建筑外窗保溫性能檢測裝置測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、    建筑外窗保溫性能檢測裝置測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設(shè)計和仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte張鐵柱，符影杰，洪俊明(東南大學自動化學院，江蘇省南京市210096)1

2、概述建筑耗能數(shù)量大，比例高，發(fā)達國家建筑用能比例一般為全國總能耗的3040，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，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。國家標準建筑外窗保溫性能分級及檢測方法(GBT84842002)，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。檢測標準中采用的檢測設(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

3、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，單位時間內(nèi)通過單位面積的傳熱量以W(m2·K)計。試件傳熱系數(shù)K值按下式計算：式中：Q為電暖氣的發(fā)熱功率；M11為熱箱外壁的熱損失；M22為試件框的熱損失；S··3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)國標中要求熱箱空氣溫度的設(shè)定范圍為1820，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

4、測過程中需要用到多個溫度測點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。以上智能儀表作為整個測控系統(tǒng)的從機部分，主機部分為通用微型計算機，兩者通過半雙工RS-232RS-485標準總線接口通信，采用雙絞線進行信號傳輸。在這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，作為下位機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。功率計為RS-232接口，故單獨為其分配一個串口；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-232RS-485接口轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)的總體

5、硬件框圖如圖2所示。巡檢儀按國家標準外接的溫度傳感器采用銅一康銅熱電偶，要求的溫度測點很多，所以同類溫度測點的熱電偶可以并聯(lián)。具體裝置尺寸及材質(zhì)、熱箱外壁和試件框熱流系數(shù)標定、試件框的面積劃分、溫度測點的分布、熱電偶的篩選和校驗等詳細要求請參見有關(guān)國家標準。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)允許多進程、多線程的編程特點，開辟了兩個線程；還利用了VC+的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，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)主要實現(xiàn)的功能有下位機數(shù)據(jù)采集、主界面顯示、實時曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲、歷史曲線顯示、檢測結(jié)果測定、檢測報告和歷史報告記錄的瀏覽及打印、數(shù)據(jù)庫清理及維

6、護等。3.1多線程系統(tǒng)軟件的進程分成兩個線程：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各種事件和消息，而通信線程主要用來進行上位機與下位機之間的通信。主線程由AppWizard生成，下面主要介紹通信線程的設(shè)計。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)建標志和安全特性等。函數(shù)AfxBeginThread返回指向CWi

7、nThread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)應該返回一個UINT，它應該以一個32位值(聲明為IPVOID)作為參數(shù)。在啟動線程的時候，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，要采集下位機數(shù)據(jù)，然后掛起線程，等待定時器OnTimer函數(shù)恢復線程。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數(shù)據(jù)，PC機的Win

8、dows操作系統(tǒng)不提倡應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)動程序來進行數(shù)據(jù)傳遞?；谏鲜鎏攸c，結(jié)合本系統(tǒng)多串口通信的特點，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)計串口通信。本系統(tǒng)使用兩個串口，串口3用于與功率計之間的通信，串口4用于與巡檢儀及溫控儀之間的通信。從機通信協(xié)議以巡檢儀為例簡述如下：波特率設(shè)置為2 400 bits，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，儀表返回數(shù)據(jù)幀如圖4所示。每個通道的測量值為16位二進制，最高位為測量值的符號標志位，1為負，0為正

9、。接收到返回數(shù)據(jù)后，在程序中按照協(xié)議對其進行相應的處理。使用CSerialPort類實現(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)類型進行傳送，故把該函數(shù)修改為Serial-Port：Writ

10、eToPort(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函數(shù)聲明。由于沒有自動的消息映射機制，必須在消息映射機制的標志處手工添加：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，在其中進行相應的接收數(shù)據(jù)處理即可。3.3其他部分系統(tǒng)除了基本測試功能

11、的設(shè)計外，還增加了數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)的查詢、檢測報告的打印等功能。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)庫資源提供一個標準接口，是目前Windows應用程序中應用最廣泛的數(shù)據(jù)接口，已經(jīng)成為工業(yè)標準。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，分別用來支持數(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)庫中建立了實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和檢測結(jié)果3張表，故相應用到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)，即可進行數(shù)據(jù)

12、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覽的應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)打印機的設(shè)備環(huán)境和OnDraw()函數(shù)當程序在打印機上打印的時候，它使用了一個CDC類的設(shè)備環(huán)境對象。這個對象由應用程序框架構(gòu)造，并把它作為參數(shù)傳遞給視圖的OnDraw函數(shù)。如果應用程序要將顯示結(jié)果在打印機上打印出來，OnDraw()函數(shù)便擔負著雙重任務(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

13、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?？梢灾剌dOnPrint函數(shù)來打印那些未顯示的項目，諸如標題、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、測量界面功能的實現(xiàn)。4.1主界面國標規(guī)定熱箱

14、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，然后方可進行后續(xù)的測量，所以設(shè)定系統(tǒng)運行后的主界面如圖6所示。圖中，左側(cè)實時顯示熱箱、冷箱、試件框等溫度測點的溫度值，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，具體某一點的數(shù)據(jù)還可以通過時間游標來查看，并且在后臺程序中對國標所要求的溫度條件進行判斷，如果滿足，則彈出消息框給出提示，便可進入其他界面進行下一步的檢測。4.2測量界面?zhèn)鳠徇^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)計如圖7所示。進入該界面后將每隔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)計中為了實際檢測方便，增加了“手動測量”按鈕，點擊一次該按鈕將測量一次。測量完畢后點擊“計算結(jié)果”按鈕，將進行參數(shù)求平均并計算檢測結(jié)果。另外，根據(jù)用戶需要增加了打印當前數(shù)據(jù)的功能