基于LabVIEW的多通道數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用

肖琴，高華，黃縣強(qiáng)，吳健

(中策橡膠集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018)

0 引言

輪胎的耐久性能與滾動(dòng)阻力都是評(píng)價(jià)輪胎特性的重要指標(biāo)，相關(guān)測(cè)試設(shè)備都有類似的機(jī)械構(gòu)架與測(cè)試數(shù)據(jù)，將兩種性能測(cè)試整合在同一設(shè)備上可以為工廠省下一筆不菲的開銷。依托當(dāng)下流行的虛擬儀器軟件LabVIEW為上位機(jī)開發(fā)基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)工作原理將測(cè)試所需采集的數(shù)據(jù)集中處理實(shí)現(xiàn)整合的功能。LabVIEW使用圖形化編程語(yǔ)言編寫程序，操作方便靈活程序移植性強(qiáng)，函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)通信、信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)庫(kù)及報(bào)表生產(chǎn)等，在現(xiàn)代測(cè)控應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用。LabVIEW擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力，不僅能夠以插卡式數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送和檢測(cè)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，也可通過(guò)GPIB總線或計(jì)算機(jī)內(nèi)的USB接口、以太網(wǎng)及串行口很容易地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[1]。

1 系統(tǒng)原理

試驗(yàn)機(jī)由調(diào)速裝置拖動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，在液壓油缸的作用下輪胎壓靠在轉(zhuǎn)鼓表面進(jìn)行耐久性能試驗(yàn)。輪胎加載工位的主要由滑臺(tái)總成、直線導(dǎo)軌、液壓油缸、負(fù)荷傳感器及試驗(yàn)輪胎/輪輞總成等組成，滑臺(tái)在液壓油缸的推動(dòng)下沿著直線導(dǎo)軌做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，將安裝在工位連接盤法蘭上的試驗(yàn)輪胎壓向轉(zhuǎn)鼓或離開轉(zhuǎn)鼓，由安裝在滑臺(tái)上的負(fù)荷傳感器將測(cè)量到的加載數(shù)值傳送給主控制柜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)載荷的顯示、調(diào)節(jié)、控制及打印等工作?？刂葡到y(tǒng)包括調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)，調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)由SIEMENS調(diào)速裝置完成，主控制臺(tái)由德國(guó)Beckhoff嵌入式PC控制測(cè)試操作、數(shù)據(jù)采集和處理，研華公司的工業(yè)級(jí)平板IPC進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)。

滾動(dòng)阻力根據(jù)測(cè)量參數(shù)的區(qū)分，可大致分為以下四種測(cè)量方法：測(cè)力法、扭矩法、功率法、減速度法?；谀途眯阅茉囼?yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，采用功率法測(cè)量滾動(dòng)阻力較易實(shí)現(xiàn)，設(shè)備改動(dòng)小。根據(jù)GB/T 18861—2012《汽車輪胎和摩托車輪胎滾動(dòng)阻力試驗(yàn)方法多點(diǎn)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)功率法滾動(dòng)阻力公式如下式：

式中為試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓，單位為伏特；A為試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流，單位為安培；Un為轉(zhuǎn)鼓速度，單位為km/h；Fpl為附加損失，單位為牛頓，依照機(jī)器法計(jì)算。

通過(guò)公式可見(jiàn)采用功率法測(cè)量滾動(dòng)阻力時(shí)試驗(yàn)機(jī)的電源質(zhì)量對(duì)其影響很大，必須要在進(jìn)線側(cè)穩(wěn)定電源，減小電源的波動(dòng)，盡量降低計(jì)算偏差。

2 硬件結(jié)構(gòu)

主控制系統(tǒng)采用Beckhoff CX9020嵌入式PC，操作系統(tǒng)為Windows Embedded Compact 7，基于ARMv7-A架構(gòu)，應(yīng)用"i.MX535 CortexTM-A8"處理器，帶有2個(gè)RJ45以太網(wǎng)交換接口、4個(gè)USB接口、1個(gè)DVI-D接口、1個(gè)可選串行接口、2個(gè)MicroSD插槽、1GB的DDR3內(nèi)存。CX9020自帶的兩個(gè)以太網(wǎng)交換接口分別為X000和X001，接口X000接入工控機(jī)與LabVIEW通訊，接口X001通過(guò)EtherCAT總線耦合器EK1100連接輸入輸出模塊。調(diào)速裝置則以Profibus總線通訊方式通過(guò)PROFIBUS主/從站端子模塊接入控制器，傳輸轉(zhuǎn)鼓速度命令及狀態(tài)數(shù)據(jù)。

負(fù)荷控制選用德國(guó)HBM C2扭環(huán)式稱重傳感器作載荷測(cè)量，液壓伺服閥控制油缸動(dòng)作作載荷調(diào)節(jié)，通過(guò)NI多功能I/O設(shè)備PCI-6281模擬量通道與LabVIEW上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸。PCI-6281是一款多功能的高精度數(shù)據(jù)采集板卡，具有16路AI、2路AO、24路DIO、兩個(gè)32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器以及模擬和數(shù)字觸發(fā)，可實(shí)現(xiàn)精密傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)傳送。模擬量輸入為8路差分通道或16路單端通道，ADC分辨率為18位，采樣率單通道最大為625 kS/s，多通道最大為500 kS/s，最大電壓范圍為±10 V，最小電壓范圍為±0.1 V，采用低通濾波信號(hào)調(diào)理。模擬量輸出為2通道輸出，DAC分辨率為16位，更新率單通道最大為2.86 MS/s，雙通道為2.00 MS/s，最大電壓范圍為±10 V，最小電壓范圍為±1 V，電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)為5 mA。

C2扭環(huán)式稱重傳感器靈敏度為2 mV/V，激勵(lì)電壓標(biāo)稱范圍為0.5～10V，接入DAQ設(shè)備中需進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。傳感器信號(hào)經(jīng)由隔離應(yīng)變輸入模塊放大，以差分傳輸進(jìn)入NI SCB-68A屏蔽端子連接模塊接入PCI-6281信號(hào)采集卡AI輸入端。信號(hào)經(jīng)分析處理后再經(jīng)由SCB-68A屏蔽模塊輸出到信號(hào)隔離器作信號(hào)調(diào)理，信號(hào)傳遞到液壓伺服閥控制油缸動(dòng)作，其流程圖如圖1所示。

圖1 負(fù)荷控制流程圖

功率法測(cè)量選取日本YOKOGAWA WT310EH數(shù)字功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量，該功率計(jì)為單相輸入/大電流型，輸入電流量程可達(dá)40 A，基本功率測(cè)量精度為讀數(shù)的0.1% +量程的0.05%，頻率范圍為DC和0.1～20 kHz，采樣率約為100 kS/s，數(shù)據(jù)更新率最快可到100 ms，可同時(shí)測(cè)量U、I、P、頻率、功率因數(shù)和諧波等功耗參數(shù)。通訊接口標(biāo)配有USB接口、GP-IB/RS-232，可選配以太網(wǎng)接口，其中USB接口支持USBTMC協(xié)議，此處選用USB通訊接口與LabVIEW上位機(jī)連接。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 USB接口通訊

NI-VISA是一種用來(lái)與各種儀器總線進(jìn)行通訊的高級(jí)應(yīng)用編程接口，利用VISA函數(shù)可對(duì)USB、GPIB、串口、PXI、VXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行配置、編程和調(diào)試[2]。NI-VISA有兩類函數(shù)可支持USB通訊，分別為USB INSTR設(shè)備和USB RAW設(shè)備。USBTMC設(shè)備符合VISA USB INSTR類函數(shù)能夠理解的協(xié)議，通訊時(shí)無(wú)需配置NI-VISA，只需使用“VISA Open”、“VISA Write”、“VISA Read”、“VISA Close”功能即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊[3]?！癡ISA Open”對(duì)應(yīng)USB INSTR接口時(shí)VISA資源名稱字符串的語(yǔ)法為：USB[board]::manufacturer ID::mode code::serial number[::USB interface number][::INSTR]，各參數(shù)值可在NI MAX軟件設(shè)備和接口USB配置界面內(nèi)的Open VISA Test Panel里查得。每個(gè)USB設(shè)備都有各自的指令集，WT310EH數(shù)字功率計(jì)的指令集有16大類，根據(jù)系統(tǒng)原理需調(diào)用其MEASure Group和NUMeric Group指令設(shè)置和讀取數(shù)據(jù)。依照功率計(jì)定義的指令語(yǔ)法要求，利用指令：MEASure:AVERaging設(shè)定均值算法，指令：NUMeric:FORMat設(shè)置數(shù)據(jù)格式，指令：NUMeric:NORMal指定讀取的數(shù)據(jù)，其VI程序框圖如圖2所示。

圖2 功率計(jì)數(shù)據(jù)采集程序圖

3.2 PCI接口通訊

針對(duì)PCI數(shù)據(jù)采集板卡，NI有專門的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)軟件DAQmx，它提供了一系列API函數(shù)供編寫數(shù)據(jù)采集程序時(shí)調(diào)用[4]。執(zhí)行輸入信號(hào)的采集或產(chǎn)生輸出信號(hào)首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)任務(wù)，根據(jù)需要配置通道、定時(shí)及觸發(fā)屬性[5]，啟動(dòng)任務(wù)后由DAQmx Read和DAQmx Write進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳遞。根據(jù)載荷測(cè)量的硬件結(jié)構(gòu)配置虛擬模擬量輸入通道口，現(xiàn)有兩個(gè)測(cè)試工位分別對(duì)應(yīng)采集卡的Dev1/ai0和Dev1/ai1，指定測(cè)量電壓的限制范圍±10V，輸入接線端配置為差分模式，給通道口分別命名電壓_0和電壓_1，定義所使用的單位Volts。使用DAQmx Timing采樣時(shí)鐘配置要獲取的采樣數(shù)，創(chuàng)建所需的緩沖區(qū)，并通過(guò)DAQmx Read讀取指定任務(wù)中的采樣，現(xiàn)任務(wù)中包含兩個(gè)虛擬模擬量輸入通道，每個(gè)通道均讀取多個(gè)浮點(diǎn)采樣。同樣載荷調(diào)節(jié)輸出任務(wù)利用DAQmx Creat Virtual Channel和DAQmx Write函數(shù)進(jìn)行相關(guān)配置，其VI程序框圖如圖3、4所示。

圖3 負(fù)荷傳感器數(shù)據(jù)讀取程序圖

圖4 負(fù)荷控制輸出程序圖

3.3 Ethernet接口通訊

在Beckhoff TwinCAT系統(tǒng)中，各個(gè)軟件模塊之間的信息交換通過(guò)TwinCAT ADS完成?；赥CP/IP的TwinCAT ADS協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)PLC之間及PLC與第三方應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)通訊[6]。通常LabVIEW與TwinCAT進(jìn)行數(shù)據(jù)交換主要有兩種形式，一是通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(TcAdsDll.dll)文件，二是通過(guò)OCX控件(AdsOcx.ocx)，本文采用ADS-DLL的方式通訊連接。利用函數(shù)庫(kù)中的調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)(Call Library Function Node)可調(diào)用TcAdsDll.dll文件，在調(diào)用庫(kù)函數(shù)配置對(duì)話框內(nèi)可以選取需調(diào)用的函數(shù)名以及指定調(diào)用函數(shù)的輸入?yún)?shù)類型和返回值的類型[7]。在TcAdsDll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中常用的函數(shù)有以下幾種：AdsPortOpen，用于建立TwinCAT信息路由器連接；AdsSyncWriteReq，同步寫數(shù)據(jù)到一個(gè)ADS設(shè)備；AdsSyncReadReq，從ADS服務(wù)器中同步讀數(shù)據(jù)；AdsPortClose，關(guān)閉TwinCAT信息路由器的連接。參照各相關(guān)函數(shù)的結(jié)構(gòu)定義，其中AdsSyncWriteReq調(diào)用庫(kù)函數(shù)的設(shè)置如下圖5所示。

圖5 AdsSyncWriteReq調(diào)用庫(kù)函數(shù)設(shè)置

其中pAddr包含在ADS服務(wù)器中AmsNetld值和AdsPort值，AmeNetld是 TCP/IP地址的擴(kuò)展，默認(rèn)為在IP基礎(chǔ)上增加.1.1，也可以進(jìn)行修改。每臺(tái)ADS設(shè)備的AdsPort都是各不相同且固定不變的，AdsPort值的分配表如表1所示。

表1 AdsPort值分配表

IndexGroup為變量所屬的寄存器類型，Inde xOffset為變量的偏移地址，在PLC中為該變量的地址，在PLC中常用的寄存器類型賦值分配表如表2所示。

表2 寄存器類型賦值分配表

通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)通訊的子VI程序框圖如圖6所示。

圖6 Beckhoff PLC數(shù)據(jù)通訊子程序圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在現(xiàn)場(chǎng)已有的機(jī)械構(gòu)架上進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)前面板設(shè)計(jì)的人機(jī)互動(dòng)界面波形圖可查看各通道信號(hào)數(shù)據(jù)，如圖7和圖8所示分別為讀取的負(fù)荷、動(dòng)半徑與功率、電流信號(hào)曲線，其中動(dòng)半徑信號(hào)是通過(guò)Beckhoff PLC傳遞。根據(jù)試驗(yàn)曲線可見(jiàn)數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)穩(wěn)定，信號(hào)通訊正常有效。

圖7 負(fù)荷、動(dòng)半徑曲線圖

圖8 功率、電流曲線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求介紹了以LabVIEW軟件為上位機(jī)開發(fā)基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)自帶的多通道接口實(shí)現(xiàn)與功率計(jì)、負(fù)荷傳感器、伺服閥及PLC之間的數(shù)據(jù)通訊與控制。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，運(yùn)行結(jié)果穩(wěn)定可靠，驗(yàn)證了程序的有效性?；贚abVIEW編寫的VI子程序，具有良好的移植性，對(duì)相關(guān)硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。除了上述使用的幾種通訊方式，進(jìn)一步探索與不同硬件設(shè)備之間的通訊應(yīng)用，作為測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)對(duì)相關(guān)設(shè)備的研發(fā)具有非常重要的意義。