引言
在當(dāng)前測(cè)量與控制領(lǐng)域，對(duì)于每一個(gè)不同的被測(cè)控對(duì)象，在搭建它們的測(cè)控系統(tǒng)時(shí),，都需要針對(duì)性地確定一個(gè)獨(dú)立的測(cè)控實(shí)驗(yàn)流程,。每個(gè)流程都可以分為若干不同的步驟，每個(gè)步驟都用來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的某個(gè)特定性能指標(biāo)的測(cè)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(duì)產(chǎn)品的一次測(cè)控工作過(guò)程。而在對(duì)產(chǎn)品壽命進(jìn)行檢測(cè)時(shí),，需要多次重復(fù)上述測(cè)控工作過(guò)程,，這就需要引入試驗(yàn)循環(huán)。然而在同一行業(yè)中,，不同類(lèi)型或型號(hào)的產(chǎn)品其測(cè)控試驗(yàn)流程所包含的步驟及每個(gè)步驟所模擬的試驗(yàn)環(huán)境可能有所不同,，因此具有用戶(hù)自定義流程功能的測(cè)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(mǎn)足用戶(hù)的實(shí)際需求。
基于LabVIEW RT的自定義流程測(cè)控系統(tǒng)
作為測(cè)控系統(tǒng),，其主要任務(wù)有兩項(xiàng)：測(cè)量和控制,。測(cè)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(gè)測(cè)控系統(tǒng),，首先要有一系列的硬件，例如傳感器,、執(zhí)行器,、開(kāi)關(guān)量等來(lái)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(lái),，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,。也就是說(shuō)要依靠某種總線(xiàn)(如PCI或PXI總線(xiàn)等)通過(guò)硬件驅(qū)動(dòng)程序完成系統(tǒng)底層硬件同硬件接口的通信，實(shí)現(xiàn)了兩者間的數(shù)據(jù)傳輸,。最后,，選擇一個(gè)編程平臺(tái)，如LabVIEW,、VC,、VB等，根據(jù)用戶(hù)的需求,。開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)用軟件,，完成要求的測(cè)量和控制任務(wù)。這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)就建立了,。
當(dāng)前,，隨著測(cè)控技術(shù)的不斷發(fā)展，簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求了,。用戶(hù)對(duì)測(cè)控流程的要求也越來(lái)越復(fù)雜,。針對(duì)這種原因，開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW RT的自定義流程測(cè)控系統(tǒng),。系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)了硬件配置功能,，用戶(hù)可方便地將整個(gè)試驗(yàn)劃分為若干步驟，自定義每個(gè)步驟的動(dòng)作,；也可將若干步驟合成試驗(yàn)階段,，參與循環(huán)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的試驗(yàn)流程配置和數(shù)據(jù)管理,。
自定義流程配置
經(jīng)過(guò)對(duì)用戶(hù)需求的深入研究,，將自定義流程分成了以下幾個(gè)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(dòng)讀取得出的,，用戶(hù)添加或刪除某個(gè)硬件后，硬件列表也會(huì)進(jìn)行更新,，目前硬件列表只支持美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instrument簡(jiǎn)稱(chēng)NI)公司生產(chǎn)的各種板卡,。考慮到用戶(hù)在對(duì)各個(gè)物理量信號(hào)類(lèi)型的需求上可能有所不同,，所以在該界面中,，用戶(hù)可以選擇本次試驗(yàn)所需要的信號(hào)，并可對(duì)每路信號(hào)自由命名、選擇其對(duì)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(hào)類(lèi)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(hào)類(lèi)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(mǎn)足用戶(hù)的一般需求,。
圖1 硬件通道配置
通道標(biāo)定如圖2所示，無(wú)論是傳感器還是數(shù)據(jù)采集卡,、信號(hào)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(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,，將試驗(yàn)誤差降低到最小,，需要對(duì)每個(gè)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(shí)獲取系統(tǒng)中該測(cè)試通道的電壓值,，在二者間建立線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)該測(cè)試通道的最大和最小檢測(cè)物理量的測(cè)量,，計(jì)算出線(xiàn)性關(guān)系的系數(shù),，對(duì)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(yàn)標(biāo)定系數(shù),，計(jì)算絕對(duì)誤差(目標(biāo)值減去檢驗(yàn)值)。
圖2 通道標(biāo)定
在實(shí)際應(yīng)用中,，為了測(cè)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(gè)試驗(yàn)流程,，考慮到以上這點(diǎn),，在本系統(tǒng)中把這樣的一個(gè)流程稱(chēng)之為階段，因此階段也就是試驗(yàn)循環(huán)的最小單位,。而在同一個(gè)階段中,，用戶(hù)要模擬的產(chǎn)品使用環(huán)境可能會(huì)有所改變，所以又將階段進(jìn)行細(xì)分,，即把階段分成一個(gè)或多個(gè)步續(xù),，每個(gè)步續(xù)通過(guò)獨(dú)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(gè)試驗(yàn)流程的最小單位。
試驗(yàn)流程配置如圖3所示,。在左側(cè)的試驗(yàn)流程列表中,，最高層次是“試驗(yàn)順序樹(shù)”即整個(gè)試驗(yàn)完整流程，然后向下一個(gè)層次是“階段”,，最低層次就是所說(shuō)的“步續(xù)”,。在用戶(hù)進(jìn)行自定義流程配置之前，系統(tǒng)已經(jīng)預(yù)制了5個(gè)特殊階段：開(kāi)始,，停車(chē),、緊急停車(chē)、空閑和斷點(diǎn)繼續(xù),。在該界面右側(cè)區(qū)域,，用戶(hù)可以點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕來(lái)插入、刪除,、重命名某個(gè)自定義的階段或步續(xù),。
圖3 試驗(yàn)流程配置
步續(xù)配置如圖4所示，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),，每個(gè)步續(xù)的結(jié)束條件可能不同,，例如有時(shí)可能只是簡(jiǎn)單的讓某個(gè)步續(xù)持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，有時(shí)某個(gè)步續(xù)只是為下一個(gè)步續(xù)提供試驗(yàn)條件,，如在油品測(cè)試中,，有些測(cè)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(shí)試驗(yàn)條件要求的某個(gè)物理量的當(dāng)前值并沒(méi)有通過(guò)數(shù)據(jù)采集傳入計(jì)算機(jī)而是通過(guò)傳統(tǒng)儀表進(jìn)行顯示,。如油品測(cè)試中,，有時(shí)需要水壓達(dá)到要求后，才能繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn),，而水壓的當(dāng)前值是通過(guò)傳統(tǒng)儀表顯示的,。
圖4 試驗(yàn)步續(xù)配置
根據(jù)以上分析本系統(tǒng)將結(jié)束類(lèi)型條件分為以下幾種：時(shí)間(即該步續(xù)執(zhí)行目標(biāo)時(shí)間后結(jié)束并按順序執(zhí)行下一個(gè)步續(xù)，或由用戶(hù)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(hào)達(dá)到要求的目標(biāo)值后結(jié)束并按順序執(zhí)行下一個(gè)步續(xù),，或由用戶(hù)自定義轉(zhuǎn)入該步續(xù)所在階段中的其他步續(xù))、對(duì)話(huà)框提示(即在該步續(xù)開(kāi)始時(shí)彈出對(duì)話(huà)框提示用戶(hù)要進(jìn)行的事情,，在用戶(hù)確認(rèn)可以結(jié)束該對(duì)話(huà)框后,，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入下一個(gè)步續(xù))；自定義條件與時(shí)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(lái)控制執(zhí)行器，AO方面，用戶(hù)可以選擇的輸出方式有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種,。
開(kāi)環(huán)時(shí),，用戶(hù)可以設(shè)置目標(biāo)值及到達(dá)目標(biāo)值所需要的時(shí)間。閉環(huán)時(shí),，本系統(tǒng)采用PID控制,，用戶(hù)需要選擇反饋信號(hào)，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(hù)配置輸出高低電平來(lái)控制電磁閥的操作。在設(shè)置AI,、DI報(bào)警方面,，用戶(hù)可以自由設(shè)定超限值和報(bào)警值，以便當(dāng)試驗(yàn)出現(xiàn)意外時(shí),，能夠?qū)⒃囼?yàn)及時(shí)轉(zhuǎn)入安全處理流程，最大程度上保證試驗(yàn)儀器和用戶(hù)人身的安全,。除上述功能外,，對(duì)于試驗(yàn)中的某些對(duì)產(chǎn)品測(cè)量和評(píng)定起到關(guān)鍵作用的步續(xù)，用戶(hù)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放和生成試驗(yàn)報(bào)表等,。
階段配置如圖5所示，這是一個(gè)普通的試驗(yàn)流程,，共有4個(gè)階段,，如果不加上試驗(yàn)循環(huán)的話(huà)，按照上述的配置方法就可以實(shí)現(xiàn)了,。但是為了模擬出一個(gè)產(chǎn)品實(shí)際使用的環(huán)境,，加入了試驗(yàn)循環(huán)的概念。針對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，是通過(guò)軟件計(jì)數(shù)器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。對(duì)于簡(jiǎn)單的單個(gè)循環(huán)，可以在需要循環(huán)的階段開(kāi)始時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化,，并在該階段結(jié)束時(shí)將計(jì)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(lái)決定試驗(yàn)流程的走向(滿(mǎn)足目標(biāo)值時(shí)，執(zhí)行下一個(gè)階段的第一個(gè)步續(xù),，不滿(mǎn)足時(shí),，重復(fù)循環(huán)當(dāng)前階段，如圖6所示,。
圖5 試驗(yàn)流程圖
但是對(duì)于圖5中所示這種比較復(fù)雜的兩個(gè)循環(huán)嵌套時(shí),，除按上述方法配置兩個(gè)計(jì)數(shù)器以外，還涉及到了當(dāng)兩個(gè)計(jì)數(shù)器當(dāng)前值同時(shí)滿(mǎn)足目標(biāo)值時(shí)試驗(yàn)流程的走向。為此引入了優(yōu)先級(jí)概念,，即當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)滿(mǎn)足目標(biāo)值時(shí),，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)的高低，按照高優(yōu)先級(jí)的設(shè)定來(lái)執(zhí)行試驗(yàn),。為了最大程度上滿(mǎn)足用戶(hù)的需求,，本系統(tǒng)配有8個(gè)計(jì)數(shù)器，最高支持8層的循環(huán)嵌套,。
圖6 試驗(yàn)循環(huán)配置
系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)是在LabVIEW編程平臺(tái)下開(kāi)發(fā)的基于LabVIEW RT技術(shù)的自定義流程測(cè)控系統(tǒng),，采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu),，上位機(jī)主要完成對(duì)試驗(yàn)的監(jiān)控,、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄和顯示,、試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存?zhèn)浞莸裙δ?，并將用?hù)下達(dá)的命令和配置參數(shù)傳送到下位機(jī)。下位機(jī)運(yùn)行LabVIEW RT系統(tǒng),，對(duì)系統(tǒng)實(shí)行實(shí)時(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)和當(dāng)前試驗(yàn)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(cè)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(diǎn),，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(tái),，由于本系統(tǒng)是多路模擬信號(hào)同時(shí)采集，對(duì)AI,、DI報(bào)警要做出實(shí)時(shí)緊急響應(yīng),，PID控制對(duì)時(shí)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(tái)程序和服務(wù)較少，能夠保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行,，并準(zhǔn)確的把握時(shí)間的精確性,，穩(wěn)定性較高。作為下位機(jī),，其程序的運(yùn)行不受主機(jī)的影響,。
計(jì)算機(jī)配置
上位機(jī)選用高性能的PCI總線(xiàn)工業(yè)控制計(jì)算機(jī),。下位機(jī)選用NI公司基于PXI總線(xiàn)的計(jì)算機(jī)控制器、數(shù)據(jù)采集卡,、工業(yè)級(jí)數(shù)字I/O卡和用于進(jìn)行信號(hào)調(diào)理的各種功能模塊,。
基于LabVIEW RT技術(shù)的自定義試驗(yàn)流程的測(cè)量與控制系統(tǒng)如圖8所示，主要應(yīng)用于對(duì)自動(dòng)傳動(dòng)液和四沖程摩托車(chē)機(jī)油進(jìn)行性能測(cè)試以及評(píng)定,。
圖8 油品測(cè)試與控制系統(tǒng)
結(jié)束語(yǔ)
在油品測(cè)試及評(píng)定行業(yè),，本系統(tǒng)具有一定的通用性，可完全滿(mǎn)足一般用戶(hù)的需求,。另外鑒于在硬件配置以及試驗(yàn)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(cè)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(shí)時(shí)測(cè)量與控制的結(jié)構(gòu)模式在那些對(duì)控制時(shí)間精確要求高,、時(shí)間緊急決斷響應(yīng)等方面也值得借鑒,。
