LabWindows/CVI多線程技術(shù)在油門測(cè)試軟件中的應(yīng)用

倪笑宇 ，徐 軍，戴美魁，霍珍珍，馬立勇

（1.河北建筑工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，張家口075000；2.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京100081）

在現(xiàn)代飛機(jī)中普遍采用自動(dòng)油門控制系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。自動(dòng)油門控制系統(tǒng)是個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電系統(tǒng)，其核心部件是自動(dòng)油門計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)與飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和自動(dòng)飛行控制系統(tǒng) FCC（flight control computer）交聯(lián)，并從各處的傳感器或其他系統(tǒng)接收相關(guān)信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，在發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，從起飛到降落全程控制每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的油門桿位置，以保持某一特定的發(fā)動(dòng)機(jī)推力值，或保持飛機(jī)的某一目標(biāo)速度，從而減輕飛行員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使飛機(jī)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)、推力控制的自動(dòng)化。

為了檢測(cè)自動(dòng)油門控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試軟件。測(cè)試軟件模擬FCC的部分功能，它與自動(dòng)油門控制系統(tǒng)的交聯(lián)通過(guò)arinc429總線完成，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高。測(cè)試軟件包括電源控制、力矩加載、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、界面數(shù)據(jù)顯示和分析等內(nèi)容。對(duì)于復(fù)雜的測(cè)試軟件，需要保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)處理的高效性，人機(jī)交互的良好性。基于LabWindows/CVI多線程機(jī)制開發(fā)的測(cè)試軟件[1]，可以很好地滿足自動(dòng)油門的測(cè)試要求。

1 系統(tǒng)組成

自動(dòng)油門測(cè)試系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，測(cè)試軟件通過(guò)429總線卡向油門機(jī)構(gòu)里面的控制器發(fā)送速度指令和離合器指令，同時(shí)接收對(duì)應(yīng)的反饋信息，進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集油門機(jī)構(gòu)輸出軸加載力矩反饋信號(hào)以及控制器功率電流信號(hào)。油門角度位置信號(hào)由角位移傳感器RVDT（rotatory variable differential transformer）采集輸出，測(cè)試軟件通過(guò)AD698位置采集卡實(shí)時(shí)采集，獲得油門桿的實(shí)際工作位置。

圖1 油門測(cè)試系統(tǒng)硬件組成Fig.1 Hardware composition of accelerator test system

2 多線程在自動(dòng)油門性能測(cè)試軟件中的應(yīng)用

2.1 多線程技術(shù)

在多線程程序中，可以同時(shí)并行存在多個(gè)線程，它們由1個(gè)主線程和多個(gè)次線程組成。主線程和次線程的主要區(qū)別在于它們開始執(zhí)行的位置。軟件系統(tǒng)從main函數(shù)開始執(zhí)行主線程，而由開發(fā)人員來(lái)指定次線程開始執(zhí)行的位置。

LabWindows/CVI提供了2種執(zhí)行次線程的方法，分別是異步定時(shí)器和線程池[2]。2種方法目前已經(jīng)非常成熟，具體介紹可參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。

2.2 線程分配

多線程軟件設(shè)計(jì)思路是使用主線程創(chuàng)建、顯示并運(yùn)行操作界面；在次線程中，運(yùn)行其它對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)[3]，比如機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集和機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)分析顯示。

根據(jù)油門測(cè)試的功能需求，把軟件任務(wù)分為用戶界面操作、機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集和機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)分析顯示3大塊。測(cè)試軟件將以上任務(wù)分配在3個(gè)線程中，其中主線程是用戶界面操作，然后將機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集和機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)分析顯示分別運(yùn)行在2個(gè)不同的次線程中，測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 油門測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 Software structure of accelerator test system

2.3 用戶界面操作線程

用戶界面是程序設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，作為主線程可以及時(shí)處理各種交互信息[4]。自動(dòng)油門性能測(cè)試軟件中，用戶界面的創(chuàng)建顯示、速度和位置信號(hào)的發(fā)送、主備通道的選擇、PID參數(shù)的發(fā)送、離合器控制信號(hào)的發(fā)送等交互操作都在主線程中實(shí)現(xiàn)。

2.4 機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集線程

該次線程在啟動(dòng)后，負(fù)責(zé)油門機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，包括機(jī)構(gòu)輸出軸轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集、機(jī)構(gòu)輸出軸轉(zhuǎn)速信號(hào)采集、機(jī)構(gòu)輸出軸角度信號(hào)采集等，這些信號(hào)都是系統(tǒng)的關(guān)鍵信號(hào)，需要保證它們的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。該線程的程序流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集線程流程圖Fig.3 Flow chart of data acquisition thread

2.5 機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)分析與顯示線程

采集到的數(shù)據(jù)包括油門輸出軸速度、角度和轉(zhuǎn)矩等信息，其中速度和角度是最為重要的2個(gè)性能指標(biāo)，它直接關(guān)系到油門的開度，進(jìn)而決定發(fā)動(dòng)機(jī)的推力與飛機(jī)的速度變化是否快速、穩(wěn)定和準(zhǔn)確。因此要對(duì)接收到的機(jī)構(gòu)輸出軸速度與角度信號(hào)進(jìn)行分析，包括數(shù)據(jù)格式化、單位換算、曲線擬合等，將分析好的數(shù)據(jù)最終進(jìn)行圖形顯示，這樣便于后續(xù)監(jiān)測(cè)，分析它們的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。如果性能不達(dá)標(biāo)，可以根據(jù)需求不斷地對(duì)油門控制器參數(shù)進(jìn)行修改并重新驗(yàn)證，更加直觀有效。

因此需要把上面的部分單獨(dú)放在一個(gè)線程中進(jìn)行。測(cè)試中，當(dāng)控制指令發(fā)出后就觸發(fā)此線程進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與實(shí)時(shí)顯示。該線程的程序流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)分析與顯示線程流程圖Fig.4 Flow chart of data analysis and display thread

2.6 測(cè)試效果

圖5 測(cè)試軟件主界面Fig.5 Main interface of test software

油門系統(tǒng)有A、B兩個(gè)通道，它們互為熱備份。正常情況只有一個(gè)通道工作控制油門開度，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，切換到另一個(gè)通道。如圖5所示，采用多線程技術(shù)的測(cè)試軟件主界面。此時(shí)模擬A通道工作，油門機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與顯示。測(cè)試軟件如果使用傳統(tǒng)的單線程技術(shù)，把界面操作、油門機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析顯示3個(gè)任務(wù)都放在一個(gè)線程中，那么在開啟數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，主界面將無(wú)法正常響應(yīng)用戶其它操作，出現(xiàn)界面卡死現(xiàn)象。此時(shí)如果想停止發(fā)送數(shù)據(jù)或是緊急停止輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于程序無(wú)法響應(yīng)，則會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的后果。此外，在進(jìn)行油門速度數(shù)據(jù)顯示的同時(shí)拖動(dòng)界面，則會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)接收不連貫，顯示曲線卡頓等現(xiàn)象，實(shí)時(shí)性變差，嚴(yán)重影響了油門系統(tǒng)的分析與監(jiān)控，控制效果大打折扣。

這里把數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析顯示和其它界面操作分配到3個(gè)獨(dú)立線程中。這樣3個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行，可以在不斷刷新主界面，響應(yīng)用戶操作（如發(fā)送控制數(shù)據(jù)、AB通道選擇、緊急停止系統(tǒng)等）的同時(shí)，也在后臺(tái)同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析、數(shù)據(jù)曲線的實(shí)時(shí)顯示，相互沒(méi)有任何影響，既提高了執(zhí)行效率，保證了數(shù)據(jù)采集監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，又增加了油門測(cè)試的安全性和可靠性，為提升自動(dòng)油門控制系統(tǒng)性能提供了良好的測(cè)試平臺(tái)。

3 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)油門控制系統(tǒng)性能測(cè)試軟件經(jīng)過(guò)多次實(shí)際測(cè)試，能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地進(jìn)行油門數(shù)據(jù)的采集和處理，成功模擬了大部分FCC的功能，達(dá)到了預(yù)期測(cè)試效果?；贑VI的多線程技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)油門機(jī)構(gòu)測(cè)試任務(wù)的并行處理，保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)分析顯示的高效性，并且不影響界面操作，大大提高了測(cè)試系統(tǒng)的效率和可靠性，現(xiàn)已成功應(yīng)用到民機(jī)油門機(jī)構(gòu)的性能測(cè)試中。

[1]陶小亮，牛振.LabWindows/CVI多線程技術(shù)在舵機(jī)測(cè)試軟件中的應(yīng)用[J].中國(guó)測(cè)試，2011，37（1）：81-83.

[2]楊東升，王高峰.多線程技術(shù)在虛擬儀器開發(fā)軟件LabWindows/CVI中的實(shí)現(xiàn)[J].電測(cè)與儀表，2005，42（3）：39-41，54.

[3]成鳳敏，蘇小光.多線程技術(shù)在虛擬儀器軟件開發(fā)中的應(yīng)用[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2008，34（2）：48-50.

[4]姜守達(dá)，吳昌盛.LabWindows/CVI多線程機(jī)制在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2004，23（8）：56-57.