基于LabWindows/CVI的便攜式熱車試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

符艷軍，孫開鋒，姚雨蒙

(1.西安外事學(xué)院 工學(xué)院，西安 710077；2.西安精密機械研究所，西安 710077)

0 引言

航空發(fā)動機是推動飛機飛行的動力，一旦在空中出現(xiàn)問題，飛機將失去動力，就無法保持飛行高度和速度，輕則導(dǎo)致飛機無法完成任務(wù)，重則會造成機毀人亡的重大事故。同時，與其他機械裝置相比，發(fā)動機結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，零件數(shù)目達數(shù)萬個，且主要零部件的工作環(huán)境十分惡劣，常常處于高溫、高壓和高速轉(zhuǎn)動的工作狀態(tài)，任何一個零件出現(xiàn)問題，都可能導(dǎo)致發(fā)動機停車或破壞，并引發(fā)災(zāi)難性后果[1]。因此，任何一臺航空發(fā)動機正式投入使用(服役)前，必須通過各種試驗對其性能、功能、強度以及可靠性有充分的認識和了解，以便安全、有效、合理地使用。試驗在航空發(fā)動機研制過程中起著舉足輕重的作用，試驗費用甚至占發(fā)動機研制總費用的50%。

本文設(shè)計開發(fā)的熱車試驗臺是為驗證航空發(fā)動機進氣道防砂裝置而設(shè)計建設(shè)的專用試驗系統(tǒng)。試驗臺部署在試驗車間，試驗車間可提供高溫高壓空氣，試驗車間有電磁加熱系統(tǒng)，本試驗系統(tǒng)也配置有電磁閥等，整個試驗現(xiàn)場電磁干擾較為嚴重，環(huán)境比較惡劣。為保證試驗人員安全，熱車試驗臺距離操控中心有約30米距離，該試驗臺測控系統(tǒng)的管路部署圖如圖1所示，要求通過對部署在管路中的截止閥、調(diào)節(jié)閥等的調(diào)節(jié)和控制，使來自冷卻氣源的管路1和管路2的流量控制在所需的某個精度范圍內(nèi)，同時要求將來自冷卻氣源的另一路管道即噴砂管路的壓力與混合通道管路中的目標壓力的壓差控制在某精度范圍內(nèi)，兩路冷卻氣管道、噴砂裝置壓力平衡氣管道以及尾氣管道的開閉通過上位機指令控制4個氣控截止閥完成。同時，測控系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r顯示采集數(shù)據(jù)(采樣率為1 kS/s)，并根據(jù)需要對采集數(shù)據(jù)進行保存，測控系統(tǒng)的設(shè)計還應(yīng)考慮可能出現(xiàn)的非預(yù)期I/O需求或擴展需求，為后期系統(tǒng)的升級擴展提供便利。

圖1 熱車試驗臺組成框圖

隨著計算機技術(shù)、測試技術(shù)以及傳感技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)運而生，虛擬儀器技術(shù)是一個由硬件和軟件組成的專用微型計算機系統(tǒng)，與傳統(tǒng)儀器相比，除了具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析以及結(jié)果顯示等共性功能外，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在靈活性方面，用戶可以根據(jù)測試功能需求，自由地組合計算機平臺、硬件、軟件以及完成應(yīng)用系統(tǒng)所需的各種功能，且開發(fā)成本低、周期短。

依據(jù)本試驗臺的測控要求，本文采用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一套基于NI CompactDAQ和LabWindows/CVI的測控系統(tǒng)，在滿足測控系統(tǒng)功能需求的情況下，縮短了試驗臺的研制周期，降低了研制成本，同時提升了工作效率，保障了試驗人員的人身安全。

1 測控系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

隨著測試需求的不斷變化，測控系統(tǒng)可能需要添加、刪除或修改部分組件，因此，在設(shè)計開發(fā)新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，除了考慮滿足當前的需求，還應(yīng)該考慮系統(tǒng)后期的升級及擴展需求。相比傳統(tǒng)的基于PCI或USB的標準DAQ設(shè)備，CompactDAQ系統(tǒng)包含了機箱、C系列I/O模塊及軟件[2]，通過納入集成式連接和信號調(diào)理，將設(shè)計負擔從工程師或科研人員轉(zhuǎn)嫁到硬件制造商身上，開發(fā)者只需根據(jù)測試環(huán)境、測試精度等實際情況選擇合適的傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及上位機編程軟件，便可輕松完成測控系統(tǒng)，能夠減少設(shè)計時間和故障發(fā)生的可能性，可以在降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度的同時提高精確度。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾點[3-6]：

1)模塊自帶信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，可以與傳感器直連，方便且精確；

2)內(nèi)置信號隔離，能夠避免信號地與測量地之間的電勢差對測量精度的影響，保證意外大電壓下的安全；

3)便攜且堅固，具有較好的抗振、抗壓性能以及較寬的工作溫度范圍；

4)可通過以太網(wǎng)/Wifi等實現(xiàn)分布式或遠程采集，可以使采集設(shè)備距離信號更近一些，既減少干擾，又方便布線。

1.1 Compact DAQ系列硬件選型

本測控系統(tǒng)所在試驗現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，高溫高壓氣體對試驗人員具有一定的安全威脅，又因為試驗現(xiàn)場電磁干擾比較嚴重且布線困難，而上位機所處的操控中心距離試驗現(xiàn)場有約30米距離，為了減少干擾和布線方便，采集設(shè)備應(yīng)該距離信號源更近一些，且應(yīng)該設(shè)計成便攜式的?；谝陨峡紤]，選用NI CompactDAQ系列產(chǎn)品進行測控系統(tǒng)硬件平臺搭建。根據(jù)測控系統(tǒng)的功能需求，需要有數(shù)據(jù)采集模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字I/O模塊以及CDAQ以太網(wǎng)機箱。在硬件選型上，在滿足系統(tǒng)基本功能需求以及后期可能的擴展及升級需求的前提下，本著節(jié)約成本的原則進行選擇。

1)模擬輸入模塊：

根據(jù)試驗要求，需要采集4路壓力信號、2路流量信號，這些來自傳感器的模擬信號均為0～20 mA電流信號，為此，本設(shè)計選用CDAQ-9203 電流輸入模塊進行模擬信號采集。CDAQ-9203模塊具有8個通道，16位分辨率，采樣速率為200 kS/s，能夠滿足試驗系統(tǒng)對6路模擬輸入信號進行1 kS/s采樣率的采集需求，剩余2個通道可供后期系統(tǒng)的擴展升級用。

2)模擬輸出模塊：

根據(jù)試驗要求，測控系統(tǒng)需要將1路壓力調(diào)節(jié)指令和2路流量調(diào)節(jié)指令發(fā)送給相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥，為此，需要有3路的模擬調(diào)節(jié)輸出信號，本設(shè)計選用CDAQ-9265模塊完成模擬信號輸出，該模塊輸出信號為0～20 mA電流，具有4個通道，16位分辨率，能夠與執(zhí)行元件匹配，滿足試驗系統(tǒng)對3路模擬輸出信號的要求。另外，該模塊具有內(nèi)置的開環(huán)檢測功能，在檢測到開環(huán)時軟件就會發(fā)生中斷，同時將輸出歸零，以確保安全性，避免系統(tǒng)上電時驅(qū)動執(zhí)行器。

3)數(shù)字輸入/輸出模塊：

因為試驗臺工作管路中為高溫環(huán)境，而氣動截止閥對高溫環(huán)境不敏感，設(shè)計時采用氣動截止閥。驅(qū)動氣動截止閥的驅(qū)動器由電磁閥控制，上位機通過驅(qū)動電磁閥可實現(xiàn)對氣動截止閥的計算機控制。

在試驗過程中，需要上位機發(fā)出4路指令分別對4路截止閥進行遠程控制。本設(shè)計選用CDAQ-9401模塊，該模塊具有8路雙向通道，能夠滿足試驗系統(tǒng)對4路指令信號輸出的要求。另外，由于CDAQ-9401的輸出信號的電流不足以驅(qū)動電磁閥動作，本設(shè)計采用功率放大器對該輸出信號放大后再驅(qū)動電磁閥動作。

4)以太網(wǎng)機箱模塊：

在本試驗中，部署在試驗臺上的各類傳感器距離上位機約30米距離，為減少接線，放置在試驗臺附近的便攜式測控平臺與上位機使用以太網(wǎng)連接實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和指令的傳輸。為此，本設(shè)計選用具有以太網(wǎng)接口的CDAQ-9185機箱作為上位機和測控系統(tǒng)之間進行通訊的橋梁，該機箱是專為小型或分布式傳感器測量系統(tǒng)設(shè)計的總線供電以太網(wǎng)機箱，可控制C系列I/O模塊與外部主機之間的定時、同步和數(shù)據(jù)傳輸，以創(chuàng)建模擬I/O，數(shù)字I/O和計數(shù)器/計時器測量組合系統(tǒng)。NI的CDAQ-9185機箱有4槽和8槽兩種，本系統(tǒng)只需要三塊板卡即可完成采集控制等功能，故選擇4槽的CDAQ-9185機箱，既節(jié)約成本和占用的空間，同時也為系統(tǒng)擴展留有余地。考慮到測試現(xiàn)場電磁干擾嚴重，且信號傳輸距離為30米，選用抗干擾能力強的屏蔽雙絞線連接上位機與便攜式機箱。

1.2 測控系統(tǒng)硬件平臺搭建

1)信號隔離：

如圖1所示，本熱車試驗臺的傳感器包括2個流量計、4個壓力變送器，其中，4個壓力變送器由直流穩(wěn)壓電源供電，供電電壓為24 V，2個流量計供電電源是220 VAC電源。如圖2所示，由于本系統(tǒng)所選的采集模塊CDAQ-9203的8個采集通道為同一個參考端，因此，流量計輸出信號與系統(tǒng)內(nèi)其它傳感器輸出信號存在有不共地的風險，為此，選用2塊信號隔離模塊分別對2路流量計輸出信號進行隔離。所選擇的隔離模塊的輸入和輸出信號均為4～20 mA標準信號，其供電電源為24 V直流電源。

圖2 NI9203輸入電路

2)測控機箱的部署：

本試驗臺要求測控系統(tǒng)所有硬件集成在一個便攜式的機箱內(nèi)以方便移動。為此，在便攜式機箱內(nèi)部署的元器件包括如下。

① CDAQ-9185機箱以及插在該機箱插槽內(nèi)的CDAQ-9203采集模塊、CDAQ-9265模擬量輸出模塊和CDAQ-9401 數(shù)字I/O模塊；

②功率放大模塊；

③隔離模塊；

④24 V直流電源模塊。

其中，直流電源模塊用于對機箱內(nèi)的CDAQ-9185機箱、4個壓力變送器、1個功率放大器以及2塊隔離模塊供電。

整個測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計及系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，其中圖3虛線框內(nèi)所有元器件都內(nèi)置在圖4所示的便攜式測控機箱內(nèi)。

圖3 測控系統(tǒng)原理框圖

圖4 便攜式測控系統(tǒng)外觀圖

2 基于LabWindows/CVI的測控軟件開發(fā)

測控軟件是用戶和系統(tǒng)的唯一接口，軟件把傳感器信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集硬件和分析集成為一個完整的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在測控系統(tǒng)的開發(fā)中扮演者非常重要的角色[7]?；赑C的DAQ系統(tǒng)所需的軟件由硬件驅(qū)動和開發(fā)環(huán)境組成。硬件驅(qū)動進行PC和DAQ設(shè)備之間的通信，實現(xiàn)了軟件控制硬件。該驅(qū)動器包含一個API內(nèi)置規(guī)則集合，借助該接口在編程環(huán)境中控制硬件。

NI CompactDAQ以及幾乎所有的NIDAQ設(shè)備的硬件驅(qū)動器都是NI-DAQmx，其提供的API適用于LabWindows/CVI以及 LabVIEW開發(fā)。LabWindows/CVI是基于C語言的系統(tǒng)開發(fā)平臺，對涉及硬件底層驅(qū)動開發(fā)的采集系統(tǒng)而言，比基于圖形化的LabVIEW具有更高的執(zhí)行效率，其集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)為測控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā)提供了一個理想的開發(fā)環(huán)境[8-11]。為此，本設(shè)計選用LabWindows/CVI 2013 作為測控軟件的開發(fā)平臺。

2.1 軟件流程和系統(tǒng)主界面

按照測控系統(tǒng)的功能要求，需要對6路模擬信號進行連續(xù)的采集并實時顯示、同時需要隨時對高速采集數(shù)據(jù)進行保存；另外，需要提供手動和自動兩種方式對管路壓力流量進行調(diào)節(jié)(通過調(diào)節(jié)流量實現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié))，并根據(jù)測試需要隨時對4路電磁閥進行開閉。為了實現(xiàn)上述功能，本軟件流程如圖5所示，主界面如圖6所示，基本步驟如下：

圖5 軟件流程圖

圖6 軟件主界面

1)打開“硬件初始化”開關(guān)進行系統(tǒng)初始化、通道設(shè)置、采集任務(wù)創(chuàng)建等；

2)設(shè)置數(shù)據(jù)保存存儲路徑；

3)打開噴砂段、管路1、管路2的電磁閥；

4)選擇“手動/自動”調(diào)節(jié)方式，若選擇手動方式，在運行界面輸入調(diào)節(jié)參數(shù)，若選擇自動調(diào)節(jié)方式，在運行界面輸入目標流量，混合通道壓力的自動調(diào)節(jié)由系統(tǒng)根據(jù)采集的實時目標壓力值自動調(diào)節(jié)，無需在界面輸入；

5)點擊“開始保存”按鈕調(diào)用保存線程，將實時采集的二進制數(shù)據(jù)寫入文件；

6)點擊“停止保存”按鈕掛起保存線程，停止將數(shù)據(jù)寫入文件；

7)點擊“停止”按鈕使處于運行狀態(tài)的任務(wù)停止；

8)點擊“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”按鈕將二進制數(shù)據(jù)文件按照“*.txt”格式存儲，以便試驗結(jié)束后對數(shù)據(jù)進行分析；

9)關(guān)閉噴砂段、管路1、管路2電磁閥，打開排氣口電磁閥；

10)點擊“退出”按鈕清除任務(wù)、釋放內(nèi)存并退出用戶界面。

2.2 基于乒乓操作和多線程技術(shù)的數(shù)據(jù)采集存儲方法

在熱車試驗臺工作過程中，需要對高速連續(xù)采集的數(shù)據(jù)進行存儲，同時對采集數(shù)據(jù)進行界面顯示，為了使數(shù)據(jù)采集速率和硬盤數(shù)據(jù)存儲速率相匹配，同時兼顧硬盤操作次數(shù)和數(shù)據(jù)存儲實時性問題，以及數(shù)據(jù)采集與顯示同時進行，在軟件開發(fā)中采用了多線程技術(shù)[12-14]和基于乒乓操作[15-20]的數(shù)據(jù)流控制技術(shù)。數(shù)據(jù)采集存儲的流程如圖7所示。

1)設(shè)置數(shù)據(jù)采集存儲過程參數(shù)：

數(shù)據(jù)采集存儲過程中的參數(shù)主要包括采集通道個數(shù)、采樣率大小、采集數(shù)據(jù)拷貝線程觸發(fā)條件N、采集數(shù)據(jù)最大拷貝次數(shù)Copy_max；用于存儲采集數(shù)據(jù)的動態(tài)數(shù)組A、B以及寫硬盤線程觸發(fā)條件Save_Flag。

圖7中的m為一個變量，用于記錄采集數(shù)據(jù)拷貝到動態(tài)數(shù)組的拷貝次數(shù)，初值設(shè)為0；A、B為兩個大小相同的動態(tài)數(shù)組，數(shù)組大小為Copy_max*N，用于存儲實時采集來的數(shù)據(jù)，其初值為0數(shù)組；Save_Flag用于判斷是否開始將動態(tài)數(shù)組的數(shù)據(jù)寫入硬盤，其初值設(shè)為1。

2)采集數(shù)據(jù)的保存：

啟動數(shù)據(jù)連續(xù)采集任務(wù)后，每當系統(tǒng)采集到N個數(shù)后，就觸發(fā)采集數(shù)據(jù)拷貝線程，再根據(jù)Save_Flag取值的不同，分別將采集到的N個數(shù)存入動態(tài)數(shù)組A或B，當A或B填滿時，啟動數(shù)據(jù)存盤線程進行寫盤操作，如此循環(huán)直至數(shù)據(jù)采集任務(wù)結(jié)束。

從圖7所示的數(shù)據(jù)采集存儲的流程可以看出，如果把乒乓操作模塊看作一個整體，從這個模塊的兩端看數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)流即從采集卡采集到的數(shù)據(jù)流和輸出數(shù)據(jù)流即寫入磁盤的數(shù)據(jù)流都是連續(xù)不斷、按節(jié)拍相互對接的，中間沒有停頓，整個數(shù)據(jù)采集及存儲的過程通過數(shù)據(jù)采集線程、采集數(shù)據(jù)拷貝線程以及寫磁盤3個線程相互配合來完成，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫緩沖與處理，同時減少了數(shù)據(jù)存儲時的硬盤操作次數(shù)及CPU占用時間，為數(shù)據(jù)顯示及其它數(shù)據(jù)處理節(jié)約了計算資源和處理資源，實現(xiàn)了連續(xù)高速數(shù)據(jù)的存盤功能。

2.3 PID控制算法

PID[21-22]控制器是指在控制系統(tǒng)中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行閉環(huán)控制的一種自動控制器，能夠有效地糾正被控制對象的偏差，使其達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。

本系統(tǒng)通過控制閥門的開度大小對壓力和流量進行控制，選用增量式PID算法，其表達式為：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=KP[e(k)-e(k-1)]+

KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

式中，e(k)表示當前值和目標值之間的差值，在本系統(tǒng)中，對于管路1和管路2而言表示當前管路流量和主界面輸入的目標流量的差值，對于混合管路而言表示混合段的目標壓力與噴砂段的當前壓力的差。Kp，KI以及KD分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。受Windows非實時系統(tǒng)及高采樣率(采樣周期確定為1 ms)的限制，控制周期確定為4 ms，也就是說每通道每采集4個數(shù)發(fā)生一次控制作用。

3 測試結(jié)果與分析

考慮到實際的熱車試驗成本較高，首先進行系統(tǒng)基本功能測試和調(diào)試，本系統(tǒng)測試和調(diào)試的內(nèi)容包括：1)測控系統(tǒng)的主要功能測試，包括數(shù)據(jù)采集、存儲、調(diào)節(jié)閥的開閉等；2)自動方式下PID控制參數(shù)的調(diào)試。

3.1 系統(tǒng)主要功能測試

3.1.1 測試步驟

為了降低試驗成本，在系統(tǒng)調(diào)試時，首先采用FLUKE F725/CN多功能過程校驗儀進行模擬測試。本試驗臺采集信號共有4路壓力傳感器信號和2路流量傳感器信號，傳感器輸出信號均為4～20 mA的電流信號，壓力傳感器的量程范圍均為0～500 kPa，流量傳感器的流量范圍均為0～350 g。模擬測試時斷開傳感器接線，在傳感器端用FLUKE F725/CN過程校驗儀模擬傳感器輸出信號，由測控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的采集并存儲。試驗時，F(xiàn)LUKE F725/CN過程校驗儀的電流輸出由4 ma(傳感器輸出信號對應(yīng)的最小電流)開始，按照每次增加2 ma電流依次加大，直至增加到20 ma(傳感器輸出信號對應(yīng)的最大電流)，然后又依次減小2 ma電流，直至減小到傳感器輸出信號對應(yīng)的最小電流4 ma，模擬測試覆蓋了傳感器的整個輸出范圍。

3.1.2 測試結(jié)果分析

表1所示為部分模擬測試數(shù)據(jù)，其中的壓力、流量數(shù)據(jù)為采集卡采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)換算后得到的對應(yīng)物理量數(shù)據(jù)。可以看出，模擬測試數(shù)據(jù)與理論上的期望值相符，壓力傳感器和流量傳感器都具有較好的線性度。

表1 模擬測試數(shù)據(jù)

圖8所示為表1中噴砂段管路壓力與FLUKE F725/CN過程校驗儀的輸出電流之間的關(guān)系曲線，圖9所示為通道1流量與FLUKE F725/CN過程校驗儀的輸出電流之間的關(guān)系曲線。

圖8 模擬測試得到的壓力傳感器特性曲線

圖9 模擬測試得到的流量傳感器特性曲線

對于3路管路調(diào)節(jié)信號以及4路電磁閥開關(guān)信號，只進行靜態(tài)調(diào)試，由測控系統(tǒng)輸出控制指令，通過人工觀察調(diào)節(jié)閥的動作過程、動作位移以及各電磁閥的開關(guān)動作。通過測試觀察，所有調(diào)節(jié)閥和電磁閥工作正常。

3.2 PID控制參數(shù)調(diào)試

3.2.1 調(diào)試方法及步驟

本系統(tǒng)采用增量式PID調(diào)控算法實現(xiàn)對管路1和管路2流量的調(diào)控。本系統(tǒng)中流量計的流量范圍為0～350 g，系統(tǒng)采樣周期為0.001秒，要求流量控制精度達到0.5%，考慮到Windows系統(tǒng)是一個非實時系統(tǒng)，在進行PID調(diào)試時，結(jié)合流量調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)速度(氣動薄膜調(diào)節(jié)閥為0.3秒左右)采用降采樣，每5個點取平均作為PID算法中一個循環(huán)的實際流量采樣值。PID參數(shù)調(diào)節(jié)參考工程經(jīng)驗，按照先確定比例系數(shù)Kp、再積分時間KI、后微分時間KD的順序依次進行調(diào)試。

3.2.2 調(diào)試結(jié)果分析

以管道1為例，經(jīng)過調(diào)試，得到的PID參數(shù)為：

KP=0.2

KI=0.06

KD=0.35

設(shè)管道1 的目標流量為300 g，圖10所示為管道1的PID調(diào)控曲線，可以看出系統(tǒng)在經(jīng)過不到100次循環(huán)后管路流量穩(wěn)定在目標值附近。

圖10 PID流量調(diào)節(jié)曲線

在真實測試環(huán)境中，還需在系統(tǒng)加載情況下，綜合考慮調(diào)節(jié)閥響應(yīng)速度、實際工況等對PID參數(shù)進行微調(diào)。

4 結(jié)束語

根據(jù)某熱車試驗現(xiàn)場情況及熱車試驗對管路流量、壓力的控制要求，采用CompactDAQ設(shè)備將信號采集模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字I/O模塊和信號調(diào)理模塊集成在一起并內(nèi)置于一個便攜式機箱中，在LabWindows/CVI 2013平臺下采用乒乓操作和多線程技術(shù)保證數(shù)據(jù)采集、顯示及存儲的實時性，PID控制算法實現(xiàn)了對流量和壓力的自動調(diào)節(jié)和精確控制。本測控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，已成功應(yīng)用在熱車試驗中。