基于LabVIEW和PXI的轉(zhuǎn)向架測(cè)試平臺(tái)

應(yīng)用領(lǐng)域： 院校使用的產(chǎn)品：美國(guó)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(cè)定和動(dòng)力學(xué)性能測(cè)定的高性能測(cè)試平臺(tái)。

應(yīng)用方案： 使用美國(guó)National Instruments 公司的PXI 測(cè)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(cè)試平臺(tái)；同時(shí)，開(kāi)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(cè)試中，需要測(cè)量大量的應(yīng)變、電壓和加速度等信號(hào)，這不僅要求數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)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(guó)National Instruments 高效可靠的PXI 總線設(shè)備和LabVIEW 快速圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境，快速建立起的多功能轉(zhuǎn)向架測(cè)試平臺(tái)。實(shí)踐應(yīng)用證明，完全達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的各項(xiàng)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(gè)由信號(hào)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(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。在這個(gè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣時(shí)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(kāi)放性、模塊化儀器總線規(guī)范，是PCI 在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)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(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)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(tái)式PC 的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美地結(jié)合起來(lái)，形成一種主流的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)。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(jī)箱之間的連接而且可以讓主控計(jì)算機(jī)通過(guò)透明的軟硬件連接實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)試平臺(tái)采用具有PXI 和MXI-3 技術(shù)的NI公司產(chǎn)品建立測(cè)試系統(tǒng)，與使用傳統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)相比，不僅具有更高的性價(jià)比，而且使用也更加簡(jiǎn)便、靈活，特別是其信號(hào)調(diào)理模塊具有完全的程序可控性，這些特點(diǎn)都為快速組建成本低廉、功能強(qiáng)大的測(cè)試平臺(tái)提供了前提條件。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

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

在本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，我們采用LabVIEW 作為編程語(yǔ)言。LabVIEW 圖形化編程語(yǔ)言具有簡(jiǎn)單易用、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，它能與NI 公司的硬件設(shè)備達(dá)到無(wú)縫結(jié)合，是首選的開(kāi)發(fā)工具。

本系統(tǒng)分為實(shí)時(shí)測(cè)試子系統(tǒng)（圖2）和數(shù)據(jù)處理與回放子系統(tǒng)（圖3）。實(shí)時(shí)測(cè)試子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多通道測(cè)試信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和監(jiān)視。數(shù)據(jù)處理與回放子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的事后回放和分析處理。 


 
圖2 實(shí)時(shí)測(cè)試子系統(tǒng)

在轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試過(guò)程中，需要測(cè)試的參數(shù)多達(dá)數(shù)十個(gè)，因此，測(cè)試信息管理就成為實(shí)時(shí)測(cè)試必須面臨的任務(wù)。測(cè)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(lì)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(kāi)發(fā)過(guò)程中采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)和“ 多層”體系結(jié)構(gòu)來(lái)解決復(fù)雜的信息管理等問(wèn)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(shí)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(yàn)。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(xiě)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(kuò)展。 
 

圖4 軟件體系結(jié)構(gòu)

應(yīng)該說(shuō)， 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(yǔ)言，其本身沒(méi)有明確支持的面向?qū)ο蠹夹g(shù)， 但可以用DataLogFileRefnum 控件作為對(duì)象引用等來(lái)間接實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蠹夹g(shù)。對(duì)象使用方法如圖5 所示，首先創(chuàng)建對(duì)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(guò)程中，需要傳遞由創(chuàng)建對(duì)象VI 輸出的對(duì)象引用，以保證對(duì)象方法VI 的順利執(zhí)行。 
 

圖5 對(duì)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(diǎn)：

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(kuò)展，稍不小心將導(dǎo)致程序的運(yùn)行錯(cuò)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(duì)象的方法來(lái)調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)。因此，可以在對(duì)象的方法中，建立數(shù)據(jù)保護(hù)和屏蔽，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并發(fā)控制，使系統(tǒng)更加安全；同時(shí)也有利于系統(tǒng)的維護(hù)與擴(kuò)展。

2. 實(shí)現(xiàn)“拉進(jìn)式”的程序結(jié)構(gòu)。

每個(gè)數(shù)據(jù)傳送都有兩個(gè)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(shuí)發(fā)起數(shù)據(jù)的傳送， 可分作兩個(gè)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(duì)于某個(gè)子VI 來(lái)說(shuō)，若只有少量輸入?yún)?shù)可以直接連入即可，但對(duì)于大量輸入?yún)?shù)時(shí)或者就不知將用到什么參數(shù)信息時(shí)，這時(shí)使用傳遞對(duì)象引用就顯得方便多了。在程序中，我們創(chuàng)建了一個(gè)信息服務(wù)對(duì)象，集中存儲(chǔ)和管理各種配置信息和參數(shù)信息，在每個(gè)子VI 中，我們將這個(gè)信息服務(wù)對(duì)象的引用傳遞進(jìn)來(lái)，而后，子VI 根據(jù)自身的需要調(diào)用信息服務(wù)對(duì)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(diǎn)：有利于使LabVIEW 圖形化程序更加簡(jiǎn)潔、高效；有利于系統(tǒng)的維護(hù)與擴(kuò)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(jì)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能。

在面向?qū)ο蠹夹g(shù)中有許多成熟的設(shè)計(jì)模式可以實(shí)現(xiàn)程序的快速開(kāi)發(fā)， 把其應(yīng)用到LabVIEW 中不僅減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且可以實(shí)現(xiàn)一些高級(jí)功能。比如，應(yīng)用對(duì)象持久技術(shù)，在實(shí)時(shí)測(cè)試子系統(tǒng)中，使測(cè)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(cè)試信息對(duì)象從已保存的信息中恢復(fù)回來(lái)，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(jiǎn)化的實(shí)時(shí)測(cè)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(yàn)。New子VI 創(chuàng)建信息服務(wù)對(duì)象并對(duì)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(guò)調(diào)用信息服務(wù)對(duì)象的方法獲得。

RealDisplay 子VI 管理數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)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(duì)象中得到。在程序最后， 由ClassPersist 子VI 將信息服務(wù)對(duì)象的信息“持久化”到文件，以便在數(shù)據(jù)后期處理時(shí)使用。

由此可見(jiàn)，應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和“多層”結(jié)構(gòu)，對(duì)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(shí)時(shí)顯示是實(shí)時(shí)測(cè)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(gè)特定通道時(shí)在上面的波形顯示控件中描繪出來(lái)。

在框圖程序編程時(shí)，將各個(gè)顯示控件的引用傳遞到一個(gè)RealDisplay 子VI 中（如圖6）通過(guò)其進(jìn)行顯示的集中控制。這樣既實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示也可以控制顯示控件的屬性，實(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系，它就是通過(guò)對(duì)波形控件的屬性進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)的。 


 
圖6 實(shí)施測(cè)試子系統(tǒng)的框圖程序

結(jié)論

應(yīng)用美國(guó)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(cè)試平臺(tái)，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(cè)試程序開(kāi)發(fā)上，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。