引言
在當(dāng)前測量與控制領(lǐng)域,，對于每一個不同的被測控對象,，在搭建它們的測控系統(tǒng)時,，都需要針對性地確定一個獨立的測控實驗流程,。每個流程都可以分為若干不同的步驟,，每個步驟都用來進(jìn)行產(chǎn)品的某個特定性能指標(biāo)的測控工作,。當(dāng)流程中所有步驟執(zhí)行完一遍以后,，也就完成了對產(chǎn)品的一次測控工作過程,。而在對產(chǎn)品壽命進(jìn)行檢測時,，需要多次重復(fù)上述測控工作過程,，這就需要引入試驗循環(huán)。然而在同一行業(yè)中,，不同類型或型號的產(chǎn)品其測控試驗流程所包含的步驟及每個步驟所模擬的試驗環(huán)境可能有所不同,，因此具有用戶自定義流程功能的測控系統(tǒng)，將具有更好的兼容性,、擴(kuò)展性和通用性,，可以更好地滿足用戶的實際需求。
基于LabVIEW RT的自定義流程測控系統(tǒng)
作為測控系統(tǒng),，其主要任務(wù)有兩項：測量和控制,。測量系統(tǒng)由傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊組成，控制系統(tǒng)由執(zhí)行元件和控制模塊組成,。所以要建立一個測控系統(tǒng),，首先要有一系列的硬件，例如傳感器,、執(zhí)行器,、開關(guān)量等來為軟件進(jìn)行支持。當(dāng)然光有硬件是不夠的,，下一步需要將硬件同軟件聯(lián)系起來,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。也就是說要依靠某種總線(如PCI或PXI總線等)通過硬件驅(qū)動程序完成系統(tǒng)底層硬件同硬件接口的通信,，實現(xiàn)了兩者間的數(shù)據(jù)傳輸,。最后，選擇一個編程平臺,，如LabVIEW,、VC、VB等,，根據(jù)用戶的需求,。開發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)用軟件，完成要求的測量和控制任務(wù),。這樣一個簡單的測控系統(tǒng)就建立了,。
當(dāng)前，隨著測控技術(shù)的不斷發(fā)展，簡單的測控系統(tǒng)已經(jīng)越來越不能滿足用戶的需求了,。用戶對測控流程的要求也越來越復(fù)雜,。針對這種原因，開發(fā)了基于LabVIEW RT的自定義流程測控系統(tǒng),。系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)了硬件配置功能,，用戶可方便地將整個試驗劃分為若干步驟，自定義每個步驟的動作,；也可將若干步驟合成試驗階段,，參與循環(huán)，實現(xiàn)復(fù)雜的試驗流程配置和數(shù)據(jù)管理,。
自定義流程配置
經(jīng)過對用戶需求的深入研究,，將自定義流程分成了以下幾個部分。
硬件通道配置如圖1所示,，界面中硬件列表信息是系統(tǒng)自動讀取得出的,，用戶添加或刪除某個硬件后，硬件列表也會進(jìn)行更新,，目前硬件列表只支持美國國家儀器公司(National Instrument簡稱NI)公司生產(chǎn)的各種板卡,。考慮到用戶在對各個物理量信號類型的需求上可能有所不同,，所以在該界面中,，用戶可以選擇本次試驗所需要的信號，并可對每路信號自由命名,、選擇其對應(yīng)的物理通道,、設(shè)定顯示顏色和量程。在模擬量輸入方面可以選擇的信號類型有溫度,、電壓,、頻率和位移。在模擬量輸出方面可以選擇的信號類型有電流和電壓,。數(shù)字量輸入輸出方面,，配有48路數(shù)字量輸入與輸出通道?？苫緷M足用戶的一般需求,。
圖1 硬件通道配置
通道標(biāo)定如圖2所示，無論是傳感器還是數(shù)據(jù)采集卡,、信號調(diào)理模塊其本身都肯定存在一定的誤差,。因此，為了保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,，將試驗誤差降低到最小,，需要對每個通道分別進(jìn)行標(biāo)定,。具體標(biāo)定方法是：利用標(biāo)準(zhǔn)儀表讀取該通道的物理量讀數(shù)，同時獲取系統(tǒng)中該測試通道的電壓值,，在二者間建立線性關(guān)系。通過該測試通道的最大和最小檢測物理量的測量,，計算出線性關(guān)系的系數(shù),，對原有的換算關(guān)系進(jìn)行修正。多次讀取標(biāo)準(zhǔn)儀表和數(shù)據(jù)采集卡的讀數(shù),，修正換算公式中的系數(shù),，保證標(biāo)定系數(shù)的準(zhǔn)確性。標(biāo)定結(jié)束后,，可以檢驗標(biāo)定系數(shù),，計算絕對誤差(目標(biāo)值減去檢驗值)。
圖2 通道標(biāo)定
在實際應(yīng)用中,，為了測量產(chǎn)品的使用壽命,，需要多次重復(fù)模擬產(chǎn)品的某種使用環(huán)境，即重復(fù)循環(huán)執(zhí)行某個試驗流程,，考慮到以上這點,，在本系統(tǒng)中把這樣的一個流程稱之為階段，因此階段也就是試驗循環(huán)的最小單位,。而在同一個階段中,，用戶要模擬的產(chǎn)品使用環(huán)境可能會有所改變，所以又將階段進(jìn)行細(xì)分,，即把階段分成一個或多個步續(xù),，每個步續(xù)通過獨立配置都可以模擬產(chǎn)品的一種使用環(huán)境，因此步續(xù)也就是整個試驗流程的最小單位,。
試驗流程配置如圖3所示,。在左側(cè)的試驗流程列表中，最高層次是“試驗順序樹”即整個試驗完整流程,，然后向下一個層次是“階段”,，最低層次就是所說的“步續(xù)”。在用戶進(jìn)行自定義流程配置之前,，系統(tǒng)已經(jīng)預(yù)制了5個特殊階段：開始,，停車、緊急停車,、空閑和斷點繼續(xù),。在該界面右側(cè)區(qū)域，用戶可以點擊相應(yīng)的按鈕來插入,、刪除,、重命名某個自定義的階段或步續(xù),。
圖3 試驗流程配置
步續(xù)配置如圖4所示，根據(jù)實際經(jīng)驗,，每個步續(xù)的結(jié)束條件可能不同,，例如有時可能只是簡單的讓某個步續(xù)持續(xù)運行一段時間，有時某個步續(xù)只是為下一個步續(xù)提供試驗條件,，如在油品測試中,，有些測試是要在油的溫度達(dá)到120攝氏度以上的條件下進(jìn)行的。有時試驗條件要求的某個物理量的當(dāng)前值并沒有通過數(shù)據(jù)采集傳入計算機(jī)而是通過傳統(tǒng)儀表進(jìn)行顯示,。如油品測試中,，有時需要水壓達(dá)到要求后，才能繼續(xù)進(jìn)行試驗,，而水壓的當(dāng)前值是通過傳統(tǒng)儀表顯示的,。
圖4 試驗步續(xù)配置
根據(jù)以上分析本系統(tǒng)將結(jié)束類型條件分為以下幾種：時間(即該步續(xù)執(zhí)行目標(biāo)時間后結(jié)束并按順序執(zhí)行下一個步續(xù)，或由用戶自定義轉(zhuǎn)入該步續(xù)所在階段中的其他步續(xù)),；自定義條件(即某路模擬量或數(shù)字量輸入信號達(dá)到要求的目標(biāo)值后結(jié)束并按順序執(zhí)行下一個步續(xù),，或由用戶自定義轉(zhuǎn)入該步續(xù)所在階段中的其他步續(xù))、對話框提示(即在該步續(xù)開始時彈出對話框提示用戶要進(jìn)行的事情,，在用戶確認(rèn)可以結(jié)束該對話框后,，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入下一個步續(xù))；自定義條件與時間條件組合,。此外在步續(xù)配置界面中還可以配置AO,、DO輸出來控制執(zhí)行器，AO方面,，用戶可以選擇的輸出方式有開環(huán)和閉環(huán)兩種,。
開環(huán)時，用戶可以設(shè)置目標(biāo)值及到達(dá)目標(biāo)值所需要的時間,。閉環(huán)時,，本系統(tǒng)采用PID控制，用戶需要選擇反饋信號,，并設(shè)定PID中的比例,、積分和微分常數(shù)。DO方面主要是由用戶配置輸出高低電平來控制電磁閥的操作,。在設(shè)置AI,、DI報警方面，用戶可以自由設(shè)定超限值和報警值,，以便當(dāng)試驗出現(xiàn)意外時,，能夠?qū)⒃囼灱皶r轉(zhuǎn)入安全處理流程，最大程度上保證試驗儀器和用戶人身的安全,。除上述功能外,，對于試驗中的某些對產(chǎn)品測量和評定起到關(guān)鍵作用的步續(xù),，用戶還可以選擇在該步續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。以便以后可以對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回放和生成試驗報表等,。
階段配置如圖5所示,，這是一個普通的試驗流程，共有4個階段,，如果不加上試驗循環(huán)的話,，按照上述的配置方法就可以實現(xiàn)了。但是為了模擬出一個產(chǎn)品實際使用的環(huán)境,，加入了試驗循環(huán)的概念。針對本系統(tǒng)來說,，是通過軟件計數(shù)器的方式來實現(xiàn)的,。對于簡單的單個循環(huán)，可以在需要循環(huán)的階段開始時對計數(shù)器進(jìn)行初始化,，并在該階段結(jié)束時將計數(shù)值自加后的當(dāng)前值同目標(biāo)值進(jìn)行比較,，并根據(jù)比較結(jié)果來決定試驗流程的走向(滿足目標(biāo)值時，執(zhí)行下一個階段的第一個步續(xù),，不滿足時,，重復(fù)循環(huán)當(dāng)前階段，如圖6所示,。
圖5 試驗流程圖
但是對于圖5中所示這種比較復(fù)雜的兩個循環(huán)嵌套時,，除按上述方法配置兩個計數(shù)器以外，還涉及到了當(dāng)兩個計數(shù)器當(dāng)前值同時滿足目標(biāo)值時試驗流程的走向,。為此引入了優(yōu)先級概念,，即當(dāng)兩個或多個計數(shù)器同時滿足目標(biāo)值時，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級的高低,，按照高優(yōu)先級的設(shè)定來執(zhí)行試驗,。為了最大程度上滿足用戶的需求，本系統(tǒng)配有8個計數(shù)器,，最高支持8層的循環(huán)嵌套,。
圖6 試驗循環(huán)配置
系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)是在LabVIEW編程平臺下開發(fā)的基于LabVIEW RT技術(shù)的自定義流程測控系統(tǒng)，采用上,、下位機(jī)結(jié)構(gòu),，上位機(jī)主要完成對試驗的監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置,、數(shù)據(jù)記錄和顯示,、試驗數(shù)據(jù)保存?zhèn)浞莸裙δ埽⒂脩粝逻_(dá)的命令和配置參數(shù)傳送到下位機(jī),。下位機(jī)運行LabVIEW RT系統(tǒng),，對系統(tǒng)實行實時管理,，并根據(jù)上位機(jī)下達(dá)的命令，完成數(shù)據(jù)采集和控制等特定功能,，并將試驗數(shù)據(jù)和當(dāng)前試驗狀態(tài)返回到上位機(jī),。系統(tǒng)框圖如圖7所示。
圖7 自定義流程測控系統(tǒng)示意圖
通信網(wǎng)絡(luò)
考慮到TCP/IP通信具有傳輸速度快,，數(shù)據(jù)不易丟失的特點,，所以上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信采用以太網(wǎng)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,。上位機(jī)采用Windows 2000操作平臺,，由于本系統(tǒng)是多路模擬信號同時采集，對AI,、DI報警要做出實時緊急響應(yīng),，PID控制對時間精度有較高的要求，所以下位機(jī)采用LabVIEW RT系統(tǒng),。LabVIEW RT不需要外圍設(shè)備,，后臺程序和服務(wù)較少，能夠保證高優(yōu)先級任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行,，并準(zhǔn)確的把握時間的精確性,，穩(wěn)定性較高。作為下位機(jī),，其程序的運行不受主機(jī)的影響,。
計算機(jī)配置
上位機(jī)選用高性能的PCI總線工業(yè)控制計算機(jī)。下位機(jī)選用NI公司基于PXI總線的計算機(jī)控制器,、數(shù)據(jù)采集卡,、工業(yè)級數(shù)字I/O卡和用于進(jìn)行信號調(diào)理的各種功能模塊。
基于LabVIEW RT技術(shù)的自定義試驗流程的測量與控制系統(tǒng)如圖8所示,，主要應(yīng)用于對自動傳動液和四沖程摩托車機(jī)油進(jìn)行性能測試以及評定,。
圖8 油品測試與控制系統(tǒng)
結(jié)束語
在油品測試及評定行業(yè)，本系統(tǒng)具有一定的通用性,，可完全滿足一般用戶的需求,。另外鑒于在硬件配置以及試驗流程方面的高度靈活性，本系統(tǒng)擁有很強(qiáng)的拓展空間,，可廣泛應(yīng)用于應(yīng)用于有測試流程管理需求的諸多領(lǐng)域,。此外，本系統(tǒng)上,、下位機(jī)RT實時測量與控制的結(jié)構(gòu)模式在那些對控制時間精確要求高,、時間緊急決斷響應(yīng)等方面也值得借鑒。
