r o c e d u r eO n 2 D 2 0 6 1 S t a t u s C h a n g e ( S e n d e r ：T O b j e c t ) ；在一个单色仪状态完成后，要检测另一个单色仪的状态，只有二者
15、都完成预设的状态，才可以进行下面的工作。b 霍尔定位的同步P r o c e d u r eO n 2 D 2 0 6 1 H a l1 K e y I n i ( S e n d e r ：T 0 b j e c t ) ；准确的同步定位是双单色仪工作的基础，只有这样才能获得准确的波长位置。C 初始化的同步P r o c e d u r eI n i W L ；5 3指双单色仪完成驱动电机初始化和霍尔定位一系列步骤的同步。d 同步运行到某一波长P r o c e d u r eG o W L ( W l , ：S t r i n g ) ；采用的是运行过程可以不同步，但运行结果必须同步的设计
16、方法。这样既考虑了两个单色仪运行的差别，又保证了测试结果的准确。3 ) 数据显示类T s h o w D a t a该功能类是显示各种测试数据的，其对应的可视窗体包括了三个显示区域。一是曲线方式显示，一是数字方式显示，二者用的是同一数据源不同的显示方式。还有一个区域显示的是一些附加信息。4 ) 样品架电机走位类T F L i n e a r T e s t该类在集成P W M 波形输出控制类T P 删，并口操作类T p a r a l l a P o r t 的基础上，结合样品架走位的要求形成的一个功能类。样品架分三个定位，一个全透射位置，一个被测滤光片位置，一个参比滤光片位置。另外被测滤光片位置有两种规格型号。不同的实验需要不同的走位方式，该类完成的就是走位的控制。5 ) 透射比测量类T F T r a n s S p o t该类在集成样品架电机走位类T F L i n e a r T e s t ，双单色仪运行类T F 2 D s a c n ，数据显示类T s h o w D a t a ，G P I B - - U S B 通讯及数据采
