采用通用微型計(jì)算機(jī)與RS-485總線設(shè)計(jì)接口建筑外窗保溫性能檢測系統(tǒng)

1 、概述

建筑耗能數(shù)量大，比例高，發(fā)達(dá)國家建筑用能比例一般為全國總能耗的30％～40％，所占能耗比重很大。在我國，建筑能耗占全社會總能耗的27.6％，而民用建筑能耗中住宅能耗占60％。與之對應(yīng)，建筑節(jié)能潛力巨大。

建筑節(jié)能，冬季建筑外窗散熱是一個大問題。國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑外窗保溫性能分級及檢測方法》（GB／T8484―2002），要求檢測建筑外窗的傳熱系數(shù)，判定建筑外窗的保溫性能等級。檢測標(biāo)準(zhǔn)中采用的檢測設(shè)備如圖1所示。

該裝置是基于穩(wěn)定傳熱原理，采用標(biāo)定熱箱法檢測窗戶保溫性能。試件一側(cè)為熱箱，模擬采暖建筑冬季室內(nèi)氣候條件，另一側(cè)為冷箱，模擬冬季室外氣候條件。在對試件縫隙進(jìn)行密封處理，試件兩側(cè)各自保持穩(wěn)定的空氣溫度、氣流速度和熱輻射條件下，測量熱箱中電暖氣的發(fā)熱量，減去通過熱箱外壁和試件框的熱損失，除以試件面積與兩側(cè)空氣溫差的乘積，即可計(jì)算出試件的傳熱系數(shù)K值（K值為在穩(wěn)定傳熱條件下，外窗兩側(cè)空氣溫差為1℃，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的傳熱量以W／（m2·K）計(jì)。試件傳熱系數(shù)K值按下式計(jì)算：

式中：Q為電暖氣的發(fā)熱功率；M1△θ1為熱箱外壁的熱損失；M2△θ2為試件框的熱損失；S·Λ·△θ3為填充板的熱損失；A為試件的面積；△t試件兩側(cè)的溫差。

2、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

國標(biāo)中要求熱箱空氣溫度的設(shè)定范圍為18℃～20℃，冷箱空氣溫度的設(shè)定范圍為-19℃～-21℃，所以裝置中需要兩臺溫度控制儀表，分別用來控制熱室和冷室內(nèi)的溫度。另外，檢測過程中需要用到多個溫度測點(diǎn)的溫度值和電暖氣的加熱功率，故裝置中還需要一臺32路溫度巡檢儀表和一臺功率計(jì)。以上智能儀表作為整個測控系統(tǒng)的從機(jī)部分，主機(jī)部分為通用微型計(jì)算機(jī)，兩者通過半雙工RS-232／RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線接口通信，采用雙絞線進(jìn)行信號傳輸。在這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，作為下位機(jī)的智能儀表完成測量控制功能，便于快速構(gòu)造系統(tǒng)并保證測控精度。

由于從機(jī)部分的儀表較多，并且通信協(xié)議和通信接口不一致，故系統(tǒng)采用多串口通信。功率計(jì)為RS-232接口，故單獨(dú)為其分配一個串口；32路溫度巡檢儀和兩個溫度控制儀為RS-485接口，而PC一般只有RS-232接口，需要RS-232／RS-485接口轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)的總體硬件框圖如圖2所示。巡檢儀按國家標(biāo)準(zhǔn)外接的溫度傳感器采用銅一康銅熱電偶，要求的溫度測點(diǎn)很多，所以同類溫度測點(diǎn)的熱電偶可以并聯(lián)。具體裝置尺寸及材質(zhì)、熱箱外壁和試件框熱流系數(shù)標(biāo)定、試件框的面積劃分、溫度測點(diǎn)的分布、熱電偶的篩選和校驗(yàn)等詳細(xì)要求請參見有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 、系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件總體框圖如圖3所示。它充分利用了Windows系統(tǒng)允許多進(jìn)程、多線程的編程特點(diǎn)，開辟了兩個線程；還利用了VC++的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，把有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操作完全封裝類中。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有下位機(jī)數(shù)據(jù)采集、主界面顯示、實(shí)時(shí)曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲、歷史曲線顯示、檢測結(jié)果測定、檢測報(bào)告和歷史報(bào)告記錄的瀏覽及打印、數(shù)據(jù)庫清理及維護(hù)等。

3.1多線程

系統(tǒng)軟件的進(jìn)程分成兩個線程：主線程（用戶界面線程）和通信線程（輔助線程）。主線程定時(shí)啟動通信線程，通信線程執(zhí)行完一次通信任務(wù)后掛起。主線程能夠提供界面和用戶交互，通常用于處理用戶輸入并響應(yīng)各種事件和消息，而通信線程主要用來進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。主線程由AppWizard生成，下面主要介紹通信線程的設(shè)計(jì)。

要創(chuàng)建一個線程，需要調(diào)用函數(shù)AfxBeginThread。該函數(shù)因參數(shù)重載不同而具有兩種版本，分別對應(yīng)輔助線程和用戶界面線程。無論是輔助線程還是用戶界面線程，都需要指定額外的參數(shù)以修改優(yōu)先級、堆棧大小、創(chuàng)建標(biāo)志和安全特性等。函數(shù)AfxBeginThread返回指向CWinThread類對象的指針。同樣，在CMain-View的構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用AfxBeginThread函數(shù)：

在啟動通信線程之前，必須為線程的主程序編寫一個全局函數(shù)。這個函數(shù)應(yīng)該返回一個UINT，它應(yīng)該以一個32位值（聲明為IPVOID）作為參數(shù)。在啟動線程的時(shí)候，可以使用這個參數(shù)來傳遞任何東西，在AfxBeginThread函數(shù)中傳遞的是this-＞GetDocument（）（文檔類的指針），這樣就可以在輔助線程中使用文檔類的數(shù)據(jù)。在輔助線程中，要采集下位機(jī)數(shù)據(jù)，然后掛起線程，等待定時(shí)器OnTimer函數(shù)恢復(fù)線程。

3.2串口通信

輔助線程的主要工作是PC通過串口采集下位機(jī)數(shù)據(jù)，PC機(jī)的Windows操作系統(tǒng)不提倡應(yīng)用程序直接控制硬件，而是通過Windows操作系統(tǒng)提供的設(shè)備驅(qū)動程序來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，結(jié)合本系統(tǒng)多串口通信的特點(diǎn)，使用Visual C++6.0集成開發(fā)環(huán)境下封裝好的串口類CSerialPort來設(shè)計(jì)串口通信。本系統(tǒng)使用兩個串口，串口3用于與功率計(jì)之間的通信，串口4用于與巡檢儀及溫控儀之間的通信。

從機(jī)通信協(xié)議以巡檢儀為例簡述如下：波特率設(shè)置為2 400 bit／s，幀格式為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位。巡檢儀采用ASCII碼傳輸，其下傳命令幀格式如表1所示，儀表返回?cái)?shù)據(jù)幀如圖4所示。每個通道的測量值為16位二進(jìn)制，最高位為測量值的符號標(biāo)志位，1為負(fù)，0為正。接收到返回?cái)?shù)據(jù)后，在程序中按照協(xié)議對其進(jìn)行相應(yīng)的處理。

使用CSerialPort類實(shí)現(xiàn)雙串口通信，先要在對象所有者窗口類頭文件（.H）中聲明兩個CSerialPort的對象，然后調(diào)用該類的InitPort函數(shù)（主要完成串口號選擇、波特率設(shè)置等串口的初始化設(shè)置），并啟動監(jiān)視串口的工作線程。之后串口接到數(shù)據(jù)后，會以消息的形式發(fā)送到串口的所有者窗口中，只要在該窗口中加入對這些消息的響應(yīng)即可。

數(shù)據(jù)發(fā)送可以使用CSerialPort：：WriteToPort（char*string）函數(shù)，鑒于本系統(tǒng)中的通信協(xié)議都采用BYTE數(shù)據(jù)類型進(jìn)行傳送，故把該函數(shù)修改為Serial-Port：：WriteToPort（BYTE bWriteBuffer［］，int nWfite-BufferSize），bWriteBuffer［］為要發(fā)送的數(shù)據(jù)，nWfite-BufferSize為要發(fā)送的字節(jié)個數(shù)。

數(shù)據(jù)接收需要添加消息響應(yīng)函數(shù)，首先要在對象所有者窗口類頭文件（.H）中加入串口接收的響應(yīng)函數(shù)聲明。由于沒有自動的消息映射機(jī)制，必須在消息映射機(jī)制的標(biāo)志處手工添加：

然后在該窗口類的CPP文件中添加消息映射：

ON_MESSAGE（WM_COMM_RXCHAR，OnCommunication）

最后加入消息處理函數(shù)OnCommunication，在其中進(jìn)行相應(yīng)的接收數(shù)據(jù)處理即可。

3.3其他部分

系統(tǒng)除了基本測試功能的設(shè)計(jì)外，還增加了數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)的查詢、檢測報(bào)告的打印等功能。

3.3.1數(shù)據(jù)庫

ODBC（開放式數(shù)據(jù)庫連接）為不同的數(shù)據(jù)庫資源提供一個標(biāo)準(zhǔn)接口，是目前Windows應(yīng)用程序中應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)接口，已經(jīng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了方便ODBC使用，MFC針對ODBC原始的簡單的函數(shù)型API，建立了一些抽象類：CDatabase、CRecordset和CRecordView，分別用來支持?jǐn)?shù)據(jù)庫、記錄集和記錄視圖。MFC的ODBC類與數(shù)據(jù)庫的關(guān)系如圖5所示。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中建立了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和檢測結(jié)果3張表，故相應(yīng)用到3個CRecordset的派生類，通過這些派生類的對象調(diào)用類中的成員函數(shù)，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的添加、編輯、刪除、查詢等操作。

3.3.2打印

如果單純使用Windows的API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)打印任務(wù)，程序的編寫將會變得非常繁瑣，而利用MFC提供的打印和打印預(yù)覽的應(yīng)用程序框架將會使打印任務(wù)難度大大降低。要有效使用打印的話，必須理解函數(shù)調(diào)用的順序以及知道哪個函數(shù)需要被重載。

1）打印機(jī)的設(shè)備環(huán)境和OnDraw（）函數(shù)

當(dāng)程序在打印機(jī)上打印的時(shí)候，它使用了一個CDC類的設(shè)備環(huán)境對象。這個對象由應(yīng)用程序框架構(gòu)造，并把它作為參數(shù)傳遞給視圖的OnDraw函數(shù)。如果應(yīng)用程序要將顯示結(jié)果在打印機(jī)上打印出來，OnDraw（）函數(shù)便擔(dān)負(fù)著雙重任務(wù)。如果正在顯示，OnPaint函數(shù)便調(diào)用OnDraw，并且設(shè)備環(huán)境是顯示器環(huán)境。如果正在打印，OnDraw由另一個CView虛函數(shù)OnPrint調(diào)用，用一個打印機(jī)設(shè)備環(huán)境作為參數(shù)。

2）CView：：OnPrint函數(shù)

從上面可以看到，基類的OnPrint函數(shù)調(diào)用OnDraw函數(shù)，并且OnDraw函數(shù)既可以使用顯示器設(shè)備環(huán)境，也可以使用打印機(jī)設(shè)備環(huán)境。在調(diào)用OnPrint函數(shù)之前，將會設(shè)置映射模式。可以重載OnPrint函數(shù)來打印那些未顯示的項(xiàng)目，諸如標(biāo)題、頁碼等。在重載的OnPrint函數(shù)中，可以選擇不調(diào)用OnDraw函數(shù)，來支持打印邏輯，這樣就使打印邏輯與顯示邏輯分開。

4 、系統(tǒng)功能及其實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能較多，下面主要介紹主界面、測量界面功能的實(shí)現(xiàn)。

4.1主界面

國標(biāo)規(guī)定熱箱中溫度波動幅度不大于0.1℃，冷箱中溫度波動幅度不大于0.3℃，并且上述溫度的波動不再是單向的，才表示傳熱過程穩(wěn)定，然后方可進(jìn)行后續(xù)的測量，所以設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行后的主界面如圖6所示。圖中，左側(cè)實(shí)時(shí)顯示熱箱、冷箱、試件框等溫度測點(diǎn)的溫度值，右側(cè)繪制熱箱內(nèi)溫度、冷箱內(nèi)溫度和供電電壓的曲線，具體某一點(diǎn)的數(shù)據(jù)還可以通過時(shí)間游標(biāo)來查看，并且在后臺程序中對國標(biāo)所要求的溫度條件進(jìn)行判斷，如果滿足，則彈出消息框給出提示，便可進(jìn)入其他界面進(jìn)行下一步的檢測。

4.2測量界面

傳熱過程穩(wěn)定之后，每隔30 min測量一次參數(shù)：電暖氣加熱功率、熱箱空氣平均溫度、冷箱空氣平均溫度、熱箱外壁內(nèi)外表面面積加權(quán)平均溫度之差、試件框熱側(cè)冷側(cè)表面面積加權(quán)平均溫度之差和填充板兩表面的平均溫差，共測6次。測量界面設(shè)計(jì)如圖7所示。進(jìn)入該界面后將每隔30 min自動測量一次上述參數(shù)，測量完畢后將彈出消息框給出提示。設(shè)計(jì)中為了實(shí)際檢測方便，增加了“手動測量”按鈕，點(diǎn)擊一次該按鈕將測量一次。測量完畢后點(diǎn)擊“計(jì)算結(jié)果”按鈕，將進(jìn)行參數(shù)求平均并計(jì)算檢測結(jié)果。另外，根據(jù)用戶需要增加了打印當(dāng)前數(shù)據(jù)的功能，點(diǎn)擊后進(jìn)行各參數(shù)及檢測結(jié)果的打印。測量完畢后，點(diǎn)擊“報(bào)告編輯”即進(jìn)入檢測報(bào)告編輯界面，進(jìn)行報(bào)告編輯及榆測記錄保存等操作。

5 、結(jié)束語

本文介紹了建筑外窗保溫性能檢測系統(tǒng)的組成，并在Visual c++6.0平臺下實(shí)現(xiàn)了多串口通信、實(shí)時(shí)曲線繪制、數(shù)據(jù)庫操作等功能。實(shí)際應(yīng)用中表明，該檢測系統(tǒng)操作方便，界面簡潔直觀，檢測過程穩(wěn)定，檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值?？紤]到成本及產(chǎn)品化的要求，溫度測量與控制功能也可通過設(shè)計(jì)專用的儀表實(shí)現(xiàn)，有關(guān)工作目前正在進(jìn)行。

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