基于LabVIEW和PXI的轉(zhuǎn)向架測試平臺

應(yīng)用領(lǐng)域： 院校使用的產(chǎn)品：美國NationalInstruments 的LabVIEW 6.1軟件和PXI-1000、PXI-1001、PXI-1002 、PXI-8330 、PXI-6070E 、PXI-6071E 、SCXI-1520 、SCXI-1531 、SCB-100、SCXI-1314 等硬件設(shè)備。

挑戰(zhàn)：快速建立能夠進(jìn)行城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架零部件特性測定和動力學(xué)性能測定的高性能測試平臺。

應(yīng)用方案： 使用美國National Instruments 公司的PXI 測試設(shè)備和LabVIEW6.1 軟件建立基于虛擬儀器技術(shù)的轉(zhuǎn)向架測試平臺；同時，開發(fā)出相應(yīng)的后期分析處理軟件。

介紹

在城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架測試中，需要測量大量的應(yīng)變、電壓和加速度等信號，這不僅要求數(shù)據(jù)的高速實時采集而且也要設(shè)備具有很高的穩(wěn)定性和可靠性。使用美國National Instruments 高效可靠的PXI 總線設(shè)備和LabVIEW 快速圖形開發(fā)環(huán)境，快速建立起的多功能轉(zhuǎn)向架測試平臺。實踐應(yīng)用證明，完全達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計時的各項要求。

基于PXI 總線的系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，這是一個由信號采集與調(diào)理模塊（SCXI-1531、 SCXI-1520、SCB-100 ）、PXI 數(shù)據(jù)采集卡（PXI-6070E、PXI-6071E）和PXI 接口卡（PXI-8330，采用MXI-3 技術(shù)）組成的數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，由于采用了PXI和MXI-3總線技術(shù)，因此能夠充分保證實時數(shù)據(jù)采樣時的帶寬要求。 


 
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PXI 和MXI-3 技術(shù)

PXI 是1997 年NI 公司發(fā)布的一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范，是PCI 在儀器領(lǐng)域的擴展(PCI eXtensions for Instrumentation) 。它將CompactPCI 規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。制訂PXI 規(guī)范的目的是為了將臺式PC 的性能價格比優(yōu)勢與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴展完美地結(jié)合起來，形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。MXI-3 技術(shù)是一種PCI總線之間的軟硬件透明的高性能連接技術(shù)，不僅可以進(jìn)行PXI/CompactPCI 機箱之間的連接而且可以讓主控計算機通過透明的軟硬件連接實現(xiàn)對PXI 系統(tǒng)的直接控制。MXI-3 技術(shù)也提供了最高可達(dá)1.5Gb/s 的串行數(shù)據(jù)連接。

該轉(zhuǎn)向架測試平臺采用具有PXI 和MXI-3 技術(shù)的NI公司產(chǎn)品建立測試系統(tǒng)，與使用傳統(tǒng)的測試技術(shù)相比，不僅具有更高的性價比，而且使用也更加簡便、靈活，特別是其信號調(diào)理模塊具有完全的程序可控性，這些特點都為快速組建成本低廉、功能強大的測試平臺提供了前提條件。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計

“軟件就是儀器”，軟件設(shè)計已經(jīng)成為了基于虛擬儀器技術(shù)的測試系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。尤其是對于采用了NI 公司的PXI 測試設(shè)備的測試系統(tǒng)，硬件的使用難度已大大降低，在其上所耗費的時間已越來越少，因此能把更多的精力投入到軟件的系統(tǒng)開發(fā)上。

在本系統(tǒng)開發(fā)中，我們采用LabVIEW 作為編程語言。LabVIEW 圖形化編程語言具有簡單易用、功能強大等優(yōu)點，它能與NI 公司的硬件設(shè)備達(dá)到無縫結(jié)合，是首選的開發(fā)工具。

本系統(tǒng)分為實時測試子系統(tǒng)（圖2）和數(shù)據(jù)處理與回放子系統(tǒng)（圖3）。實時測試子系統(tǒng)實現(xiàn)多通道測試信號的實時采集、存儲和監(jiān)視。數(shù)據(jù)處理與回放子系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的事后回放和分析處理。 


 
圖2 實時測試子系統(tǒng)

在轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能測試過程中，需要測試的參數(shù)多達(dá)數(shù)十個，因此，測試信息管理就成為實時測試必須面臨的任務(wù)。測試信息主要包括硬件配置信息和數(shù)據(jù)處理信息，前者主要用于硬件的物理設(shè)置如電橋的激勵電壓，后者用于數(shù)據(jù)顯示之前的變換處理如加速度傳感器的靈敏度系數(shù)。在本系統(tǒng)開發(fā)過程中采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)和“ 多層”體系結(jié)構(gòu)來解決復(fù)雜的信息管理等問題。 
 

圖3 數(shù)據(jù)采集與回放子系統(tǒng)

如圖4 所示，系統(tǒng)縱向分為用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)服務(wù)層。用戶界面層實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示以及接收用戶的輸入信息并進(jìn)行必要的校驗。業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換和控制。數(shù)據(jù)服務(wù)層提供與硬件進(jìn)行交互的讀寫功能，包括硬件參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)文件的保存和讀取。這種“多層”結(jié)構(gòu)有利于系統(tǒng)的維護(hù)和功能的擴展。 
 

圖4 軟件體系結(jié)構(gòu)

應(yīng)該說， NI 公司的NIDeveloperZone 為編程人員提供了許多的編程思想，給予了很多編程靈感。LabVIEW 語言，其本身沒有明確支持的面向?qū)ο蠹夹g(shù)， 但可以用DataLogFileRefnum 控件作為對象引用等來間接實現(xiàn)面向?qū)ο蠹夹g(shù)。對象使用方法如圖5 所示，首先創(chuàng)建對象，然后調(diào)用并執(zhí)行它的方法，使用完畢后將其釋放，在此過程中，需要傳遞由創(chuàng)建對象VI 輸出的對象引用，以保證對象方法VI 的順利執(zhí)行。 
 

圖5 對象創(chuàng)建與調(diào)用

面向?qū)ο蟮膱D形化編程

有以下優(yōu)點：

1. 更安全地使用數(shù)據(jù)。

一般地，要在不同VI 下使用同一數(shù)據(jù)需要使用全局變量，但“赤裸裸”的全局變量既不利于數(shù)據(jù)的并發(fā)控制，也不利于系統(tǒng)的維護(hù)與擴展，稍不小心將導(dǎo)致程序的運行錯誤。而使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，由于數(shù)據(jù)是被封裝的，必須使用對象的方法來調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)。因此，可以在對象的方法中，建立數(shù)據(jù)保護(hù)和屏蔽，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并發(fā)控制，使系統(tǒng)更加安全；同時也有利于系統(tǒng)的維護(hù)與擴展。

2. 實現(xiàn)“拉進(jìn)式”的程序結(jié)構(gòu)。

每個數(shù)據(jù)傳送都有兩個參與者，供應(yīng)者（supplier）產(chǎn)生并發(fā)送數(shù)據(jù)， 而使用者（ consumer） 則接收和處理數(shù)據(jù)。根據(jù)誰發(fā)起數(shù)據(jù)的傳送， 可分作兩個類型。

在“ 推出式”（push）類型中，供應(yīng)者發(fā)起數(shù)據(jù)傳送。而在“拉進(jìn)式”（pull）類型中，發(fā)起人是使用者。在LabVIEW 中供應(yīng)者和使用者可以是控件也可以是子VI，其中子VI 更多一些。對于某個子VI 來說，若只有少量輸入?yún)?shù)可以直接連入即可，但對于大量輸入?yún)?shù)時或者就不知將用到什么參數(shù)信息時，這時使用傳遞對象引用就顯得方便多了。在程序中，我們創(chuàng)建了一個信息服務(wù)對象，集中存儲和管理各種配置信息和參數(shù)信息，在每個子VI 中，我們將這個信息服務(wù)對象的引用傳遞進(jìn)來，而后，子VI 根據(jù)自身的需要調(diào)用信息服務(wù)對象的方法獲得所需要的數(shù)據(jù)。“拉進(jìn)式”程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：有利于使LabVIEW 圖形化程序更加簡潔、高效；有利于系統(tǒng)的維護(hù)與擴展；有利于建立統(tǒng)一的程序接口。

3. 可應(yīng)用現(xiàn)已成熟的各種設(shè)計模式來實現(xiàn)高級功能。

在面向?qū)ο蠹夹g(shù)中有許多成熟的設(shè)計模式可以實現(xiàn)程序的快速開發(fā)， 把其應(yīng)用到LabVIEW 中不僅減少了開發(fā)時間，而且可以實現(xiàn)一些高級功能。比如，應(yīng)用對象持久技術(shù)，在實時測試子系統(tǒng)中，使測試的全部信息得以集中保存，而在事后處理與回放子系統(tǒng)中，將測試信息對象從已保存的信息中恢復(fù)回來，為數(shù)據(jù)分析和處理提供信息服務(wù)。

在LabVIEW 中綜合應(yīng)用以上兩種技術(shù)，得到如圖6 所示簡化的實時測試子系統(tǒng)的框圖程序。InputCheck 子VI 進(jìn)行用戶輸入信息的校驗。New子VI 創(chuàng)建信息服務(wù)對象并對其進(jìn)行初始化。DAQStart 子VI 負(fù)責(zé)硬件參數(shù)的設(shè)置，其所需硬件配置信息如采樣率等參數(shù)皆可通過調(diào)用信息服務(wù)對象的方法獲得。

RealDisplay 子VI 管理數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和實時顯示，它所需要的傳感器靈敏度等參數(shù)信息也可以從信息服務(wù)對象中得到。在程序最后， 由ClassPersist 子VI 將信息服務(wù)對象的信息“持久化”到文件，以便在數(shù)據(jù)后期處理時使用。

由此可見，應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和“多層”結(jié)構(gòu)，對于優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)、提高程序的靈活性是很有幫助的。

數(shù)據(jù)顯示與控制

數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確實時顯示是實時測試的另一重要任務(wù)。這里采用“總-分”的顯示策略。如圖2，“總”是將所有通道在下面的控件數(shù)組中進(jìn)行分類顯示。“分”是當(dāng)選中某個特定通道時在上面的波形顯示控件中描繪出來。

在框圖程序編程時，將各個顯示控件的引用傳遞到一個RealDisplay 子VI 中（如圖6）通過其進(jìn)行顯示的集中控制。這樣既實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示也可以控制顯示控件的屬性，實現(xiàn)更好的交互性。在圖2 中，波形顯示控件的PlotLegend 面板顯示了波形與通道的對應(yīng)關(guān)系，它就是通過對波形控件的屬性進(jìn)行控制而實現(xiàn)的。 


 
圖6 實施測試子系統(tǒng)的框圖程序

結(jié)論

應(yīng)用美國NI 公司LabVIEW和PXI 等先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)快速建立起城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架測試平臺，將面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)和“多層”體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用到測試程序開發(fā)上，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴展性。