基于LabVIEW和PXI的測控平臺

　　前言
　　工程設計和研究開(kāi)發(fā)需要大量復雜的試驗，常常需要把各種設備組合在一起構成統一的測試平臺。在實(shí)驗室熱工水力學(xué)測控平臺中不但需要許多設備，而且需要模擬和仿真許多設備。這樣做不但可減少投資和運行成本，也為加快試驗進(jìn)度提供了必要條件，計算機和虛擬儀器技術(shù)在構建這種平臺過(guò)程中發(fā)揮了巨大作用。

　　測控平臺的結構
　　根據虛擬儀器和對等網(wǎng)絡(luò )的思想，采用NI公司的LabVIEW和PXI系列產(chǎn)品組建成了熱工水力學(xué)測控平臺，平臺的結構如圖1所示。這是一個(gè)由PXI數據采集系統、PCI板卡數據采集系統、PCMCIA板卡數采系統和GPIB儀器系統組成的網(wǎng)絡(luò )化測控系統，系統內各個(gè)子系統可以單獨使用，也可以組合使用，非常適合于各類(lèi)實(shí)驗室。
 　
　　熱工水力學(xué)實(shí)驗大廳內有四個(gè)大型熱工實(shí)驗臺架，每個(gè)臺架都有大量的溫度、壓力、流量等熱工參數，還有輔助的電壓、電流、功率等信號。采用PXI和MXI技術(shù)，形成圖2所示的測量系統。PXI系統靠近實(shí)驗臺架，通過(guò)MXI光纜將實(shí)驗現場(chǎng)的PXI系統和控制室的PC主控機連接起來(lái)，所以大量的信號傳輸線(xiàn)都位于實(shí)驗現場(chǎng)，雖然數量很多，但長(cháng)度很短，這樣既節約了大量費用，又有利于抗干擾。四個(gè)實(shí)驗臺架共用一套便攜式PXI－MXI系統。實(shí)際應用證明，該系統配置合理、成本低、利用率高，大大地提高了實(shí)驗水平和效率。

　　先進(jìn)的熱工測量技術(shù)
 　　依托LabVIEW軟件包強大的信號處理功能，開(kāi)發(fā)了基于頻率信號流量計的流量測量和仿真分析系統、自然循環(huán)兩相流不穩定測量和仿真系統、相關(guān)技術(shù)測量流量和仿真系統，以及基于G Web服務(wù)器的熱電偶校驗監控系統。

　　實(shí)驗室中大量使用渦街和渦輪流量計，流量信號是近似正弦波的頻率信號，頻率大小代表了流量的大小。由于實(shí)驗室中電場(chǎng)、磁場(chǎng)相互影響和50Hz電網(wǎng)干擾，其測量精度受到很大影響，往往達不到流量傳感器本身的精度。利用LabVIEW信號處理包中Super Resolution Spectral Est的PCAR Power Spectrum等模塊，開(kāi)發(fā)出基于頻率信號的流量計流量測量和仿真分析系統。該系統既可作流量測量用，又可作為仿真分析用，達到優(yōu)化測量方法，實(shí)現了高精度流量測量，具有所需采樣點(diǎn)數少、分辨率高和抗噪聲能力強等優(yōu)點(diǎn)。

　　兩相流特性和兩相流不穩定研究是熱工水力學(xué)學(xué)科的研究前沿，采用LabVIEW信號處理包中Super Resolution Spectral Est的PCAR Power Spectrum等模塊，開(kāi)發(fā)出自然循環(huán)兩相流不穩定性測量和仿真分析系統，為深入研究?jì)上嗔鞑环€定性問(wèn)題提供了先進(jìn)的測量和分析工具。

　　應用相關(guān)技術(shù)測量流量是先進(jìn)的流量測量技術(shù)，它利用流體攜帶的某種特征信號，對載流管道相距L位置上的檢測信號X(t)和Y(t)作相關(guān)處理來(lái)確定流體的運動(dòng)速度，即流體的流量。

　　利用LabVIEW軟件庫中Signal Processing的Cross Correlation等模塊，即可容易地開(kāi)發(fā)出相關(guān)技術(shù)流量測量分析系統。在熱工實(shí)驗中，流體的溫度和電導等信號都可作特征信號用，由相關(guān)函數Rxy最大值可知，信號Y(t)比信號X(t)延遲時(shí)間τ，根據兩個(gè)測點(diǎn)之間的距離L,即可得到流體的流速W=L/τ。

　　用LabVIEW軟件庫中G Web服務(wù)器等模塊，開(kāi)發(fā)出遠程控制的熱電偶校驗系統，用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器對現場(chǎng)的校驗監控程序進(jìn)行操作，例如設定恒溫溫度，采集設備和通道號等參數。

　　基于LabVIEW的熱工仿真技術(shù)
　　熱工仿真技術(shù)主要是指應用計算機技術(shù)、熱工水力學(xué)原理、數值計算方法和虛擬熱工儀表技術(shù)，進(jìn)行傳熱學(xué)和流體力學(xué)方面的數值模擬，即用計算機進(jìn)行熱工實(shí)驗，達到（或基本達到）與熱工水力學(xué)過(guò)程一致的結果和高可視化的數據表達，用來(lái)進(jìn)行工程性實(shí)驗預測和估計，達到優(yōu)化實(shí)驗，提高水平和效率，提高工程建設的可行性和經(jīng)濟性的目的。
 

　　“模塊化與組合”的方法是用LabVIEW開(kāi)發(fā)熱工仿真程序的基本方法之一。所謂“模塊化”就是對基本的熱工對象的特征屬性以及其熱工過(guò)程的計算方法進(jìn)行封裝，形成一個(gè)獨立的、可復用的基本模塊，此模塊既可以獨立運行，也可以通過(guò)合理的聯(lián)接與其他基本模塊組合運行；所謂“組合”就是根據各個(gè)基本模塊輸入參數的類(lèi)型以及相互關(guān)系對其進(jìn)行聯(lián)接，前一個(gè)模塊的輸出數據經(jīng)過(guò)合理的處理后，作為后一個(gè)模塊的輸入參數，通過(guò)數據流驅動(dòng)整個(gè)程序的運行，從而完成由簡(jiǎn)單的基本模塊組成復雜仿真系統的過(guò)程，如圖3所示。

　　1．模塊化
 　　熱工對象模塊是LabVIEW開(kāi)發(fā)熱工仿真程序系統結構的基礎，其結構示意圖如圖4所示。要搭建一個(gè)具有基礎模塊結構的基本熱工對象模塊，首先需要對一個(gè)熱工對象的特征及屬性的進(jìn)行總結、提煉，抽取其中的共同屬性作為模塊的輸入參數、中間隱含參數或是輸出參數，然后建立這些參數的物理關(guān)系，并以數學(xué)模型表達這些關(guān)系；必要的時(shí)候再根據需要輔以適當的輔助計算模塊和對象的特性參數，從而形成一個(gè)完整且可以復用的基礎熱工對象模塊。當模塊應用于仿真程序時(shí)，它就成為程序框圖中的一個(gè)“節點(diǎn)”。



　　2．組合
　　LabVIEW的運行是由數據流驅動(dòng)的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是只有當所有輸入參數的數據都已經(jīng)準備好的時(shí)候，一個(gè)“節點(diǎn)”才能執行其功能，當“節點(diǎn)”的流程執行完后， 其所有的輸出端都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)數據值，傳給下一個(gè)“節點(diǎn)”的輸入端。

　　這種數據流驅動(dòng)的執行方式使用戶(hù)“組合”各個(gè)基本熱工對象模塊的過(guò)程變得更加容易，因為用戶(hù)可以將實(shí)際的物理過(guò)程中的能量、質(zhì)量的流動(dòng)映射成數學(xué)模型中相應的數據流動(dòng)，所以用戶(hù)在編程過(guò)程中就可以根據實(shí)際的物理過(guò)程中各個(gè)熱工對象之間的關(guān)系來(lái)聯(lián)接各個(gè)基本的熱工對象模塊。

　　其仿真程序的框圖如圖5所示，為了清晰的顯示上面所述的組合結構，這里隱去了程序框圖中的一些模塊的部分參數。

　　3．熱工仿真程序系統的結構
　　根據“模塊化與組合”這個(gè)基本思想，所設計的基于LabVIEW開(kāi)發(fā)熱工仿真程序系統的框架結構如圖6所示。

　　結論
　　應用美國NI公司的LabVIEW和PXI等先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，將虛擬儀器和對等網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用于熱工水力學(xué)實(shí)驗熱工參數的測量和控制，開(kāi)發(fā)成功了多項先進(jìn)的熱工測量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)，拓寬了熱工測控平臺的功能。