CN203217369U - 一种总线式运动控制系统的性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种总线式运动控制系统的性能测试装置，包括上位机和下位机，所述下位机通过总线接口连接待测试运动控制系统，并通过通信接口与上位机连接，下位机通过运动控制总线与从站连接，从站之间也通过运动控制总线连接。下位机监听运动控制总线中的传输数据发送到上位机，并按照转发规则修改总线数据反馈回总线系统中。上位机将设计数据与监听的总线数据进行对比分析评价待测运动控制系统的性能，上位机通过设计测试用例配置到下位机的数据转发规则中，将测试用例输入待测系统中。本实用新型实用性强、测试成本低、测试效率高等特点，具有较好的实用价值和应用前景。

Description

一种总线式运动控制系统的性能测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种控制系统的测试方法，具体是指一种总线式运动控制系统的性能测试装置，可以适用于各种总线式运动控制系统的功能测试场合。 

背景技术

运动控制系统的性能测试分析是提高其加工性能、安全性、可靠性、稳定性的主要途径之一。通过采用测试工具及辅助设备，根据相应的测试用例和测试流程，对系统的功能、性能等进行测试与验证，以满足具体系统环境的应用需求。 

测试的主要目的是:1、寻找系统开发过程中的问题和缺陷;2、验证系统结构和算法的执行效果;3、提高系统的功能与质量;4、验证是否满足用户的具体应用需求。通过多个测试过程，可找到迄今为止尚未发现的错误与缺陷，分析产生错误的原因，保证运动控制系统的功能可靠执行，提高运动控制系统的加工性能。 

总线式运动控制系统具有拓展性好、开放性高等特点，常见的总线接口有串口、1394、以太网、光纤等。目前以太网由于其具有高效的传输速率，优良的抗干扰性以及低廉的成本等特点被业界认为是最具有前景的总线接口。一般的总线控制系统主要由主站和从站两部分构成，两者之间通过总线连接。作为运动控制的总线，要求其具有严格实时性以满足运动控制的要求。 

运动控制系统的性能表现主要分为两方面，一方面是加工效果的优劣，反应运动控制系统的执行效果如加减速度的过程是否平滑、轨迹规划是否达到要求等。另一种是运动控制系统对IO信号的响应是否满足要求。 

目前对运动控制系统的普遍测试方法是通过对其生成的具体产品进行几何学测量进而分析其性能。但是运动控制系统是一个复杂的系统平台，由控制系统、驱动系统、执行系统和机械系统等多个子系统组成，如果测试结果表明运动控制系统内部存在缺陷，则需要从各个子系统综合考虑可能的原因，很难找出具体哪一个部分的原因。这种测试方式效率低，且不易找出产生问题的具体位置。并且每次的测试都需要提供一个具体的零件，测试成本较高。 

对运动控制系统的稳定性和可靠性的测试，目前的主要方法是通过制定有限数量的典型测试用例录入系统中，观察运动控制系统的执行效果。但是这种测试方法无法完全覆盖运动控制系统的全部性能，实际上用户可以干涉的控制系统功能领域是比较小的，有些测试条件 是用户无法生成而实际应用中却存在的。而这部分不能测试的功能就是运动控制系统的稳定性和可靠性的灰色区域。 

目前针对运动控制系统的测试设备，主要是通过改造模拟/数字信号发生器的方式，将信号分为两路，一路接入原来控制系统接口，另一路介入测试设备中。例如改造脉冲信号发生器，将脉冲信号引入测试设备中，通过记录脉冲信号的方式实现对运动性能的分析。这种设备需要对原有的控制系统进行修改，且只能被动测试运动控制系统的性能，无法对运动控制系统进行条件测试。 

实用新型内容

运动控制系统的评价方法一般采取通过测量其产品的几何尺寸分析控制系统的功能的方法，但是控制信号经过了控制器、驱动器、执行器（如步进电机、伺服电机、伺服阀等）和机械机构转化为具体的机械动作，如果测试发现功能达不到要求则需要从多个环节进行分析才能发现问题，这并不是一件容易实现的事情。总线式运动控制系统是一种分布式运动控制系统，作为控制器的主站与各个功能从站之间通过总线连接。 

运动控制器是影响运动控制系统功能的主要方面，将运动控制器从运动控制系统测试中剥离出来单独考虑，在排除运动控制器的因素然后再分析其他因素则较容易找出运动控制系统的错误所在。 

本实用新型公布了一种总线式运动控制系统的性能测试方法和装置，通过对总线数据的监控，实现对运动控制系统的性能测试。该方法主要针对运动控制系统中的运动控制器功能进行测试，可实现以下两种功能：1.性能测试，通过监听总线的传输数据，测试分析运动控制系统的功能；2.条件测试，将测试用例通过修改总线传输数据的方式输入到运动控制系统中，测试分析运动控制系统对该测试用例的响应状况。 

一种总线式运动控制系统的性能测试装置，由上位机和下位机两部分组成。下位机可以监听运动控制总线中的传输数据，并按照设定的转发规则生成一种测试数据反馈到总线系统中，同时将原数据经过数据解析发送到上位机。下位机由FPGA等嵌入式芯片开发，以实现数据的快速转发，实际测试转发延时大约为20ns，这对于总线系统已经非常小，由于延时是对称的，因此这种延时相当于一定长度的网线造成的延时，在收发数据时，这部分延时可以互相抵消。上位机通过对监听的总线数据进行综合分析，以评价待测运动控制系统的性能。使用者通过上位机可以编辑测试条件以配置下位机的数据转发规则，从而将测试条件输入数控系统中。该方案可解决运动控制系统性能测试方法的难题，具有广泛的应用价值。 

所述下位机通过总线接口连接待测试运动控制系统，并通过通信接口与上位机连接，下 位机通过运动控制总线与从站连接，从站之间也通过运动控制总线连接。 

所述从站还分别与主站、伺服电机和IO连接。 

所述通信接口可以为串口、以太网口、PCI、USB等计算机通信接口。 

所述下位机为FPGA、DSP、ARM等嵌入式可编程芯片。 

性能测试方法包括以下步骤： 

步骤（1）根据待测运动控制系统的体系结构和主要功能，在上位机构造结构和功能等价的系统数据模型，作为总线数据分析控制系统功能的依据。 

步骤（2）将测试装置接入总线系统中，对总线数据进行实时监听，获取运动控制系统的控制命令数据和状态信息数据，总线数据中包含了运动控制系统的控制命令数据和状态信息数据。 

步骤（3）下位机将监听的总线数据发送到上位机，上位机根据系统数据规则模型对监听的数据进行解析，可以得出运动轨迹曲线、速度曲线、加速度曲线以及IO输入输出状态等。 

步骤（4）分析运动控制系统的性能，通过对运动规律的分析，可以间接得出产品的生产效率、加工精度等综合性指标。 

步骤（5）将录入上位机的理论数据与监听数据进行对比，可评价这种运动控制系统的性能。 

所述步骤（1）中，结构和功能等价的系统数据模型，设计节点内的数据映射规则，以实现通过对数据帧的解析，可以具体了解数据帧中的数据具体代表的功能，如IO数据信息和电机运动控制数据等；通过设计节点的映射规则，以实现数据帧与各功能节点的关系映射。 

所述步骤（1）中，结构和功能等价的系统数据模型的构造方法为：首先分析系统中各节点需要收发的数据内容与关系，以及节点之间的连接方式，然后依据等价原则建立数据模型，数据模型表示各节点的连接结构和收发数据内容。 

所述步骤（2）中，将测试装置以级联的方式接入总线系统中，数据可以由一个端口流入然后立刻由相应的另一个端口流回到总线系统中。 

所述步骤（3）中，数据发送由嵌入式系统进行控制和实现。 

所述步骤（3）中，对数据解析过程包括两个步骤，节点映射，对监听到的数据进行判断，分析当前监听的数据是由那些节点收发；数据映射，在节点内部做数据映射，识别监听的数据对应节点内部的哪一个功能数据。 

所述步骤（5）之后还包括找出控制系统的存在的问题和缺陷，进行修正的步骤。 

条件测试方法包括以下步骤： 

步骤（1）用户修改系统数据模型中某个节点的功能数据，生成相应的测试用例并配置到下位机的数据转发规则中。 

步骤（2）通过对修改总线转发数据的方式将测试用例输入运动控制系统中； 

步骤（3）然后根据输入的测试用例，通过分析反馈的总线数据测试控制系统的相应性能或者有无执行合理动作。在输入测试用例之后，运动控制系统会做出相应的动作，因此总线数据也会出现相应的传输数据，通过监听运动控制系统反馈的总线数据可分析运动控制系统的响应状况。 

所述步骤（1）中，所述测试用例的设计方法为： 

根据系统数据模型修改主站或从站的功能数据，则可以生成相应的数据转发修改规则，然后作用到下位机的数据转发规则中； 

可以模拟的测试用例如IO信号修改，伺服运动控制数据修改等，总线的主站和从站通过接受总线数据的方式可以响应此信号。 

本实用新型具有以下有益效果及优点: 

1、无需修改原有的运动控制系统，将测试装置直接连接待测系统的总线中即可实现测试。 

2、对原有总线系统的性能影响小，下位机在接收到总线数据时立刻转发回网络，时间延迟大约为120ns左右，对于总线系统而言这个数值基本可以忽略，有些总线系统在系统初始化时可能会将这部分时间直接抵消掉，因此测试装置对控制系统基本是透明的。 

3、可测试条件的覆盖范围广，由于实际系统提供给用户可操作的区域比较窄，因此有的测试条件是用户无法直接生成的，采用这种总线数据干预式的测试方法则可以自由定制任何的输入输出数据，因此可以测试所有IO输入条件下的情况。 

4、直观的性能对比，通过对总线数据的监控分析可以具体了解运动控制系统中某个轴的运动数据记录，可以生成一种图形化的对比方式。 

5、测试效率高，允许用户编程实现各种复合测试条件输入总线系统中，进而可以对运动控制系统进行高效的自动化测试，较手工测试方式具有测试效率高，检测效果快等优势。 

附图说明

图1为本实用新型的结构图。 

其中，1、上位机；2、下位机；3、待测试运动控制系统；4、通信接口；5、总线接口；6、运动控制总线；7、从站；8、主站；9、伺服电机；10、IO。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。 

该测试装置包括上位机1和下位机2两部分，系统的结构和连接方式如图1所示，将下位机2以一种级联的方式通过总线接口5接入待测试运动控制系统3中，然后通过通信接口4与上位机1连接，这里通信接口5可以为串口、以太网口、PCI、USB等计算机通信接口。下位机2通过运动控制总线6与从站7连接，从站7之间也通过运动控制总线6连接。 

所述从站7还分别与主站8、伺服电机9和IO10连接。 

上位机1通过接收下位机2监听的数据进行数据分析功能，并且可以输入测试用例然后经过通信接口4将用例规则配置在下位机2的数据转发规则中，其中内建的与待测试运动控制系统3等价的系统数据关系模型为数据分析和测试用例输入的依据。 

由于总线的强实时性，非专业的监听设备捕获数据帧的时间戳精度无法满足测试要求，因此需要设计开发一种嵌入式系统以实现下位机2的总线数据监控功能，可以由FPGA、DSP、ARM等嵌入式可编程芯片开发。下位机2的功能包括两部分，一是将监听的总线数据经过解析上发到上位机1，二是通过制定的转发规则将数据转发回总线系统中。 

建立等价的系统数据关系模型的方式，首先分析真实控制系统中各节点需要收发的数据内容与关系，以及节点之间的连接方式，然后依据等价原则建立数据模型，模型表示各节点的连接结构和收发数据内容，如数据关系模型中伺服节点的数据内容内部包括私服电机9的运动位置信息和IO10的状态信息。 

系统的数据监听过程如下： 

下位机2通过监听总线，获取总线传输数据内容，然后经过数据解析加入精密的时间戳信息发送到上位机1。上位机1根据系统数据关系模型解析数据，这样可以解析出某一个节点的在一段时间内数据交互内容；然后根据节点的属性，如节点为伺服控制节点，则可以解析出伺服运动的轨迹和速度等。 

对总线数据解析过程包括两个步骤：一、节点映射，对监听到的数据进行判断，分析当前监听的数据是由那些节点收发；二、数据映射，在节点内部做数据映射，识别监听的数据对应节点内部的哪一个功能数据。 

上位机1可以将设计数据与测试数据对比分析系统的性能。例如将设计的轨迹数据输入上位机1中，然后与待测试运动控制系统3的运动轨迹作对比，以检测待测试运动控制系统3的轨迹是否与设计匹配。 

系统的用例测试过程如下： 

通过修改总线传输数据的方式将测试用例输入到待测试运动控制系统3中，其具有可测 面广、定制性强，测试效率高等特点。测试过程包括以下两个方面：一、将测试用例通过通信接口4配置到下位机2的数据转发规则中。如用户通过上位机1修改了一个节点的输入变量，下位机2按照这个规则在收到这个节点上发的数据的时修改其输入变量在数据帧中对应的数据；二、通过对总线数据的监听，判断系统对测试用例的响应状况。如系统的正常应激过程为在接收到某一个节点的输入变量改变时，则改变另一个节点的输出变量，通过监听主站8的下发数据中对应的数据帧可判断系统能否实现相应的功能。 

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。 

Claims (4)

1.一种总线式运动控制系统的性能测试装置，其特征是，包括上位机和下位机，所述下位机通过总线接口连接待测试运动控制系统，并通过通信接口与上位机连接，下位机通过运动控制总线与从站连接，从站之间也通过运动控制总线连接。

2.如权利要求1所述的总线式运动控制系统的性能测试装置，其特征是，所述从站还分别与主站、伺服电机和IO连接。

3.如权利要求1所述的总线式运动控制系统的性能测试装置，其特征是，所述通信接口为串口、以太网口、PCI、USB通信接口。

4.如权利要求1所述的总线式运动控制系统的性能测试装置，其特征是，所述下位机为FPGA、DSP、ARM嵌入式可编程芯片。