基于LabVIEW和PXI的轉向架測試平臺

應用領域： 院校使用的產品：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(zhàn)：快速建立能夠進行城市軌道車輛轉向架零部件特性測定和動力學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的轉向架測試平臺；同時，開發(fā)出相應的后期分析處理軟件。

介紹

在城市軌道車輛轉向架測試中，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時采集而且也要設備具有很高的穩(wěn)定性和可靠性。使用美國National Instruments 高效可靠的PXI 總線設備和LabVIEW 快速圖形開發(fā)環(huán)境，快速建立起的多功能轉向架測試平臺。實踐應用證明，完全達到了系統(tǒng)設計時的各項要求。

基于PXI 總線的系統(tǒng)架構系統(tǒng)結構如圖1 所示，這是一個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）組成的數據實時采集系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，由于采用了PXI和MXI-3總線技術，因此能夠充分保證實時數據采樣時的帶寬要求。 


 
圖1 系統(tǒng)結構圖

PXI 和MXI-3 技術

PXI 是1997 年NI 公司發(fā)布的一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范，是PCI 在儀器領域的擴展(PCI eXtensions for Instrumentation) 。它將CompactPCI 規(guī)范定義的PCI總線技術發(fā)展成適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結構。制訂PXI 規(guī)范的目的是為了將臺式PC 的性能價格比優(yōu)勢與PCI總線面向儀器領域的必要擴展完美地結合起來，形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。MXI-3 技術是一種PCI總線之間的軟硬件透明的高性能連接技術，不僅可以進行PXI/CompactPCI 機箱之間的連接而且可以讓主控計算機通過透明的軟硬件連接實現對PXI 系統(tǒng)的直接控制。MXI-3 技術也提供了最高可達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 技術的NI公司產品建立測試系統(tǒng)，與使用傳統(tǒng)的測試技術相比，不僅具有更高的性價比，而且使用也更加簡便、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(tǒng)的軟件設計

“軟件就是儀器”，軟件設計已經成為了基于虛擬儀器技術的測試系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)。尤其是對于采用了NI 公司的PXI 測試設備的測試系統(tǒng)，硬件的使用難度已大大降低，在其上所耗費的時間已越來越少，因此能把更多的精力投入到軟件的系統(tǒng)開發(fā)上。

在本系統(tǒng)開發(fā)中，我們采用LabVIEW 作為編程語言。LabVIEW 圖形化編程語言具有簡單易用、功能強大等優(yōu)點，它能與NI 公司的硬件設備達到無縫結合，是首選的開發(fā)工具。

本系統(tǒng)分為實時測試子系統(tǒng)（圖2）和數據處理與回放子系統(tǒng)（圖3）。實時測試子系統(tǒng)實現多通道測試信號的實時采集、存儲和監(jiān)視。數據處理與回放子系統(tǒng)實現數據的事后回放和分析處理。 


 
圖2 實時測試子系統(tǒng)

在轉向架動力學性能測試過程中，需要測試的參數多達數十個，因此，測試信息管理就成為實時測試必須面臨的任務。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(tǒng)開發(fā)過程中采用了面向對象技術和“ 多層”體系結構來解決復雜的信息管理等問題。 
 

圖3 數據采集與回放子系統(tǒng)

如圖4 所示，系統(tǒng)縱向分為用戶界面層、業(yè)務邏輯層和數據服務層。用戶界面層實現數據顯示以及接收用戶的輸入信息并進行必要的校驗。業(yè)務邏輯層負責數據信息的轉換和控制。數據服務層提供與硬件進行交互的讀寫功能，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(tǒng)的維護和功能的擴展。 
 

圖4 軟件體系結構

應該說， 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 語言，其本身沒有明確支持的面向對象技術， 但可以用DataLogFileRefnum 控件作為對象引用等來間接實現面向對象技術。對象使用方法如圖5 所示，首先創(chuàng)建對象，然后調用并執(zhí)行它的方法，使用完畢后將其釋放，在此過程中，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(zhí)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：

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(tǒng)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，由于數據是被封裝的，必須使用對象的方法來調用內部數據。因此，可以在對象的方法中，建立數據保護和屏蔽，實現數據的并發(fā)控制，使系統(tǒng)更加安全；同時也有利于系統(tǒng)的維護與擴展。

2. 實現“拉進式”的程序結構。

每個數據傳送都有兩個參與者，供應者（supplier）產生并發(fā)送數據， 而使用者（ consumer） 則接收和處理數據。根據誰發(fā)起數據的傳送， 可分作兩個類型。

在“ 推出式”（push）類型中，供應者發(fā)起數據傳送。而在“拉進式”（pull）類型中，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。對于某個子VI 來說，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或者就不知將用到什么參數信息時，這時使用傳遞對象引用就顯得方便多了。在程序中，我們創(chuàng)建了一個信息服務對象，集中存儲和管理各種配置信息和參數信息，在每個子VI 中，我們將這個信息服務對象的引用傳遞進來，而后，子VI 根據自身的需要調用信息服務對象的方法獲得所需要的數據。“拉進式”程序結構的優(yōu)點：有利于使LabVIEW 圖形化程序更加簡潔、高效；有利于系統(tǒng)的維護與擴展；有利于建立統(tǒng)一的程序接口。

3. 可應用現已成熟的各種設計模式來實現高級功能。

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

在LabVIEW 中綜合應用以上兩種技術，得到如圖6 所示簡化的實時測試子系統(tǒng)的框圖程序。InputCheck 子VI 進行用戶輸入信息的校驗。New子VI 創(chuàng)建信息服務對象并對其進行初始化。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調用信息服務對象的方法獲得。

RealDisplay 子VI 管理數據的轉換和實時顯示，它所需要的傳感器靈敏度等參數信息也可以從信息服務對象中得到。在程序最后， 由ClassPersist 子VI 將信息服務對象的信息“持久化”到文件，以便在數據后期處理時使用。

由此可見，應用面向對象技術和“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

數據的準確實時顯示是實時測試的另一重要任務。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行分類顯示。“分”是當選中某個特定通道時在上面的波形顯示控件中描繪出來。

在框圖程序編程時，將各個顯示控件的引用傳遞到一個RealDisplay 子VI 中（如圖6）通過其進行顯示的集中控制。這樣既實現數據的顯示也可以控制顯示控件的屬性，實現更好的交互性。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系，它就是通過對波形控件的屬性進行控制而實現的。 


 
圖6 實施測試子系統(tǒng)的框圖程序

結論

應用美國NI 公司LabVIEW和PXI 等先進的虛擬儀器技術快速建立起城市軌道車輛轉向架測試平臺，將面向對象的編程技術和“多層”體系結構應用到測試程序開發(fā)上，提高了系統(tǒng)的可維護性和可擴展性。