基于LabVIEW RT的自定义流程测控系统
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- 作者：汪海波、黄鑫、孙阔
一、引言：
在当前测量与控制领域，对于每一个不同的被测控对象，在搭建它们的测控系统时，都需要针对性地确定一个独立的测控实验流程。每个流程都可以分为若干不同的步骤，每个步骤都用来进行产品的某个特定性能指标的测控工作。当流程中所有步骤执行完一遍以后，也就完成了对产品的一次测控工作过程。而在对产品寿命进行检测时，我们需要多次重复上述测控工作过程。为此，我们引入了试验循环。然而我们还会经常会遇到这样的问题，就是在同一行业中，不同类型或型号的产品其测控试验流程所包含的步骤及每个步骤所模拟的试验环境可能有所不同，因此具有用户自定义流程功能的测控系统，将具有更好的兼容性、扩展性和通用性，可以更好地满足用户的实际需求。
二、基于LabVIEW RT的自定义流程测控系统
作为测控系统，其主要任务有两项：测量和控制。测量系统由传感器和数据采集模块组成，控制系统由执行元件和控制模块组成。所以要建立一个测控系统，首先我们要有一系列的硬件，例如传感器、执行器、开关量等来为软件进行支持。当然光有硬件是不够的，下一步，我们需要将硬件同软件联系起来，实现数据传输。也就是说要依靠某种总线（如PCI或PXI总线等）通过硬件驱动程序完成系统底层硬件同硬件接口的通讯，实现了两者间的数据传输。最后，选择一个编程平台，如LabVIEW、VC、VB等，根据用户的需求。开发出相应的应用软件，完成要求的测量和控制任务。这样一个简单的测控系统就建立了。
当前，随着测控技术的不断发展，简单的测控系统已经越来越不能满足用户的需求了。用户对测控流程的要求也越来越复杂。针对这种原因，我们基于LabVIEW RT开发了自定义流程测控系统。系统程序实现了硬件配置功能，用户可方便地将整个试验划分为若干步骤，自定义每个步骤的动作；也可将若干步骤合成试验阶段，参与循环，实现复杂的试验流程配置和数据管理。
1、自定义流程配置：
经过对用户需求的深入研究，我们将自定义流程分成了以下几个部分。
图1 硬件配置
硬件通道配置：如图1所示，界面中硬件列表信息是系统自动读取得出的，用户添加或删除某个硬件后，硬件列表也会进行更新(目前硬件列表只支持美国国家仪器公司（National Instrument简称NI）公司生产的各种板卡)。考虑到用户在对各个物理量信号类型的需求上可能有所不同，所以在该界面中，用户可以选择本次试验所需要的信号、并可对每路信号自由命名、选择其对应的物理通道、设定显示颜色和量程。在模拟量输入方面可以选择的信号类型有温度、电压、频率和位移。在模拟量输出方面可以选择的信号类型有电流和电压。数字量输入输出方面，我们配有48路数字量输入与输出通道。可基本满足用户的一般需求。
通道标定：如图2所示，无论是传感器还是数据采集卡、信号调理模块其本身都肯定存在一定的误差。因此，为了保证试验数据的准确性，将试验误差降低到最小。我们需要对每个通道分别进行标定。具体标定方法是：利用标准仪表读取该通道的物理量读数，同时获取系统中该测试通道的电压值，在二者间建立线性关系。通过该测试通道的最大和最小检测物理量的测量，计算出线性关系的系数，对原有的换算关系进行修正。多次读取标准仪表和数据采集卡的读数，修正换算公式中的系数，保证标定系数的准确性。标定结束后，可以检验标定系数，计算绝对误差(目标值减去检验值)。
图2 通道标定
试验流程配置：在实际应用中，为了测量产品的使用寿命，我们需要多次重复模拟产品的某种使用环境，即重复循环执行某个试验流程，考虑到以上这点，在本系统中我们把这样的一个流程称之为阶段（Phase），因此阶段也就是试验循环的最小单位。而在同一个阶段中，用户要模拟的产品使用环境可能会有所改变，所以我们又将阶段进行细分，即把阶段分成一个或多个步续（Step） ，每个步续通过独立配置都可以模拟产品的一种使用环境，因此步续也就是整个试验流程的最小单位。如图3所示，在左侧的试验流程列表中，我们可以看到最高层次是“试验顺序树”即整个试验完整流程，然后向下一个层次是“阶段”，最低层次就是我们所说的“步续”。在用户进行自定义流程配置之前，系统已经预制了5个特殊阶段：开始，停车、紧急停车、空闲和断点继续。在该界面右侧区域，用户可以点击相应的按钮来插入、删除、重命名某个自定义的阶段或步续。
图3 试验流程配置
步续配置：如图4所示，根据实际经验，每个步续，其结束条件可能不同，例如有时我们可能只是简单的让某个步续持续运行一段时间，有时某个步续只是为下一个步续提供试验条件，如在油品测试中，有些测试是要在油的温度达到120摄氏度以上的条件下进行的。有时试验条件要求的某个物理量的当前值并没有通过数据采集传入计算机而是通过传统仪表进行显示。如油品测试中，有时我们需要水压达到要求后，才能继续进行试验，而水压的当前值是通过传统仪表显示的。根据以上分析本系统将结束类型条件分为以下几种：时间（即该步续执行目标时间后结束并按顺序执行下一个步续，或由用户自定义转入该步续所在阶段中的其他步续）；自定义条件（即某路模拟量或数字量输入信号达到要求的目标值后结束并按顺序执行下一个步续，或由用户自定义转入该步续所在阶段中的其他步续）、对话框提示（即在该步续开始时弹出对话框提示用户要进行的事情，在用户确认可以结束该对话框后，系统将转入下一个步续）；自定义条件与时间条件组合。此外在步续配置界面中还可以配置AO、DO输出来控制执行器，AO方面，用户可以选择的输出方式有开环和闭环两种。开环时，用户可以设置目标值及到达目标值所需要的时间。闭环时，本系统采用PID控制，用户需要选择反馈信号，并设定PID中的比例、积分和微分常数。DO方面,主要是由用户配置输出高低电平来控制电磁阀的操作。在设置AI、DI报警方面，用户可以自由设定超限值和报警值，以便当试验出现意外时，能够将试验及时转入安全处理流程，最大程度上保证试验仪器和用户人身的安全。除上述功能外，对于试验中的某些对产品测量和评定起到关键作用的步续，用户还可以选择在该步续进行数据保存。以便以后可以对试验数据进行回放和生成试验报表等。
图4 试验步续配置
阶段配置：如图5所示，这是一个普通的试验流程，共有四个阶段，如果不加上试验循环的话，按照上述的配置方法就可以实现了。但是为了模拟出一个产品实际使用的环境，我们加入了试验循环的概念，针对本系统来说，我们是通过软件计数器的方式来实现的。对于简单的单个循环，我们可以在需要循环的阶段开始时对计数器进行初始化，并在该阶段结束时将计数值自加后的当前值同目标值进行比较，并根据比较结果来决定试验流程的走向（满足目标值时，执行下一个阶段的第一个步续，不满足时，重复循环当前阶段。），如图6所示。但是对于图5中所示这种比较复杂的两个循环嵌套时，除按上述方法配置两个计数器以外，还涉及到了当两个计数器当前值同时满足目标值时试验流程的走向。为此，我们引入了优先级概念，即当两个或多个计数器同时满足目标值时，系统根据优先级的高低，按照高优先级的设定来执行试验。为了最大程度上满足用户的需求，本系统配有8个计数器，最高支持8层的循环嵌套。
图5 试验流程图
图6 试验循环配置
2、系统构成：
本系统是在LabVIEW编程平台下开发的基于LabVIEW RT技术的自定义流程测控系统，采用上、下位机结构，上位机主要完成对试验的监控、参数设置、数据记录和显示、试验数据保存备份等功能，并将用户下达的命令和配置参数传送到下位机。下位机运行LabVIEW RT系统，对系统实行实时管理，并根据上位机下达的命令，完成数据采集和控制等特定功能。并将试验数据和当前试验状态返回到上位机。如图7所示。
图7 自定义流程测控系统示意图
通讯网络：考虑到TCP/IP通讯具有传输速度快，数据不易丢失的特点，所以上、下位机之间的数据通讯采用以太（Ethernet），TCP/IP网络通讯协议。上位机采用Windows 2000操作平台，由于本系统是多路模拟信号同时采集，对AI、DI报警要作出实时紧急响应，PID控制对时间精度有较高的要求，所以下位机采用LabVIEW RT系统， 它的优点在于不需要外围设备，后台程序和服务较少，能够保证高优先级任务优先执行，并准确的把握时间的精确性，稳定性较高。作为下位机，其程序的运行不受主机的影响。
计算机配置：上位机选用高性能的PCI总线工业控制计算机。下位机选用NI公司基于PXI总线的计算机控制器、数据采集卡、工业级数字I/O卡和用于进行信号调理的各种功能模块。
三、成功范例
北京中科泛华测控技术有限公司开发的基于LabVIEW RT技术的自定义试验流程的测量与控制系统，如图8所示，主要应用于对自动传动液和四冲程摩托车机油进行性能测试以及评定。通过试验，我们开发的该套系统能够完全按照用户的要求执行实验<