基于LabVIEW和PXI的轉向架測試平臺

應用領(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 等硬件設備。

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

應用方案： 使用美國National Instruments 公司的PXI 測試設備和LabVIEW6.1 軟件建立基于虛擬儀器技術(shù)的轉向架測試平臺；同時(shí)，開(kāi)發(fā)出相應的后期分析處理軟件。

介紹

在城市軌道車(chē)輛轉向架測試中，需要測量大量的應變、電壓和加速度等信號，這不僅要求數據的高速實(shí)時(shí)采集而且也要設備具有很高的穩定性和可靠性。使用美國National Instruments 高效可靠的PXI 總線(xiàn)設備和LabVIEW 快速圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境，快速建立起的多功能轉向架測試平臺。實(shí)踐應用證明，完全達到了系統設計時(shí)的各項要求。

基于PXI 總線(xiàn)的系統架構系統結構如圖1 所示，這是一個(gè)由信號采集與調理模塊（SCXI-1531、 SCXI-1520、SCB-100 ）、PXI 數據采集卡（PXI-6070E、PXI-6071E）和PXI 接口卡（PXI-8330，采用MXI-3 技術(shù)）組成的數據實(shí)時(shí)采集系統。在這個(gè)系統中，由于采用了PXI和MXI-3總線(xiàn)技術(shù)，因此能夠充分保證實(shí)時(shí)數據采樣時(shí)的帶寬要求。 


 
圖1 系統結構圖

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(xiàn)規范，是PCI 在儀器領(lǐng)域的擴展(PCI eXtensions for Instrumentation) 。它將CompactPCI 規范定義的PCI總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展成適合于試驗、測量與數據采集場(chǎng)合應用的機械、電氣和軟件規范，從而形成了新的虛擬儀器體系結構。制訂PXI 規范的目的是為了將臺式PC 的性能價(jià)格比優(yōu)勢與PCI總線(xiàn)面向儀器領(lǐng)域的必要擴展完美地結合起來(lái)，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(xiàn)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(guò)透明的軟硬件連接實(shí)現對PXI 系統的直接控制。MXI-3 技術(shù)也提供了最高可達1.5Gb/s 的串行數據連接。

該轉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，與使用傳統的測試技術(shù)相比，不僅具有更高的性?xún)r(jià)比，而且使用也更加簡(jiǎn)便、靈活，特別是其信號調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、功能強大的測試平臺提供了前提條件。

系統的軟件設計

“軟件就是儀器”，軟件設計已經(jīng)成為了基于虛擬儀器技術(shù)的測試系統的關(guān)鍵環(huán)節。尤其是對于采用了NI 公司的PXI 測試設備的測試系統，硬件的使用難度已大大降低，在其上所耗費的時(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開(kāi)發(fā)上。

在本系統開(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、功能強大等優(yōu)點(diǎn)，它能與NI 公司的硬件設備達到無(wú)縫結合，是首選的開(kāi)發(fā)工具。

本系統分為實(shí)時(shí)測試子系統（圖2）和數據處理與回放子系統（圖3）。實(shí)時(shí)測試子系統實(shí)現多通道測試信號的實(shí)時(shí)采集、存儲和監視。數據處理與回放子系統實(shí)現數據的事后回放和分析處理。 


 
圖2 實(shí)時(shí)測試子系統

在轉向架動(dòng)力學(xué)性能測試過(guò)程中，需要測試的參數多達數十個(gè)，因此，測試信息管理就成為實(shí)時(shí)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據處理信息，前者主要用于硬件的物理設置如電橋的激勵電壓，后者用于數據顯示之前的變換處理如加速度傳感器的靈敏度系數。在本系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用了面向對象技術(shù)和“ 多層”體系結構來(lái)解決復雜的信息管理等問(wèn)題。 
 

圖3 數據采集與回放子系統

如圖4 所示，系統縱向分為用戶(hù)界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和數據服務(wù)層。用戶(hù)界面層實(shí)現數據顯示以及接收用戶(hù)的輸入信息并進(jìn)行必要的校驗。業(yè)務(wù)邏輯層負責數據信息的轉換和控制。數據服務(wù)層提供與硬件進(jìn)行交互的讀寫(xiě)功能，包括硬件參數的設置、數據文件的保存和讀取。這種“多層”結構有利于系統的維護和功能的擴展。 
 

圖4 軟件體系結構

應該說(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)有明確支持的面向對象技術(shù)， 但可以用DataLogFileRefnum 控件作為對象引用等來(lái)間接實(shí)現面向對象技術(shù)。對象使用方法如圖5 所示，首先創(chuàng )建對象，然后調用并執行它的方法，使用完畢后將其釋放，在此過(guò)程中，需要傳遞由創(chuàng )建對象VI 輸出的對象引用，以保證對象方法VI 的順利執行。 
 

圖5 對象創(chuàng )建與調用

面向對象的圖形化編程

有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 更安全地使用數據。

一般地，要在不同VI 下使用同一數據需要使用全局變量，但“赤裸裸”的全局變量既不利于數據的并發(fā)控制，也不利于系統的維護與擴展，稍不小心將導致程序的運行錯誤。而使用面向對象技術(shù)，由于數據是被封裝的，必須使用對象的方法來(lái)調用內部數據。因此，可以在對象的方法中，建立數據保護和屏蔽，實(shí)現數據的并發(fā)控制，使系統更加安全；同時(shí)也有利于系統的維護與擴展。

2. 實(shí)現“拉進(jìn)式”的程序結構。

每個(gè)數據傳送都有兩個(gè)參與者，供應者（supplier）產(chǎn)生并發(fā)送數據， 而使用者（ consumer） 則接收和處理數據。根據誰(shuí)發(fā)起數據的傳送， 可分作兩個(gè)類(lèi)型。

在“ 推出式”（push）類(lèi)型中，供應者發(fā)起數據傳送。而在“拉進(jìn)式”（pull）類(lèi)型中，發(fā)起人是使用者。在LabVIEW 中供應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(gè)子VI 來(lái)說(shuō)，若只有少量輸入參數可以直接連入即可，但對于大量輸入參數時(shí)或者就不知將用到什么參數信息時(shí)，這時(shí)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(gè)信息服務(wù)對象，集中存儲和管理各種配置信息和參數信息，在每個(gè)子VI 中，我們將這個(gè)信息服務(wù)對象的引用傳遞進(jìn)來(lái)，而后，子VI 根據自身的需要調用信息服務(wù)對象的方法獲得所需要的數據。“拉進(jìn)式”程序結構的優(yōu)點(diǎn)：有利于使LabVIEW 圖形化程序更加簡(jiǎn)潔、高效；有利于系統的維護與擴展；有利于建立統一的程序接口。

3. 可應用現已成熟的各種設計模式來(lái)實(shí)現高級功能。

在面向對象技術(shù)中有許多成熟的設計模式可以實(shí)現程序的快速開(kāi)發(fā)， 把其應用到LabVIEW 中不僅減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且可以實(shí)現一些高級功能。比如，應用對象持久技術(shù)，在實(shí)時(shí)測試子系統中，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中，將測試信息對象從已保存的信息中恢復回來(lái)，為數據分析和處理提供信息服務(wù)。

在LabVIEW 中綜合應用以上兩種技術(shù)，得到如圖6 所示簡(jiǎn)化的實(shí)時(shí)測試子系統的框圖程序。InputCheck 子VI 進(jìn)行用戶(hù)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 負責硬件參數的設置，其所需硬件配置信息如采樣率等參數皆可通過(guò)調用信息服務(wù)對象的方法獲得。

RealDisplay 子VI 管理數據的轉換和實(shí)時(shí)顯示，它所需要的傳感器靈敏度等參數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，以便在數據后期處理時(shí)使用。

由此可見(jiàn)，應用面向對象技術(shù)和“多層”結構，對于優(yōu)化程序結構、提高程序的靈活性是很有幫助的。

數據顯示與控制

數據的準確實(shí)時(shí)顯示是實(shí)時(shí)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組中進(jìn)行分類(lèi)顯示。“分”是當選中某個(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)現數據的顯示也可以控制顯示控件的屬性，實(shí)現更好的交互性。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關(guān)系，它就是通過(guò)對波形控件的屬性進(jìn)行控制而實(shí)現的。 


 
圖6 實(shí)施測試子系統的框圖程序

結論

應用美國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(chē)輛轉向架測試平臺，將面向對象的編程技術(shù)和“多層”體系結構應用到測試程序開(kāi)發(fā)上，提高了系統的可維護性和可擴展性。