上位机PC软件Word格式.docx
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AssociateProf.00000000
SchoolofAutomation
NanjingInstituteofTechnology
June,2013
摘要
设计拉力试验机PC端软件的主要目的是配合拉力试验机下位机工作，运用无线网络技术实现对多台拉力试验机的监控，对接收到的数据进行简单处理，绘制出拉力曲线图，并完成对数据的存储。
本文的主要内容是介绍了一种基于C++语言开发的监控软件。
对拉力试验机的工作原理及整个系统的网络结构进行了简要的阐述。
分析了软件的的用户需求、设计方法、设计思路、设计流程等。
重点介绍了模块化程序设计的方法并着重讲述了各功能模块的功能实现。
按照要求，本次的软件可分为以下几大功能模块，分别是串口通信模块、显示模块、绘图模块、存储模块及其他附加功能模块，其中，重点讲述了串口通信模块的功能实现。
在运行调试过程中，遇到的一些问题通过老师指导、查阅资料等方法得到了很好的解决。
程序运行的结果基本达到了预期的效果，串口通讯可靠性满足要求，拉力曲线图绘制比较精确，数据的存储功能也基本实现。
但是，仍有不足之处。
例如：
界面美化方面有待进一步加强，软件不够灵活，未能实现拉力曲线图的存储。
关键词：
拉力试验机；
监控软件；
C++；
串口通信
ABSTRACT
ThemainpurposeofthedesignoftensiletestingmachinePCsoftwareisworkwithtensiletestingmachine,computer,monitormultipletensiletestingmachinewithwirelessnetworktechnology,asimpletreatmentofthereceiveddata,drawforcecurve,andcompletethedatastorage.
ThemaincontentofthispaperistointroduceamonitoringsoftwarebasedonC++language.Thenetworkstructureoftheworkingprincipleoftensiletestmachineandthewholesystemarebrieflydiscussed.Analysisofconsumerdemand,thesoftwaredesignmethod,designideas,designprocess.Introducedthemethodofmodulardesignanddescribesthefunctionsofeachfunctionmodulerealization.Accordingtotherequirement,thesoftwarecanbedividedintoseveralfunctionalmodules,respectivelyistheserialcommunicationmodule,displaymodule,thedrawingmodule,storagemoduleandotheradditionalfunctionmodule,wherein,focusesontheserialcommunicationmodule.Inthedebuggingprocess,someoftheproblemsencounteredwereobtainedthroughtheguidanceofateacher,accesstoinformationandothermethodstosolvegood.Theresultofrunningtheprogrambasicallyachievetheexpectedresults,tomeettherequirementsofserialcommunicationreliability,tensilecurvedrawingismoreaccurate,butalsorealizethefunctionofdatastorage.However,therearestillshortcomings.Forexample:
theinterfacelandscapingshouldbefurtherstrengthened,thesoftwareisnotflexibleenough,failedtoachievethetensilecurvegraphstorage.
Keywords:
Tensiletestingmachine;
monitoringsoftware;
C++;
serialcommunication
目录
第一章绪论7
1.1引言7
1.2设计的目的及意义8
1.2.1本次选题的意义9
1.2.2软件设计的目的9
1.3国内外的研究现状9
1.3.1国外的发展现状10
1.3.2国内的发展现状11
1.4本文的结构11
第二章上位软件的总体分析13
2.1网络结构13
2.1.1Zigbee简介13
2.1.2Zigbee应用15
2.2上位PC软件设计分析15
2.2.1需求分析15
2.2.2模块化程序设计16
2.2.3功能模块的划分17
2.3设计的思路及实现的方法18
2.3.1总体设计概述18
2.3.2编程语言的选择18
2.3.3编程的步骤18
2.4本章小结19
第三章上位软件的具体设计20
3.1软件总体流程图20
3.2串口通信的实现21
3.2.1MSComm控件简介21
3.2.2利用串口控件实现串口通信24
3.2人机交互界面的设计27
3.2.1人机界面设计原则27
3.2.2主体界面的设计29
3.3.3常用控件的使用情况30
3.3拉力曲线的绘制31
3.3.1绘图用到的类与函数31
3.3.2拉力曲线绘制的总流程图33
3.4数据的存储34
3.5本章小结36
第四章软件功能的实现38
4.1软件调试方法38
4.2软件具体调试39
第五章结论43
5.1论文总结43
5.2展望43
5.3感想44
第一章绪论
1.1引言
试验机是试验、检测材料（金属材料、非金属材料）、零部件、构件和结构的强度、刚度、硬度、弹性、塑性、韧性、延性和表面与内部缺陷的仪器设备、系统或装置。
大多数试验机是集机一光一电一液于一体的技术密集型高科技产品，多数产品均属于计量器具。
在工业的发展过程中，新材料，新工艺，新产品的不断出现。
为了判断材料的力学性能，产品的结构性能，就需要相应的试验设备以及材料试验方法，于是拉力试验机应运而生。
第一台拉力试验机诞生于200年前的西欧，采用的机械杠杆，砝码加荷原理制成，用以测定钢铁和其他金属材料的抗拉强度试验。
随着材料科学和材料力学的研究，拉力试验机逐渐成为一种专门用于研究各类材料机械性能试验，工艺性能，结构强度的工具。
二战以后，科学技术迅猛发展，促进了各国试验机产业的发展和技术改革。
拉力试验机主要由机械部分，数据采集部分，私服驱动部分，数据处理部分等组成。
随着科技的发展拉伸试验机经历了机械式拉力试验机，电液伺服拉力试验机（如图1.1），到今天的微机控制电子万能拉力试验机主要的三个阶段。
图1.1WAW-D系列微机控制电液伺服万能试验机
随着信息技术等科技的高速发展，拉力试验机在软硬件方面也出现的新的发展趋势。
由于微电子技术的快速发展，微处理器的速度越来越快，价格越来越低，已被广泛应用于拉力试验机中，使得一些原本由硬件完成的功能，可以通过软件来实现。
甚至许多原来用硬件电路难以解诀或根本无法解决的问题，也可以采用软件技术很好地加以解决。
电子万能试验机（如图1.2）就是一种广泛使用的标准测试设备，在各类材料的质量检验、材料科学研究和实验教学环节，都需要用它进行材料的力学性能测试。
他们就是利用计算机来控制试验机的测试过程，并用计算机来采集试验时的各种传感器的数据，然后在计算机上实时显示，在试验结束后试验机可以将数据进行各种处理，从而得到例如弹性模量、强度极限、屈服极限等材料参数，同时还可以通过计算机来进行各种精确的闭环控制方式，例如位移控制、应变控制、应力控制等。
图1.2微机控制电子万能试验机
1.2设计的目的及意义
拉力试验机广泛应于用工矿企业、计量、学校的现场和实验室，其应用领域涉及到机械、冶金、建筑、航空、航天、军工、交通、运输、质检、计量、教育、医疗等各行各业。
因此，试验机在国民经济中占有相当重要的地位，它的发展水平在某种程度上反映了一个国家工业发展的水平。
试验技术和试验机是现代科学技术不可缺少的重要组成部分，所以对试验机的研究具有重大意义的。
1.2.1本次选题的意义
由计算机参与的控制系统是一种软件和硬件相结合的控制系统，其优势相对于传统的控制系统而言，是相当明显的。
首先，它可以完成比较复杂的控制过程;
其次，随着计算机产业的飞速发展，硬件产品的成本逐年下降，所以可以以较小的造价实现更为全面的功能，能够完成复杂试验过程的控制系统。
此外，计算机参与构成的控制系统具有试验结果的存储和分析功能，从而使此类系统能为研究人员提供及时准确的试验数据和结果分析，可以大大缩短试验周期，提高了试验效率。
因此，开发拉力试验机PC端软件的意义主要体现在以下两方面:
1、拉力试验机计PC端软件可以充分发挥最新计算机产品所带来的海量的存储空间、快速的CPU运算速度所带来的性能优势，进行大量的数据存储，完成高速率的运算处理，最大限度地保证了系统拥有高性能的硬件基础。
2、高级语言开发出来的、易于操作的人机交互界面，可以为试验人员提供一个友好、明晰的操作环境，通过该界面，试验操作人员能方便地选择输入试验控制参数，控制试验的开始和终止，实时观察试验的进程。
在试验结束后，还可以由计算机处理试验数据绘制拉力曲线图，并将数据存储，试验人员可以调出以前的试验数据，以供研究，还可以根据研究的需要，编制相应程序，对有关数据进行处理，在计算机的协助下，快速准确的得到试验结果。
1.2.2软件设计的目的
本课题研究的主要目的在于结合现有的试验设备，开发出一种成本低、性能稳定、操作简明的拉力试验机PC端软件，以改进此类试验的控制手段。
通过计算机软件控制试验的过程、存储试验数据，绘制拉力曲线图，达到其增强数据处理的能力，为试验人员提供高效精确的试验监控系统，减轻试验人员的劳动强度，缩短试验周期的目的，使拉力试验满足工作的需求。
1.3国内外的研究现状
最早的拉力试验机对试验过程的控制多数采用传统的机电控制手段实现，此类设备中操作过程烦琐、试验精度不高、试验数据的保存不便、处理不及时，在一定程度限制了试验机的使用和发展。
伴随现场总线的问世，过程测控仪表发展历程出现了重大转折和难得机遇。
现场总线的出现，为仪器仪表的更新换代、产品升级以及实现进一步的高精度、高性能提供了巨大动力和发展空间。
一台基于STD总线微机控制的拉力试验机的原理如下：
由力传感器和位移传感器把拉伸试验过程中采集到的电信号传到STD总线工业控制机的前置放大电路,经前置放大电路一级放大之后,传送到模/数转换器,经过模拟量向数字量的转换,电信号转变成数据,同时又被二级放大,再经由RS232C串行接口,传入计算机,实现计算机的自动控制。
如图1：
采用这种基于总线微机控制的拉力试验机，使得拉力试验的工作更加可靠，所得的数据更加准确。
本系统相比普通拉力试验机能很好实现基本功能以外，还具有以下的特点：
1、原始拉伸过程的再现：
由于在拉伸过程中存储了6000多个原始拉伸采样点,从而可实现拉伸过程的再现,为日后的科研研究提供物质基础。
2、代码设计：
由于采用了标准码输入,从而简化了汉字输入,提高了整个系统的运行时间。
目前，随着计算机技术的普及，计算机硬件成本的降低和计算机软硬件技术的发展，利用PC机实现较高性能的拉力试验控制系统成为发展的方向。
1.3.1国外的发展现状
国外拉力试验机经过一百多年的发展沉淀，拉力试验机的控制测量和记录系统，广泛采用了电子技术，计算机技术，使拉力试验机的性能得到很大的提高。
比较有代表性的是德国，美国，以及日本等一些企业。
而电子万能试验机经过四十年的发展，先后推出了四代产品:
第一代为电子管与晶体管时代，第二代为集成电路模拟时代，第三代为数字时代，第四代为计算机时代。
比较有代表性的是美国的英斯特朗（Instron）公司，德国的茨维克（Zwiek）公司、德国申克（Schenck）公司和美国的MTS公司等。
长期以来，试验机一直是欧美对我国尖端科研课题限制出口的产品。
1.3.2国内的发展现状
我国的国防科技工业和其它部门的科研院所不能直接进口某些关键材料试验的仪器设备。
所以，要发展中国的试验机产业，就必须走自主创新的道路。
试验机行业在我国已有五十多年的发展史，其发源地在我国的东北吉林省长春市。
随着各行各业对试验机产品需求的增长，我国生产制造水平的不断提高和测试技术的飞速发展，目前生产试验机的公司和企业已遍布全国各地，有代表性的试验机厂家是深圳新三思集团有限公司、济南试金集团有限公司、长春试验机研究所等。
它们生产着几百种规格、型号的试验机产品，有的试验机产品已出口到国外，远销到亚洲和欧美市场。
目前，国内的试验机厂家的PC端拉力试验机软件，有自己开发的，有购买专门从事试验机软件开发的公司的，也有引进国外公司的。
总体来说，各有千秋，有的功能简单但操作方便，有的功能强大但操作复杂。
其实我国的试验机软件技术水平是相当不错的，早在1996年，在上海多国仪器仪表展览会上，新三思公司和美国MTS公司在中国大陆同期推出基于Windows系统平台下的试验软件。
我国的试验机从功能性、适用性等方面都紧随国外试验机行业，如新三思集团公司前两年推出的PowerTestV3.O试验软件，功能更强大、操作更人性化，获得了国内广大用户的一致好评。
1.4本文的结构
本文以拉力试验机的研发工程项目作为应用背景，对拉力试验机无线网络的PC软件进行了设计。
全文共分为五章，各章的主要内容如下：
第一章扼要地介绍了拉力试验机的工业概念和它在国内外的发展、基本工作原理以及本课题的研究意义和目的；
第二章介绍了拉力测试系统的无线网络结构，分析了用户需求并提出了用模块化程序设计完成此次的软件设计。
接下来就划分了各功能模块，给出软件设计的思路及实现方法；
第三章则详细讲了各功能模块的实现，对其中的串口通信模块的实现进行了重笔墨的叙述。
第四章是软件功能的实现和调试，介绍了几种常用的调试方法，用图片的方式详细给出了软件调试的过程和结果；
第五章总结了全文的研究工作。
第二章上位软件的总体分析
2.1网络结构
本课题的拉力试验机系统所采用的是无线网络结构，运用的是无线网络中目前比较流行的Zigbee无线网络技术。
2.1.1Zigbee简介
Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗域网协议。
根据这个协议规定，Zigbee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。
每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。
下图为Zigbee的网状结构图（图2.1.1）。
图2.1.1Zigbee的网状结构图
ZigBee网络相比于蓝牙跟WiFi的优势体现在：
①低功耗。
在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。
这是ZigBee的突出优势。
相比较，蓝牙能工作数周、WiFi只可工作数小时。
②低成本。
通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。
每块芯片的价格大约为2美元。
③低速率。
ZigBee工作在20～250kbps的速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
④近距离。
传输范围一般介于10～100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到1～3km。
这指的是相邻节点间的距离。
如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
⑤短时延。
ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。
相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。
⑥高容量。
ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；
同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。
⑦高安全。
ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单（AccessControlList,ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。
简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线网络，类似于CDMA和GSM网络。
ZigBee数传模块类似于移动网络基站。
通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。
下图2.1.2展示的Zigbee无线网络模块。
图2.1.2Zigbee无线模块
2.1.2Zigbee应用
本课题中，多台拉力试验机所测得的试验数据经过Zigbee无线网络传到系统中的无线接收模块。
无线接收模块通过USB接口将得到的数据传送给数据处理模块，再由数据处理模块对数据进行一系列的处理，并通过串口将数据上传到PC端，通过PC端的拉力试验监控软件实现对多台拉力试验机数据的显示，绘图，保存等一系列的处理。
从而使整个系统达到了拉力试验的要求。
本人毕业设计所要完成的工作就是对拉力试验机PC端软件的设计。
整个系统形象的结构示意图如图2.1.3
图2.1.3系统结构示意图
2.2上位PC软件设计分析
2.2.1需求分析
PC软件应该包括串口通信、人机界面、数据显示、图形绘制、数据储存等功能。
串口通信作为一种基本而又灵活方便的通信方式,它被广泛应用于工业控制与自动控制中,它不仅没有因为时代的进步而遭淘汰,反而在规格上越来越完善,应用也越来越广泛。
本软件就是运用串口实现上下位机之间的通信的。
要求则是能完成数据的接收，并且可以在界面上修改串口传输的参数。
人机界面是工业控制软件中的重要组成部分，通过显示器、键盘和鼠标，实现人机对话功能和操作人员对控制系统操作的干预。
本软件对人机界面的需求是界面友好，易于操作。
图形绘制是工业控制软件中最重要的内容，包括控制软件总貌显示、工艺流程图画面、系统实时数据显示等。
工业图形的绘制通常是以坐标系的形式动态地显示图形的变化，并且操作面板符合操作人员的习惯。
本软件对图形界面的需求是，能够准确显示拉力曲线图，直观地观察到拉力试验的过程。
数据显示一般用编辑框实现，将试验的内容以数据的形式显示出来有利于保证数据的真实性和准确性，防止由于人为的种种原因造成数据错误。
本软件对数据显示的要求是可以将试验数据显示在界面上，并能显示是哪台设备发来的数据。
数据存储是控制软件的重要组成部分，一般的工业控制软件会将数据导入数据库，这样有利于数据的安全性和可靠性。
但考虑到种种的原因，本软件最终是将数据储存储在一个指定的.TXT文档中，比较简单的完成了对数据的保存。
2.2.2模块化程序设计
一个系统是否能够正常地运行，不但取决于硬件设计的合理性和可靠性，同时还要看系统的软件能否可靠的运行，软件功能是否能够满足用户的需求。
工业控制软件的开发所遵循的一个重要原则是软件能够很好的和硬件相配合，可靠有效地完成对硬件的信息采集和控制。
在软件设计过程中，当用计算机高级语言进行程序设计时，对于完成大规模的程序设计，往往按其问题的需要，将程序划分成若干段去编写。
或者是对于那些重复使用的程序段，将其进行独立设计。
使其达到计算机可以重复执行，而设计人员又不必重复去编写的目的。
这样，可以使更多人参与编写，同时又避免因重复设计、交叉设计产生的错误。
这样划分的程序段落被称为程序模块。
以特定的规则将程序模块组合起来，这种程序设计的方式被称为程序模块化程序设计。
各种高级语言在进行模块化程序设计时，虽然解决问题所采取的方式、方法有所不同，但所要达到的目的却是一致的，而且在其模块的定义、调用方式、参数传递等等方面，其实质性的问题也是一致的。
各种计算机高级语言对于程序模块的编写方式和使用方法都各自的规范。
模块化结构的程序的共同点是:
（l）必须有也只能有一个主控程序模块；
（2）程序模块具有独立性，主控程序可以直接或间接的调用其余的模块；
（3）程序模块（主控程序模块）之间也存在调用与被调用的关系；
（4）任何一个程序模块调用另一个程序模块被调用的程序模块执行完毕后，必须返回其调用程序的下一个执行点；
（5）从主控程序开始，在其内终止。
2.2.3功能模块的划分
根据用户需求和测试系统的要求，各功能模块可划分为：
拉力试验机数据接收显示模块、串口参数输入模块、拉力曲线绘制模块以及一些附加功能模块。
如图2.2.3
图2.2.3程序模块结构划分图
（1）通信模块
PC机和下位机通讯时，需要设置串口端口号，串口波特率等参数。
本模块主要负责提供串口参数设置界面，用户设置完成后点击打开串口，模块将相关参数传递给串口控件。
（2）存储显示模块
设置完串口参数后，下位机发送的数据经串口传送给PC软件。
根据数据前的ID信息，按要求显示该组的数据。
显示模块提供给用户一个比较友好的界面，让数据更加生动直观的显示出来,同时数据将被保存在一个.TXT文档中。
（3）绘图模块
数据传上来之后，数据显示模块开始显示数据，对应的，拉力曲线绘制模块开始绘制拉力曲线图。
（4）附加功能模块
附加
升级会员 