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高精度小扭矩标准机的研究与实现 摘要 目前，国内扭矩传感器的标定大多采用手动方式，由此带来人为测 量误差。高精度小扭矩标准机采用全自动控制方式对扭矩传感器进行 标定，消除了人为测量带来的误差影响。 该系统采用工控机智能控制、光电检测技术、传感技术、数据采 集及数据处理等技术，可实现控制、采集、处理、存储、打印等全自 动化操作。由工控机程序控制系统运行，通过高精度扭矩测量仪采集 数据，由r s 一2 3 2 通信接口将数据传送到工控机，工控机软件对数据进 行处理，实现传感器扭矩值的标定。 论文首先对系统总体方案设计进行介绍，这部分主要介绍系统的 总体结构以及系统控制方案。之后介绍v c 相关技术以及软件的具体编 写。最后研究、分析系统不确定度，通过对系统不确定度的研究，验 证了高精度小扭矩标准机的测量不确定度在误差要求范围之内，可以 对扭矩传感器进行标定。 关键词：小扭矩标准机结构多线程数据采集数据打印不 确定度 t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fh i g hp r e c i s i o n s m a l lt b r q u es t a n d a r dd e v i c e a b s t ra c i p e o p l ed e m a r c a t et o r q u es e n s o rm a n u a l l yt h e s ed a y s i i lc h i n a s o m e a s u r e m e n te r r o rp r o d u c e s w ec a nd e m a r c a t et o r q u es e n s o r a u t o m a t i c a l l yb yh i g hp r e d s i o ns m a ht o r q u es t a n d a r dd e v i c e 1 l l u s m e a s u r e m e n te r r o re l i m i n a t e s t h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e ri n t e l l i g e n tc o n t r o l t e c h n o l o g y ， p h o t o e l e c t 血d e t e c t o r t e c h n o l o g ) ，s e n s i n gt e c l l i l o l o g y ，d a t aa c q u i s i t i o n a n dp r c h c e s s i n gt e c h n o l o g ya f cu s e di nt h es y s t e 札t h eo p e r a t i o no f c o n t r o l ，c o l l e c t i o n ，p m c e s s i n g ，s t o r a g ea n dp r i n ta r em a d ea u t o m a t i c a l l y t h ec o m p u t e fp r o g r a mc o n t r o l st h es t a n d a r dd e v i c c s 叩e r a t o r h i 曲 p r e c i s i o nt o r q u em e a s u r i n gi n s t n l m e n tc o l l e c t sd a t aa n dt r a n s m i td a t at o s i 觚d a f dd e v i c ev i ar s 2 3 2 n ed a t ai sd e a l e dw i c h 卸t o m a t i c a j l y a tl a s t t h es e n s o ri sd e m a r c a t e d a b o v ea l l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v i c e s 1 1 e c t i v i t ys c h e m e t h i s p a r ti i l t r o d u c e st h ed e v i c es t m c t i i r ea n dc o n t r o l l i n gp r o g r a m s e c o n d l y ， t e c h n o l o g yo fv i s u a lc + + a n dc o m p u t e rp r o g r a m a r ei n t r o d u c e d f i n a l l y ， t h r o u g hr e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n gt h es y s t e m su n c e n a i n t yw ek n o w t h a t h i g hp r e c i s i o ns m a ut o r q u es t a n d a r dd e v i c em e e tt h er e q u i r e m e n t sa n d c a nb eu s e dt od e m a r c a t es e n s o r k e yw o r d s ： h i g l lp r e c i s i o ns m a l lt o r q u es t a n d a r dd e v i c c ss t n l c t u r c m u l t i t h r e a d i n g d a t aa c q u i s i t i o n p r i n tu n c e r t a i n t y 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：王d日期：墨丑z 三 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： e 目一 日期：二冱矗上主二王一。一 导师签名：癣日期：缉i ：豸 ， 高精度小扭矩标准机的研究与实现 北京邮电大学硕士论文 1 1 研究意义 第一章绪论 新技术革命的到来，世界丌始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要 解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主 要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监 视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品 达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去 了基础。 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调 查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地 说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代 化项目，都离不开各种各样的传感器。 扭矩传感器为传感器中的一种，它的扭矩用以评估机械和动力设备的工作能 力、能源消耗、寿命、效率和安全等性能，是机械产品开发研究、测试分析、质 量检验、安全和优化控制等工作中不可缺少的内容。 随着工业自动化程度的不断提高，依靠扭矩提供作业信号的自动化生产工具 和装置被广泛地应用在流水装配线上，它们经长期使用误差也会逐渐的增大，只 有通过校检和调整才能消除误差。对于扭矩工具生产的企业来说，扭矩工具生产 过程中以及出厂之前，要对相应的产品进行检测和标定，并为该产品建立相应的 档案。扭矩值的准确与否相当重要，这关系到整个信息系统测量是否准确。 扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的一门学 科。目前扭矩测量技术已经充分日l 起人们的重视，成为测试技术的新分支。扭矩 己成为众多机械测量中的一个主要参数。准确的扭矩测量，能够为旋转机械的设 计提供科学的数据，能够对动力机械的功率输出是否达到设计值进行必要的检 验，对动力机械的运行状况进行必要的监视和故障报警。该高精度小扭矩标准机 高精度小手 i 矩标准机的研究与实现北京邮电人学硕十论文 即为扭矩传感器进行检测和标定的设备，能准确的测量扭矩传感器的扭矩值。 1 2 设计目标 搭建高精度小扭矩标准机系统平台，对扭矩传感器进行标定。系统精度要求 在o 0 5 以内。 该高精度小扭矩标准机可测量扭矩值范围：1 0 n m 5 0 n m 。系统工作原理： 在一定臂长的杠秆上，加挂一定数量的砝码，从而形成标准扭矩；由工控机程序 控制电机运行，从而控制砝码加卸、杠杆调平、锁紧以及放松等机械操作，通过 高精度扭矩测量仪读出扭矩传感器的扭矩值，实现传感器扭矩的标定。系统采用 工控机智能控制、光电检测技术、传感技术、数据采集及数据处理等技术，可实 现控制、采集、处理、存储、打印等全自动化操作。系统分为全自动和半自动两 种控制方式。全自动采用触摸屏控制方式，在采用全自动控制方式时，扭矩传感 器杯定过程全部由工控机控制，它具有自动控制、自动测试传感器的扭矩值、自 动进行数据处理和打印试验报告等功能。半自动采用控制面板上的按钮进行控 制，扭矩传感器标定过程通过手动进行控制，人工读取传感器的扭矩值，手动进 行数据处理。 1 3 本人工作 1 高精度小扭矩标准机控制程序的编写。 2 使用p m t e i2 0 0 4 对相关硬件接口电路原理图进行设计、印制电路板进行绘 制。 3 扭矩传感器测量不确定度的分析与评定。通过对扭矩传感器测量不确定度 的分析与评定，验证高精度小扭矩标准机扭矩测量状态是否稳定，结果是否可信 以及准确度的情况。 2 高精度小扭矩标准机的研究与实现 北京邮电大学硕七论文 2 1 相关硬件介绍 2 1 1 传感器 第二章系统总体方案设计 传感器是将被测量按照一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。通常 将传感器看作是一个被测非电量转换为电量的装置。传感器位于测控系统的首 端，是获取准确可靠信息的关键装置。由于传感器技术在当今科学技术发展中的 重要位置，引起了世界各国的普遍重视。深入研究传感器的原理和应用，研制和 开发新型传感器，具有重要的现实意义。 由于被测量遍及各学科和工程的各个方面，所以传感器的种类繁多，分类方 法也很多。按其测量对象可分为检测机电一体化系统内部状态的内部信息传感器 及系统外部环境状态的外部信息传感器。内部信息传感器主要检测系统内部的位 置、速度、力、力矩、温度以及异常变化。外部信息传感器主要检测系统的外部 环境状态，他有与人体五种感官相对应的接触式和非接触式。如接触式的触觉传 感器、滑觉传感器、压觉传感器，非接触式的视觉传感器、超声测距仪、激光测 距仪等。 2 1 1 1 扭矩传感器介绍 ( 1 ) 应变型扭矩传感器 此类传感器是日前国内外使用最多的一种传感器，它采用在旋转轴表面贴应 变片的传统方法，利用适当的电路取得信号，然后进行分析处理。应变式扭矩传 感器通过测量由于扭矩作用在转轴上产生的应力来测量扭矩。 ( 2 ) 磁弹性型扭矩传感器 铁磁性材料可以实现磁与众多物理量的相互转换，其中的磁机相互转 高精度小抓矩标准机的研究与实现j 匕京邮电人学硕十论文 换。功能是将机械量转换成磁学量或反之。实现磁机转换的核心是材料的逆 磁致伸缩效应( 或磁弹性效应或压磁效应) 。所谓的逆磁致伸缩效应是指铁磁性材 料受到机械应力( 如扭矩作用引起的应力) 作用时，其材料的导磁性发生改变，尤 其是磁导率发生变化的现象。逆磁致伸缩扭矩传感器正是基于这一效应而设计制 造的。由材料力学知，轴受到扭矩作用时，其轴表面会产生最大剪应力。 ( 3 ) 转角型扭矩传感器 扭转角式传感器是通过测量扭转角来测量扭矩的。 光电式扭矩传感器 相位差式扭矩传感器 振弦式扭矩传感器 ( 4 ) 其他类型扭矩传感器 近几年一些新型的传感器在不断被开发和研制出来。如清华大学1 9 9 9 年研制 的无线无源声表面波( s a w ) 扭矩传感器就是一例。这种传感器是将雷达技术与 s a w 传感器相结合。同电阻应变式传感器一样，是通过测量与轴成4 5 度方向上 的应变来完成对转轴的扭矩测量。 另外还有一些其他的传感器，如美国佛吉尼亚西蒙斯飞行器公司利用光纤技 术研制的光纤扭矩传感器；又如英国福特汽车公司委托南安普大学机械工程系为 其研制的一种电容式扭矩传感器。 2 1 1 2 涡流传感器 本标准机采用涡流传感器对杠杆进行定位，根据涡流传感器与杠杆距离变 化，确定杠杆的平衡位置。下面对涡流传感器工作原理进行介绍。 电涡流传感器由平面线圈和金属片组成，它是基于电磁感应原理而制成的。 由电磁场理论可知，在受到交变电磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。成 块的金属置于变化的磁场中，或者在固定磁场中运动时，金属导体内就要产生感 应电流，这种电流的流线在金属内是闭合的，所以称为涡流。 当线圈中通以高频率的交变电流后，与其平行的金属片上感应产生电涡流， 电涡流的大小影响线圈的阻抗z ，而涡流的大小与金属片的电阻率，导磁率、厚 度、温度以及与线圈的距离x 都有关，当平面线圈、被测体( 金属片) 、激励 4 高精度小扭矩标准机的研究与实现 北京邮电大学硕七论文 源已确定，并保持环境温度不变，阻抗z 只与距离x 有关，将阻抗变化通过“涡 流变换器”转为电压信号v 输出，则输出电压是距离x 的单值函数。 2 1 1 3 二极管l 印介绍 本标准机砝码加载通过光电板进行定位。光电板为带有二极管的电路板。系 统采用的发光二极管由半导体材料制成的。当其内部有一定电流通过时，它就会 发光。 ( 1 ) 发光二极管工作原理 发光二极管是由i i i 族化合物，如g a a s ( 砷化镓) 、g a p ( 磷化镓) 、g a a s p ( 磷砷化镓) 等半导体制成的，其核心是p n 结。因此它具有一般p n 结的i - n 特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光 特性。在正向电压下，电子由n 区注入p 区，空穴由p 区注入n 区。进入对方 区域的少数载流子( 少子) 一部分与多数载流子( 多子) 复合而发光。假设发光一 是在p 区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光 中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中 心捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复 合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越离。由于复合是在少子扩散 区内发光的，所以光仅在靠近p n 结面数岸m 以内产生。理论和实践证明，光的 峰值波长九与发光区域的半导体材料禁带宽度e g 有关，即r1 2 4 0 e g ( m m ) 式 中e g 的单位为电子伏特( e v ) 。若能产生可见光( 波长在3 8 0 姗紫光7 8 0 n m 红光) ，半导体材料的e g 应在3 2 6 1 6 3 e v 之间。比红光波长长的光为红外光。 现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很 高，使用不普遍。 ( 2 ) l e d 的分类 按其使用材料可分为磷化镓( g a p ) 发光二极管、磷砷化镓( g a a s p ) 发光二极管、 砷化镓( g a a s ) 发光二极管、磷铟砷化镓( g a a s l n p ) 发光二极管和砷铝化镓( g a a l a s ) 发光二极管等多种。 5 高精度小抓矩标准机的研究与实现 北京邮电人学硕十论文 按其封装结构及封装形式除可分为会属封装、陶瓷封装、塑料封装、树脂封 装和无引线表面封装外，还可分为加色散射封装( d ) 、无色散射封装( w ) 、 有色透明封装( c ) 和无色透明封装( t ) 。 按其封装外形可分为圆形、方形、矩形、三角形和组合形等多种。塑封发光 二极管按管体颜色又分为红色、琥珀色、黄色、橙色、浅蓝色、绿色、黑色、白 色、透明无色等多种。而圆形发光二极管的外径从巾2 巾2 0 m m ，分为多种规格。 按发光二极管的发光颜色又可人分为有色光和红外光。有色光又分为红色 光、黄色光、橙色光、绿色光等。 另外，发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高 亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管，电压控制型发光二极管、 红外发光二极管和负阻发光二极管等。 本系统采用的是红外发光二极管。用于控制砝码加载位置。 红外发光二极管也称红外线发射二极管，它是可以将电能直接转换成红外光 ( 不可见光) 并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光控及遥控发射电路中。 红外发光二极管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不 同。红外发光二极管通常使用砷化镓( g a a s ) 、砷铝化镓( g a a l a s ) 等材料， 采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。常用的红外发光二极管有s i r 系列、s l m 系列、p l t 系列、g l 系列、h i r 系列和h g 系列等。 2 1 2a c 系列板卡 工控机通过a c 4 1 6 5 板输出信号控制各个电机的运转、采集砝码加载信号、 锁紧电机紧或松信号。通过a c l 0 8 1 板采集输入电压，判断系统杠杆是否平衡。 下面对a c 4 1 6 5 板卡、a c l 0 8 1 板卡特点进行介绍。 2 1 2 1a c 4 1 6 5 板特点 a c 4 1 6 5 板可广泛应用于各种数字量控制、数字量电平变换及输入输出，特 别是在干扰较大的应用场合或长线数字l ，o ，a c 4 1 6 5 更有高抗干扰的特性。具有 6 4 路( 8 个8 位口，共地) 隔离数字输入，数字输入与p c 机完全隔离，耐压 5 0 0 v 可以开关选择：3 2 路( 4 个8 位口，共地) 隔离数字输出。 6 高精度小扭矩标准机的研究与实现 北京邮电人学硕十论文 本系统共占用a c 4 1 6 5 隔离数字输入6 2 位，隔离数字输出1 6 位。a c 4 1 6 5 板卡 实物如图2 1 ： 2 1 2 2a c l 0 8 1 板特点 图2 1a c 4 1 6 5 板卡实物图 a c l 0 8 1 是一款廉价通用a d 板，适合测量变送器输出、直流电压等场合的测 量应用。a c l 0 8 1 具有1 6 路模拟输入、1 路模拟输出、3 2 路丌关量一1 6 路输入及1 6 路输出。 本系统共占用a c l 0 8 l 数字输出1 位。a c l 0 8 1 板卡实物如图2 2 ： 图2 2 c 1 0 8 1 板卡实物图 7 高精度小扭矩标准机的研究与实现北京邮电人学硕十论文 2 2 高精度小扭矩标准机结构 2 2 1 高精度小扭矩标准机装置结构 小扭矩标准机系统由标准砝码装置、杠杆装置和控制装置三部份组成。 标准砝码装置主要包括标准小砝码、小砝码加载机构、标准大砝码、大砝码 加载机构和支架，如图2 3 所示； 杠杆装置主要包括杠杆、杠杆纵向锁紧机构、涡流传感器、杠杆支架、平衡 锤、杠杆横向锁紧机构、砝码刀口、杠杆轴、传动装置、移动支架和扭矩电机， 如图2 3 所示： 控制装置主要包括工控机、工控机接口、输入接口板、输出接口板、输出继 电器板、电机控制板、手动控制面板、光电控制板等，如图2 4 所示。其中工控 机接口由工控机接口板( 装在工控机内：a c 4 1 6 5 板卡，a c l 0 8 1 板卡) 和工控机接 口转换装置组成，工控机接口转换装置是工控机与扭矩测试系统的通讯通道。 整个系统共由七个电机束对不同的装置进行控制，包括币扭矩大砝码电机、 正扭矩小砝码电机、反扭矩大砝码电机、反扭矩小砝码电机、扭矩电机、横向锁 紧电机和纵向锁紧电机。 杠杆装置 ：= t = l 一一一一一一一一一一一_ 图2 3 砝码装置和杠杆装置 8 高精度小扭矩标准机的研究与实现北京邮电大学硕士论文 高 r i 。一 忘 勰 l ， l 巩 l 氍 lf _ j ll 二二巫至互二) 图2 4 小扭矩标准机控制装置系统图 2 2 2 高精度小扭矩标准机工作原理 高精度小扭矩标准机结构框图如图2 5 所示： 图2 5 高精度小扭矩标准机结构框图 小扭矩标准机工作原理：工控机程序通过a c 4 1 6 5 板卡，经工控机接口转换 装置发出信号，控制砝码电机加载、卸载一定数量的砝码( 砝码的加、卸载采用 电机带丝杠升降结构，砝码位置由红外光偶定位) ，从而形成标准扭矩。然后控 制扭矩电机来转动扭矩传感器，将杠杆调平。杠杆的平衡位置由涡流传感器与杠 杆之间的距离确定。涡流传感器将该距离转换为电压值输出，当电压表示数在o 值附近时，即认为杠杆调平。此时a c l 0 8 l 板将该信号传入工控机程序，之后工 9 高精度小扭矩标准机的研究，实现j 匕京邮电人学硕十论文 控机程序通过r s 2 3 2 串口，读出高精度扭矩测量仪所采集扭矩传感器的量值，该 值通过打印机打印输出，从而实施本标准机对扭矩传感器的标定。 2 3 高精度小扭矩标准机系统控制方案 高精度小扭矩标准机采用两种控制方式：手动控制方式，全自动控制方式。 2 3 1 方案一：手动方式 在采用手动控制方式时，扭矩传感器标定过程全部由操作人员按标定工作要 求通过按钮控制试验，检测数据由操作人员记录。 通过正矩大砝码“加载”按钮、正矩大砝码“卸载”按钮、反矩大砝码“加 载”按钮、反矩大砝码“卸载”按钮、正矩小砝码“加载”按钮、j 下矩小砝码“卸 载”按钮、反矩小砝码“加载”按钮、反矩小砝码“卸载”按钮来控制砝码的加 减； 通过横向锁紧电机“锁紧”按钮、横向锁紧电机“松开”按钮、纵向锁紧电 机“锁紧”按钮、纵向锁紧电机“松开”按钮控制杠杆的夹紧与松开状态； 通过扭矩电机“正转”按钮、扭矩电机“反转”按钮控制扭矩电机的正转、 反转。 平衡判断：涡流传感器将其与杠杆距离转换为电压值输出，当电压表读数在 0 v 附近时表示杠杆处于平衡状态，此时所加的砝码的值为传感器的扭矩值。通 过高精度扭矩测量仪读出传感器的扭矩值。 试验时首先将杠杆调平衡，装上扭矩传感器。再次调平衡杠杆。之后运行锁 紧电机央紧杠杆，运行砝码电机加指定个数的砝码，加完砝码运行扭矩电机，当 电压表读数在o v 附近时读扭矩测量仪所显示的示数。该示数即为扭矩传感器当 前的扭矩值。 2 3 2 方案二：全自动控制方式 在采用全自动控制方式时，扭矩传感器标定过程全部由工控机控制。系统采 用了工控机伺服控制技术、光电检测技术、传感技术及数据处理等技术。它具有 自动控制、自动测试传感器的扭矩值、自动进行数据处理和打印试验报告等功能。 1 0 高精度小扭矩标准机的研究与实现 北京邮电大学硕士论文 工控机程序通过a c 4 1 6 5 板的6 4 路数字输入，判断砝码是否加载及锁紧电 机的状态。砝码是否加载通过光电板定位，光电板上光电管将采集到信号传入 a c 4 1 6 5 板。锁紧电机是否锁紧通过限位开关来控制，限位开关将所得信号传入 a c 4 1 6 5 板。之后程序通过a c 4 1 6 5 板的输入情况对砝码及锁紧电机状念进行判 断。工控机程序通过a c 4 1 6 5 板的3 2 位数字输出控制七个电机的运行与停止。 杠杆平衡状态由a c l 0 8 1 板的输入判断：首先涡流传感器将其与杠杆距离转换为 电压值输出( 该值可通过电压表显示) 。工控机通过a c l 0 8 1 板将该值读入，从 而程序做出杠杆是否平衡的判断。工控机程序通过串口读取高精度扭矩测量仪所 采集扭矩传感器的量值。 试验参数( 如读数方式、传感器正矩反矩、全程进程、传感器最大负荷扭 矩值、检定步长等) 和确认控制指令以人机对话形式输入。设定完参数，点击“开 始”按钮程序自动控制试验的运行。如图2 6 所示。若实验过程中有异常出现， 可以点击屏幕上的“暂停”按钮，异常解除，点击“继续”按钮，可继续进行试 验。程序运行完毕，点击“打印”按钮打印保存所测数据。 图2 6 人工读数确认窗口 全自动控制方式最大的优点在于：扭矩传感器扭转之后的读数延时是智能控 制的，通过程序的参数界面设定。如图2 - 7 所示的参数输入窗口。 n 高精度小扭矩标准机的研究j 实现 j 匕京邮电人学硕十论文 图2 7 参数输入窗口 例如：若读数之i j 需延时1 0 s ，则在界面上扭矩延时输入框中输入“1 0 ”即 可。如果读数延时时间不能确定，可采用“人工读数方式”，进入人工读数方式 后，每次读数之前会弹出一个窗口，如图2 6 所示，点击窗口上“确认”按钮之 后便可读数。 图2 8 人工读数确认窗口 正式试验前要对传感器最大扭矩值进行预扭3 次，之后进行正式试验。正式 试验分为等不长测试和不等步长测试两部分，当要取的试验点间隔相等时可以进 入等不长测试，当所取的试验点间隔不等时进入不等步长测试。测试三次，将所 测结果保存打印试验报告。 高精度小扭矩标准机的研究与实现 北京邮电大学硕士论文 第三章v c 相关技术介绍及应用 3 1 开发工具的选取 系统要求友好的人机界面，可视化程度高。v i s u a lc + + 是迄今为止m i a o f t 公司开发的最全面和最完善的程序设计语言。该语言不仅能够编写传统的d o s 操作系统下的应用程序，更主要的是它可以编写w i n d o 、v s 操作系统下的各种应 用程序。并且它提供了一组各种各样的为适应几乎每一种编程风格而设计的工 具。这使得该语言具有功能强大，代码简洁，可移植性强等特点。同时v i s u a lc + + 语言改变了传统的字符界面的编程手段，利用可视化的编程方法使得先前枯燥、 单调的计算机编程变得更加生动和令人赏心悦目。v i 辄a lc + + 的内容非常庞大， 几乎包括了对计算机所有软件和硬件资源的操作。 v i s u a ic + + 6 0 是一个功能强大的可视化编程环境，借助于其生成代码的向 导，它能在数秒内生成可运行的w i n d o w s 应用程序外壳。一个v i s u a lc + + 的程 序首先是应用程序框架，而这一框架j 下是应用程序的“骨架”，应用程序框架 通过提供所有应用程序共有的东西，为用户程序的开发打下了良好的基础。程序 框架就是一个已经完成的可运行应用程序，我们所需要做的，只是在程序中加入 完成所需的功能代码。m f c 库是c + + 类的一个集合和一个应用程序框架，主要 用于创建m i c r o f tw i n d o w s 应用程序。这个类的集合将c + + 语言扩展为包括创 建基于w i n d o w s 的应用程序所需要的大部分基本结构元素。在创建应用程序的 基本框架后，使用类向导c l a s sw i z a r d 来定义类的消息及其处理过程、重载虚函 数、派生或创建新的类、定义类的类属性数据等，最终建立起完整的应用程序。 m f c 展示了代表w i n d o w s 操作系统中的通用对象( 如窗口和菜单) 的基本类。m f c 缩短了开发时间，使代码更简洁，在不降低编程自由度和灵活性的前提下提供支 持，并提供了对难于编程的用户界面元素和技术( 如a c t i v c x 和h l t e m e t ) 编程的方 便访问。在用v i 蛐a lc + + 6 om f c 进行软件开发时，所要做的具体编码工作较少， 产生的代码都是标准化模块，只需根据应用的需要完成相应的常量、变量声明， 高精度小扭矩标准机的研究与实现j 匕京邮电人学硕十论文 消息映射函数的声明，并且实现各个具体的函数：设计好用户界面并将各控件与 相应的响应函数连接起来就可得到软件代码。 丌发环境是程序员同v i s u a lc + + 的交互界面。通过它程序员可以访问c + + 源 代码编辑器、资源编辑器，使用内部调试器，并且可以创建工程文件。 目前，利用m i c m s o f tv i s u a lc + + 提供的m f c ( m i c m s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) 开发 人机交互界面是常用的方法，它能向用户提供图形与文字共存的可视化环境，使 操作更为自然、简便和快速，并且设计、调试及修改都比较方便，技术也比较成 熟。 本课题采用v c + + 6 o 丌发人机交互界面。 通过m f c 类向导可建立三种应用程序框架，基于s d i ( 单文档界面) ，m d i ( 多文档界面) 和d i a l o g ( 对话框) 。分析整个过程大都是人机交互形式的，罩面出 现很多对话框要求用户输入，如参数设定，信息框，选择等等。所以要创建一个 基于对话框的工程项目。 下面介绍一下该项目的创建过程： i ) 在f i l e 菜单下选择n e w ，在n e w 对话框中选择p r o j e c b 下的m f c a p p w i z a r d 【e x e 】，为项目命一个合适的名字并选择存放位置，单击o k 按钮。 2 ) 在弹出的m f c a p p w i z a r d s t e p1o f 4 对话框中选择d i a l o g b 髂e d ，单击n e x t 按钮。 3 ) 弹出的m f c a p p w i z a r d s t e p2 o f4 对话框中选择a b o u tb o x ，3 d 0 0 n t m l s ，a c t i v e xc o n t m l s ，取消其它选择，单击n e x t 按钮。 4 ) 在弹出的m f c a p p w i z a r d s t e p3o f 4 对话框中取系统默认选择，单击n e x t 按钮。 5 ) 在弹出的m f c a p p w i z a r d s t 印4 0 f 4 对话框中显示a p p w i z a r d 向导所生成 的类，单击f i n i s h 按钮，出现生成新项目的一些信息。 单击o k 按钮一个新的工程项目程序框架就生成了，接下来程序员可以根据 程序的要求完成添加资源、代码等工作。为了便于程序丌发，m i c r o s o f tv i s u a l c + + 6 0 同时提供向导c 1 勰s w i z a r d ，它可以帮助程序员完成为程序添加或删除类、 数据成员、函数成员和消息等工作。 1 4 高精度小扭矩标准机的研究与实现 北京邮电人学硕十论文 3 2 线程介绍 3 2 1 线程的基本概念 可以把线程看成是操作系统分配c p u 时间的基本实体。系统不停地在各个 线程之间切换，它对线程的中断是汇编语占级的。系统为每一个线程分配一个 c p u 时间片，某个线程只有在分配的时间片内才有对c p u 的控制权。实际上， 在p c 机中，如果只有一个c p u ，那么在某个具体时刻只有一个线程在运行。由 于系统为每个线程划分的时间片很小( 2 0 毫秒左右) ，所以看上去好象是多个线程 在同时运行。简单地说，就是在单c p u 系统中，多个线程在微观上是串行执行 的，但是在宏观上却是并行执行的。进程中的所有线程共享进程的虚拟地址空间， 这意味着所有线程都可以访问进程的全局变量和资源。这一方面为编程带来了方 便，但另一方面也容易造成冲突。虽然在进程中进行费时的工作不会导致系统的 挂起，但这会导致进程本身的挂起。所以，如果进程既要进行长期的工作，又要 响应用户的输入，那么它可以另外启动一个线程来专门负责费时的工作，而主线 程仍然可以与用户进行交互。这也是本系统软件采用多线程技术的主要缘由。 3 2 2 线程的创建、终止和线程的挂起、恢复 3 2 2 1 线程的创建 m f c 中有两类线程，分别称之为工作者线程和用户界面线程。二者的主要区 别在于工作者线程没有消息循环，而用户界面线程有自己的消息队列和消息循 环。 工作者线程没有消息机制。通常用来执行后台计算和维护任务，如冗长的计 算过程，打印机的后台打印等。用户界面线程一般用于处理独立于其他线程执行 之外的用户输入，响应用户及系统所产生的事件和消息等。但对于w i i l 3 2 的a p i 编程而言，这两种线程是没有区别的，它们都只需线程的启动地址即可启动线程 来执行任务。 在m f c 中，一般用全局函数a f x b c g i n n r d o 来创建并初始化一个线程的 高精度小扭矩标准机的研究! ，实现北京邮电人学硕十论文 运行，该函数有两种重载形式，分别用于创建工作者线程和用户界面线程。两种 重载函数原型和参数分别说明如下： ( 1 ) c w i n t l l r e a d 4a f x b e g i n t h r e a d ( a d ( _ t h r e a d p r o cp f n t h r c a d p r o c ， l p v o i dp p a r 锄， n p r i o r i t y = t h r e a d p r i o r n y | n o r m a l u i n tn s t a c k s i z e = 0 d w o r d d w c r e a t e f l a g s = 0 ， i j p s e c u r r r y t t r i b u t e si p s e c u r i t y a t t r s = n u l l ) ； p f n l l l f e a d p r o c ：指向工作者线程的执行函数的指针。 p p a m m ：传递给线程函数的一个3 2 位参数，执行函数将用某种方式解释该 值。它可以是数值，或是指向一个结构的指针，甚至可以被忽略： n p r i o r i t y ：线程的优先级。如果为0 ，则线程与其父线程具有相同的优先级： n s t a c k s i z e ：线程为自己分配堆栈的大小，其单位为字节。如果n s t a c k s i z e 被设为o ，则线程的堆栈被设置成与父线程堆栈相同大小； d w c r c a t e n a 黔：如果为o ，则线程在创建后立刻开始执行。如果为 c r e a 匝s u s p e n d ，则线程在创建后立刻被挂起； l p s e c u r i t y a t t f s ：线程的安全属性指针，一般为n u l l ： ( 2 ) c w i n n r e a d + a f x b e g i n n r c a d ( c r u n t i m e c l 獬m r c a d a 舾s ， i n tn p r i o r i t y 三i h r 队d p r l 0 r r r y n o r m a k u i n tn s t a c k s i z e = 0 d w o r d d w c r e a t e f l a 擎= 0 ， l p s e c u r i t y - a 1 1 r i b u l l 三sl p s c c i l r i t y a t t r s = n u l l ) ； p n r e a d c l a 鹞是指向c w i n t h r e a d 的一个导出类的运行时类对象的指针， 该导出类定义了被创建用户界面线程的启动、退出等；其它参数意义同形式( 1 ) 。 工作者线程的创建：创建工作者线程相对比较简单，只需要两步：编写控制 函数和启动线程。所谓控制函数，就是指你想要并行运行的子程序。当进入该函 数时，线程开始运行，退出时，线程终止，其声明如下： u l n t l l l 呦d p m c n e q u a l t e s t ( v o i d 姗) 参数p p a 姗是一个单精度3 2 位值，是调用函数创建线程对象时，传递给线 1 6 高精度小扭矩标准机的研究与实现 j 匕京邮电大学硕士论文 程函数的参数。它可以是一个数值，也可以是指向包含多个参数的结构指针，甚 至可以忽略。如果该参数是一个结构指针，那么该结构不仅用于调用函数传递参 数给线程函数，还可以将数据从线程函数回传给调用函数。如果使用该结构回传 数据，当线程函数的数据准备好的时候，要通知调用函数。控制函数的返回值为 o ，则表示成功，不为o ，则表示发生了不同类型的错误。 工作线程形式的a f ) ( b e 西n 1 1 1 r e a d ( ) ，前两个参数是控制函数的地址和要传送 给控制函数的参数。其余的参数( 它们都有默认值) 可以让你指定线程的优先级、 栈大小、创建后是立即挂起还是立即运行。最后的参数允许你指定线程的安全属 性一默认值n u l l 表示该线程将继承调用线程的安全属性。 用户界面线程的创建：首先，从c w i n n r c a d 类派生出自己的线程类，必须 确保用宏d e c “堰ed y n c r e a t e 和l m p u ；m e n td y n c r e a t e 对该类进行 声明和实现，然后该类重载一些函数，如：e d t i n s t 柚c c ，i n i t l n s t a n c e ，o n i d l e ， p r c t r a n s l a t e m e s s a g c ，p r l o c c 鹳w n d p m c e x c e p t i ，r 岫等等，最后调用+ a 仅b e 西n m e a d ( ) 创建并启动线程。另外，还可以通过构造函数创建类 c w i i r l l l r c a d 的一个对象，再调用函数：c r c a t e 胁d 启动线程的方法来创建一个 用户界面线程。 3 2 2 2 线程的终止 线程终止有两种方法，一种通过调用函数，一种通过线程自动执结束，线程 执行结束后，线程自动从线程函数返回并释放线程占有的资源。下面介绍线程结 束函数： ( 1 ) v o i de x i f n l r e a d ( d w 0 r dd w e x “c o d e ) ； 该函数用于线程终结自身的执行，主要在线程的执行函数中被调用。它将线 程退出设置为d w e x j t c o d e 后，终止该线程( 执行函数) 的执行。值得注意的是， 调用e x i t t l i r d 后，并不能确保从系统中清除指定的线程对象。只有当该线程对 象的最后一个句柄被关闭后，线程对象才被彻底清除。 ( 2 ) b 0 0 lt c m i n a t e t l l r e a d ( h a n d l eb m a d ，d w o r dd w e x i t c 0 d c ) 一般情况下，线程运行结束之后，线程函数正常返回，但是应用程序可以调 用t c r i i l i n a t m r e a d 强行终止某一线程的运行。各参数含义如下： 1 7 高精度小扭矩标准机的研究与实现北京邮电人学硕十论文 h t h r c a d ：将被终结的线程的句柄。 d w e x i t c o d e ：用于指定线程的退出码。 如果函数执行成功，则返回非0 值，否则返回o 值。 使用t e m i n a t e n r e a d ( ) 终止某个线程的执行是不安全的，可能会引起系统不 稳定：虽然该函数立即终止线程的执行，但并不释放线程所占用的资源，例如为 线程仞始分配的堆栈等。另外，与e x i t t l l r e a d 0 函数类似，调用该函数也不能保 证将h n r c a d 所指定的线程对象从系统中清除。只有当该线程对象的最后一个句 柄被关闭后，该线程才会被彻底删除。 3 2 2 3 线程的挂起与恢复 调用c w i n t l l r e a d 类成员函数s u s p e n d n r c a d ( ) 暂停线程的运行，调用 r e s u m e t h r c a d ( ) 成员函数恢复线程的运行。 函数介绍： ( 1 ) d w o r ds u s p e n d t h r e a d ( h a n d l eh n ”a d ) ； 该函数用于挂起指定的线程，如果函数执行成功，则线程的执行被终止( 指 用户为其指定代码) 。 每个线程都有一个挂起状态记数值，其最大值为一个常数 m a x i m u ms u s p e n dc o u n t 。当该计数值大于零时，线程处于挂起状态。当 该计数值为零时，线程处于正常执行的状态，并且可能被调度程序装入c p u 中 运行。调用s u s p e n d t l l r e a d ( h n r e a d ) 导致由h t h f c a d 标识的线程的挂起状态计数 值加l 。当其已经达到了最大值，再试图挂起该线程将导致调用错误。参数h 耽r e a d 表示将被挂起线程的句柄。 如果该函数执行成功，则函数返回调用前的线程挂起状态计数值，否则返回 值被置为o x 胁f f f f 。另外，在创建线程时，使用c r e r e - s u s p e n d e d 标 志也可以挂起线程。 ( 2 ) d w o r dr 鼯u m c l r h r c a d ( h a n d l eh t l l f e a d ) ； 将由h 1 1 a d 标识的线程的挂起状态计数值减1 。 如果该函数执行成功，则返回由h t h r c a d 句柄所标识的线程在调用前所拥有 的挂起状态计数值