基于PXI總線和RT實時系統(tǒng)的遠程數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)

文/鄭魯平 陳連忠 董永暉 林國勝

基于PXI總線和RT實時系統(tǒng)的遠程數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)

文/鄭魯平 陳連忠 董永暉 林國勝

PXI總線技術(shù)作為當前測量控制行業(yè)的通用技術(shù)，已經(jīng)逐漸占據(jù)主流，其高速準確的測量控制方式和方便的分布式系統(tǒng)設(shè)計正在被廣泛應(yīng)用，RT實時系統(tǒng)的使用也為這一領(lǐng)域拓展了更多高效快捷的應(yīng)用空間。本系統(tǒng)從硬件架構(gòu)和軟件編寫方面介紹了基于PXI總線和RT實時系統(tǒng)下的遠程數(shù)據(jù)測量，利用多線程技術(shù)通過TCP/IP通訊方式解決測量數(shù)據(jù)的遠程采集問題；實踐表明，該系統(tǒng)具有傳輸數(shù)據(jù)可靠、實時性強、成本較低和擴展性好等優(yōu)點，具有一定的推廣價值。

PXI總線 RT實時系統(tǒng) 多線程技術(shù)TCP/IP 數(shù)據(jù)采集 LabWindows/CVI

本文從硬件和軟件兩方面詳細介紹了如何使用PXI總線結(jié)合RT實時操作系統(tǒng)搭配光纖技術(shù)解決上述問題的方法，以及達到系統(tǒng)要求的具體過程。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)采用了美國NI公司提供的PXI總線信號采集處理器，采集板卡使用了M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡，以及測量信號隔離調(diào)理箱和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換箱等設(shè)備。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要測試裝置和儀器設(shè)備指標和設(shè)計方案如下：

（1）通道數(shù)：128*3；（2）采集精度：16bit；

（3）采集頻率：單通道采集>200kHz，全通道同時采集不小于10kHz。

1.1 現(xiàn)場測量系統(tǒng)組成

現(xiàn)場機箱采用了PXI-1042高性能8槽機箱；0槽控制器選用PXI-8102控制器，該控制器包括1.9GHz Inter Celeron 2 Duo T3100 實時嵌入式處理器，雙通道800MHz DDR2 2GB內(nèi)存，10/100/1000BaseTX以太網(wǎng)接口，硬盤更換為80G電子硬盤，防止現(xiàn)場強電磁導致的機械硬盤死機，USB、GPIB、串口及其他I/ O設(shè)備。采集板卡采用M-6224卡，單通道最高采樣頻率為250KHz；±1.25V到±10V的4類可編程電壓輸入范圍；16BitA/D分辨率；32路單端/16路差分模擬量信號輸入。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備還包括采集信號隔離調(diào)理模塊、以太網(wǎng)-光纖轉(zhuǎn)換器、傳輸光纜、信號轉(zhuǎn)換單元等部分組成。以太網(wǎng)-光纖轉(zhuǎn)換器采用波士100/1000自適應(yīng)模塊來完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

現(xiàn)場系統(tǒng)設(shè)計在測試信號經(jīng)傳感器測量轉(zhuǎn)換后，進入現(xiàn)場訂制的信號調(diào)理端子箱，端子箱設(shè)計成防水箱體，能承受短時間噴淋，箱體上與傳感器連接全部采用防水航插，保證信號連接可靠的同時也方便設(shè)備安裝人員拆卸；信號端子箱內(nèi)安裝高頻響信號隔離調(diào)理模塊，該模塊采用三路隔離方式，即信號的輸入、輸出和供電電源相互隔離，隔離電壓高于1500v，保證了測試信號傳輸過程中對外部干擾信號和大電壓脈沖信號的隔離；同時該模塊將所有測試信號調(diào)理轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號，進行遠距離傳輸，進一步提高了測試信號的抗干擾性。

1.2 上位機測量系統(tǒng)組成

中控間測量系統(tǒng)采用研華高性能工控機 一 臺（2.8 GHz Inter Core 2 Duo E7400，800MHz DDR2 4G內(nèi)存，250G自備份雙硬盤系統(tǒng)，4塊100/1000Base 以太網(wǎng)卡），光纖-以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，與下位機組成C/S模式局域網(wǎng)，通過TCP/IP編程實現(xiàn)100Mbps光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)街锌亻g后，分別進入各以太網(wǎng)卡，通過系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置將各個網(wǎng)絡(luò)連接一一對應(yīng)，數(shù)據(jù)由工控機中編譯的采集軟件以TCP/IP數(shù)據(jù)編程方式將數(shù)據(jù)解包讀出，并進行數(shù)據(jù)處理、計算和顯示。

在硬件容量允許的情況下，該系統(tǒng)可以任意擴展以滿足今后不同實驗的要求。

2 系統(tǒng)通訊原理

在本系統(tǒng)中采用組建內(nèi)部局域網(wǎng)的通訊方式，使用TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，上、下位機的IP地址需要設(shè)成一個網(wǎng)段，例如：分別將下位PXI采集處理機的IP地址設(shè)為：“192.168.1.X”，遠程數(shù)據(jù)測量計算機的IP地址設(shè)為“192.168.1.Y”。通過各自獨立編程，下位機配置為自動啟動模式，預(yù)先上電運行數(shù)據(jù)采集程序，等待上位機的參數(shù)配置和采集開始命令，在上位機啟動測量程序后，操作人員通過軟件調(diào)用通訊連接指令，實現(xiàn)上下位機的數(shù)據(jù)連通，然后啟動數(shù)據(jù)采集，通訊雙方采用網(wǎng)絡(luò)共享變量的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件基于LabWindows/CVI 2009環(huán)境下開發(fā)，PXI采集處理軟件在RT實時操作系統(tǒng)下完成編程和運行，軟件需要解決軟硬件的接口問題，硬件同步觸發(fā)問題和數(shù)據(jù)的傳輸、校驗保護等問題。

3.1 RT實時系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于RT實時系統(tǒng)下開發(fā)的下位機數(shù)據(jù)采集軟件主要負責完成實驗測量數(shù)據(jù)的實時采集、運算處理、打包通訊傳輸、存盤等任務(wù)，同時還要實時相應(yīng)上位機下發(fā)的各條通訊指令，并對上位機的各條指令做出正確的應(yīng)答。

由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件要求，為了能達到不同板卡間各通道數(shù)據(jù)采集同步，該系統(tǒng)軟件采用了線程池多線程技術(shù)，即在程序運行開始，初始化和創(chuàng)建線程安全隊列，各個不同的線程分配給不同的板卡為其數(shù)據(jù)采集開辟存儲空間和提供A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號；在進行數(shù)據(jù)采集的同時，用另外的線程根據(jù)CVI封裝的TCP/ IP通訊指令完成數(shù)據(jù)的傳輸，此方法有效的保證了上位機對數(shù)據(jù)的同步獲取。

3.2 上位機數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

上位機軟件主要根據(jù)具體實驗要求進行設(shè)計，軟件要求滿足所有實驗工位的測量要求，適應(yīng)各個工位不同設(shè)備的測量狀態(tài)，快速準確的進行各個工位之間的測量切換；

上位機系統(tǒng)軟件運用異步定時器實現(xiàn)多線程技術(shù)，即在不同的異步時鐘下完成測量數(shù)據(jù)的采集、計算處理和同步顯示，并實時的通過通訊完成對下位機的指令傳輸和應(yīng)答判斷。

4 結(jié)束語

本文介紹了PXI總線結(jié)合RT實時操作系統(tǒng)搭配以太網(wǎng)光纖實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)測量的方法，并講述了該方案的具體設(shè)計思路和實施過程?，F(xiàn)場調(diào)試和應(yīng)用實踐表明，這些技術(shù)可以很好的解決目前試驗現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程中的電磁干擾問題；同時簡化了現(xiàn)場操作人員的接線工作量，降低了因操作失誤和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸線路異常導致的數(shù)據(jù)測量失?。幌到y(tǒng)在保證了正常工作的同時，有效的防止了電磁脈沖對設(shè)備的毀損問題，極大的提高了工作效率并獲得了較好的經(jīng)濟效益。

[1]劉君華主編,白鵬,賈慧琴等著.LabWindows/CVI虛擬儀器編程語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2001.

[2]湯曉軍,郭會軍著.基于LabWindows/ CVI虛擬儀器[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003.

[3]王圣杰.電腦網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通訊[M].北京：中國鐵道出版社,2006.

[4]陽憲慧,徐用懋,魏慶福.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社,1998.

作者單位 中國航天空氣動力技術(shù)研究院 北京市100074