基于虛擬儀器技術(shù)的綜合測試系統(tǒng)

1 引言

　　隨著虛擬儀器技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)測控平臺(tái)進(jìn)行“虛擬化”改造已成為一種潮流。在這種潮流的影響下，我們?cè)谠袦y控平臺(tái)的基礎(chǔ)上結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，建立基于虛擬儀器結(jié)構(gòu)的綜合測試系統(tǒng)，以改善實(shí)驗(yàn)條件，提高測試效率，使得數(shù)據(jù)處理更加快捷準(zhǔn)確。虛擬儀器及技術(shù)將成為工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的重要方法和手段，具有非常廣闊的發(fā)展前景。[1]

2 系統(tǒng)的組成

　　本系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成。其中硬件平臺(tái)采用PXI（PCI extensions for instrumention）總線系統(tǒng)，軟件平臺(tái)采用NI公司的LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）可視化圖形編程平臺(tái)。

　　2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的硬件主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、PXI主機(jī)、PXI-4472數(shù)據(jù)采集卡和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　（1）PXI主機(jī)的選擇：PXI最初只能使用內(nèi)嵌式控制器（零槽控制器），后來NI公司又發(fā)布了MXI-3接口，擴(kuò)展了PXI的系統(tǒng)控制。包括直接PC控制、多機(jī)箱擴(kuò)展和更長的距離控制，擴(kuò)大了PXI的應(yīng)用范圍。由于一個(gè)零槽控制器就需要好幾萬的價(jià)格，比臺(tái)式機(jī)要貴

　　上好幾倍，因此選用臺(tái)式機(jī)加MXI3作為控制方案。從而需要配置PXI8335, PCI8335和兩者通信的光纜連接線。

　?。?）數(shù)據(jù)采集卡和調(diào)理模塊的選擇：由于綜合測試系統(tǒng)涉及的參數(shù)是很豐富的，有溫度、壓力、振動(dòng)參數(shù)等模擬量，也有數(shù)字信號(hào)量，有些情況下對(duì)信號(hào)測量的同步性要求比較高，所以我們選擇選擇NI公司的PXI-4472多功能數(shù)據(jù)采集卡和SCXI1121信號(hào)調(diào)理模塊。PXI-4472多功能數(shù)據(jù)采集卡基于PXI總線，將Compact PCI的集成式觸發(fā)功能與 Windows操作系統(tǒng)結(jié)合在一起，在保留PCI總線與Compact PCI模塊結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，增加了系統(tǒng)參考時(shí)鐘與觸發(fā)器總線等，使得PXI系統(tǒng)更加適合構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)化測控系統(tǒng)。對(duì)于輸出是非標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)，需要選擇調(diào)理模塊，針對(duì)壓力傳感器和溫度傳感器以及速度傳感器分別選用SCXI1121的模塊。

　　（3）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器件的選擇：考慮到網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)瀏覽和控制的需要，要給系統(tǒng)配置一臺(tái)服務(wù)器和客戶端（調(diào)試用）以及集線器。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候把和PXI通過MXI3連接的PC機(jī)作為服務(wù)器。

　　PXI主機(jī)和PXI-4472多功能數(shù)據(jù)采集卡是整個(gè)測試系統(tǒng)的核心，在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著接收用戶命令、數(shù)據(jù)采集、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析等任務(wù)。

　　2.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　軟件是虛擬儀器的靈魂。一個(gè)高效的軟件開發(fā)平臺(tái)有利于構(gòu)建功能強(qiáng)大的虛擬儀器系統(tǒng)。本綜合測試系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)采用NI公司的LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，LabVIEW主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，是一個(gè)很好的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，它使用圖形化的編程語言，具有形象、直觀、集成度高等特點(diǎn)。LabVIEW程序中包含豐富的函數(shù)庫，同時(shí)集成了GPIB、 VXI、RS-232、RS-485等通信模塊，可以方便的進(jìn)行模塊化編程;LabVIEW還具有內(nèi)置程序庫，提供了大量的聯(lián)結(jié)機(jī)制，通過DLLs、共享庫、OLE等途徑實(shí)現(xiàn)與外部程序代碼或軟件的連接[2,3]。

　　為實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)軟件的可擴(kuò)展和易維護(hù)，需要在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)階段仔細(xì)地設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)軟件能夠適應(yīng)新的硬件模塊和算法。采用通用框架的處理方法，把數(shù)據(jù)和測試流程分開，從而實(shí)現(xiàn)測試軟件的通用性和靈活性。測試儀器、測試項(xiàng)目的配置參數(shù)由項(xiàng)目配置文件來保存，測試結(jié)果數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫來管理，而測試流程的任務(wù)則是讀取配置文件的數(shù)據(jù)，配置測試儀器，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算，以及把測試結(jié)果寫到測試結(jié)果數(shù)據(jù)庫中。

　　經(jīng)過分析，可以按照如下功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)：

　?。?）測試項(xiàng)目配置：完成測試項(xiàng)目的工作參數(shù)配置，采用結(jié)構(gòu)化的通用設(shè)計(jì)思想，把測試過程中用到的硬件參數(shù)，軟件參數(shù)以及一些特殊的要求存到一個(gè)配置文件里，并把必要的參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，測試的時(shí)候只要調(diào)用各項(xiàng)目的配置文件，就能完成相應(yīng)的測試任務(wù)，這樣操作人員不需要對(duì)系統(tǒng)有太深的指示，或?qū)τ?jì)算機(jī)要有太多的了解，只需按照測試流程用鼠標(biāo)進(jìn)行簡單的操作即可。綜合測試系統(tǒng)中的信號(hào)分析系統(tǒng)采用模塊化的軟件編程設(shè)計(jì)思想，每個(gè)分析功能的實(shí)現(xiàn)都由一個(gè)模塊來完成。信號(hào)分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、波形顯示、參數(shù)測量和信號(hào)分析等部分，最終能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析和顯示等功能。

　　（2）物理通道的標(biāo)定：由于數(shù)據(jù)采集卡采來的是電壓或電流信號(hào)，并不直接反映物理量的大小，他需要通過一個(gè)轉(zhuǎn)換的過程，這個(gè)過程就叫標(biāo)定。比如從壓力傳感器采到的數(shù)據(jù)是100mv，而實(shí)際上加載在傳感器上的壓力是1Mpa，那么標(biāo)定的結(jié)果就是10Mpa/V。系統(tǒng)實(shí)際工作的過程中存在非線性的誤差，所以在標(biāo)定的時(shí)候要考慮如何進(jìn)行校正，本文在實(shí)現(xiàn)該功能時(shí)應(yīng)用了非線性的校正的方法。

　?。?）系統(tǒng)自檢和數(shù)據(jù)采集卡配置：系統(tǒng)在工作之前需要確保各個(gè)部分都正常工作，所以要對(duì)通道進(jìn)行檢測，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢。否則當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到后來才發(fā)現(xiàn)出了問題，那樣既浪費(fèi)了人力，又浪費(fèi)的時(shí)間。

　　（4）數(shù)據(jù)采集：這個(gè)部分是系統(tǒng)的重點(diǎn)，也是系統(tǒng)最為復(fù)雜的一個(gè)部分，它包括錄波，數(shù)據(jù)存盤，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)布，簡單的數(shù)據(jù)處理等諸多功能。

　?。?）數(shù)據(jù)回放：這個(gè)部分是系統(tǒng)的核心，所有數(shù)據(jù)分析和處理都在這個(gè)部分完成，它包括處理結(jié)果入庫，報(bào)表自動(dòng)生成，打印報(bào)表等功能。

　　（6）數(shù)據(jù)管理：由于所有的測試結(jié)果都是要求存入數(shù)據(jù)庫，所以對(duì)測試數(shù)據(jù)的管理其實(shí)就成了對(duì)測試數(shù)據(jù)庫的管理，管理的內(nèi)容包括測試記錄的檢索等功能，即可以在本地機(jī)管理，也可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行管理。

　　（7）使用幫助：一個(gè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)如果沒有一個(gè)清晰明了的幫助系統(tǒng)就不會(huì)是一個(gè)好的系統(tǒng)，通過瀏覽幫助可以讓一個(gè)新手很快熟練使用。

　　在綜合考慮系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，把整個(gè)軟件劃分為主控模塊、通道標(biāo)定配置模塊、系統(tǒng)自檢模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)回放模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、幫助模塊等，各模塊又可分別劃分為更小的子模塊來實(shí)現(xiàn)。各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

3 信號(hào)的分析與處理[5,6]

　　數(shù)據(jù)的分析處理是綜合測試系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理的方法有很多，它們各有不同的功能，實(shí)際工程測試中常常需要同時(shí)采用多種不同的方法才能得到滿意的結(jié)果。因此，綜合測試系統(tǒng)利用LabVIEW開發(fā)了信號(hào)分析處理軟件包，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析和處理。主要分析包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、時(shí)域分析、頻域分析和聯(lián)合時(shí)頻分析。

　　傳感器采集到的輸出信號(hào)經(jīng)過采樣和A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在送入分析處理系統(tǒng)前，還要對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是盡可能地去除混雜在信號(hào)中的噪聲，以提高信號(hào)的信噪比。數(shù)據(jù)預(yù)處理的范圍很廣，通常包括加窗、數(shù)字濾波、去除均值、提取趨勢(shì)項(xiàng)、標(biāo)準(zhǔn)化處理等，然后，再根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

4 網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)

　　為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控，我們利用虛擬儀器技術(shù)中的DataSocket技術(shù)，將不同地域不同功能的設(shè)備聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)資源共享，使數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸成為可能。具體步驟如下：利用網(wǎng)絡(luò)上單獨(dú)的一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為DataSocket Server，即服務(wù)器，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)布的功能，即作為 DataSocket Publisher;連接在網(wǎng)絡(luò)上的其他計(jì)算機(jī)作為DataSocket Subscriber。服務(wù)器采集數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)發(fā)送端，設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)備號(hào)和采集通道，選擇合適的采樣數(shù)及采集速度，采用AI Sample Channel. vi采集信號(hào)，利用 DataSocket Publisher把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)布到DataSocket Server中，客戶端利用 DataSocket Subscriber從DataSocket Server中接收數(shù)據(jù)。應(yīng)用DataSocket技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸程序流程圖如圖3所示[4]。

　　在圖4中，數(shù)據(jù)發(fā)布端，調(diào)用DataSocket Write函數(shù)向URL（uniform resource locator）指定的位置寫數(shù)據(jù); 在遠(yuǎn)程客戶接收端，調(diào)用DataSocket Read函數(shù)從URL指定的位置讀取數(shù)據(jù)，并還原為原來的數(shù)據(jù)類型送到前面板窗口中的 Waveform Graph中顯示。在本例中，URL指定的位置是“dstp://ni-302aph”。在數(shù)據(jù)發(fā)送端和遠(yuǎn)程接收端，While循環(huán)中的stop按鈕分別可以控制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的終止。

圖3 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端和遠(yuǎn)程接收端程序流程圖

5 小結(jié)

　　本文采用了PXI總線以及LabVIEW可視化編程軟件設(shè)計(jì)了一套具有模塊化、通用化、系列化的綜合測試系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)分析處理功能夠快速有效地反映出被測系統(tǒng)的各種參數(shù)信息，便于對(duì)被測對(duì)象進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。與傳統(tǒng)測試儀器相比，基于虛擬儀器技術(shù)的綜合測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能豐富，發(fā)揮了軟件設(shè)計(jì)的靈活性，以一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代多臺(tái)儀器，具有可操作性強(qiáng)，通用性好，性價(jià)比高，功能強(qiáng)大，快捷方便的特點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。因此，該系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。