基于LabVIEW和PXI的城市軌道車輛轉向架測試系統(tǒng).doc

基于LabVIEW和PXI的城市軌道車輛轉向架測試系統(tǒng)摘要：為了能夠快速準確地實現(xiàn)對城市軌道車輛轉向架的性能測試，搭建了基于虛擬儀器編程語言LabVIEW和PXI總線測試技術的城市軌道車輛轉向架測試平臺。應用單線程多卡耦合循環(huán)軟件架構和錯誤跟蹤方法，保證了多數(shù)據(jù)采集卡的協(xié)調運行和測試系統(tǒng)的可靠性；采用雙字節(jié)整數(shù)保存法優(yōu)化實時數(shù)據(jù)的存儲，消除了硬盤存儲瓶頸。實際應用證明，該測試系統(tǒng)適應性強、可靠性高，使用方便、靈活，能夠充分滿足城市軌道車輛轉向架的測試要求。關鍵詞：LabVIEW；PXI；虛擬儀器；城市軌道車輛；轉向架；單線程引言隨著城市軌道車輛的迅猛發(fā)展，對其轉向架的性能也要求越來越高。如何能夠快速準確地測試轉向架的性能成為城市軌道車輛發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。在轉向架測試中，需要測試的參數(shù)多達幾十個甚至上百個。采用傳統(tǒng)的測試技術不僅成本高昂、操作復雜，而且在系統(tǒng)擴展、數(shù)據(jù)處理和信息分析與共享等方面存在明顯的缺陷。目前，基于微機硬件平臺的虛擬儀器技術為解決上述問題開辟了新途徑，并且得到了越來越廣泛的應用。城市軌道車輛轉向架測試平臺采用PXI總線系統(tǒng)，使用LabVIEW編程語言，快速搭建的基于虛擬儀器技術的測試平臺。1 系統(tǒng)硬件架構圖1 系統(tǒng)硬件架構在城市軌道車輛轉向架測試過程中，需要對64通道加速度、32通道應變和32通道電壓信號進行實時高速采集。采用美國NI公司的PXI系列設備，構建如圖1所示的系統(tǒng)硬件架構。這是一個由信號采集與調理模塊（SCXI-1531、 SCXI-1520、SCB-100， PXI-1001為信號調理機箱）、PXI 數(shù)據(jù)采集卡（PXI-6070E、PXI-6071E，PXI-1000為PXI機箱）和PXI接口卡（PXI-8330，采用MXI-3技術）組成的數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)。被測信號由信號采集與調理模塊進行濾波、放大后送至PXI數(shù)據(jù)采集卡，經A/D轉換后，通過PXI接口卡傳送至主控計算機。采用PXI總線測試設備搭建測試系統(tǒng)的硬件架構，主要考慮其具有以下特點：信號調理機箱與PXI機箱的分體式結構可以有效地保證信號傳輸?shù)目煽啃浴Ｓ捎谛盘栒{理機箱可以最大限度地靠近信號源，能夠及時地對被測信號進行濾波和放大，因此可將現(xiàn)場干擾對被測信號的影響降到最小，保證信號的真實性。采用基于PXI和MXI-3總線技術的測試設備，能夠充分保證實時數(shù)據(jù)采樣時的帶寬要求。PXI總線具有最高可達132MB/s(32-bit，33MHz) 和264MB/s(64-bit，66MHz)的峰值數(shù)據(jù)吞吐率1；而MXI-3技術是一種高性能的最高可達1.5Gbits/s串行數(shù)據(jù)傳送率的PCI總線之間的軟硬件透明連接技術2。 可以增加測試系統(tǒng)的靈活性和通用性。由于PXI設備采用了標準模塊化設計方法，可以使該測試系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的測試對象和測試要求進行方便地安裝和拆卸，快速靈活地配置和搭建測試平臺。提高了測試系統(tǒng)的適應性。PXI機箱和設備都具有牢固的接插端3，可以抵抗撞擊與振動，能夠滿足各種測試環(huán)境對設備的要求。2 系統(tǒng)的軟件設計“軟件就是儀器”，軟件設計已經成為了基于虛擬儀器技術的測試系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)。當信號以二進制數(shù)據(jù)傳送至計算機后，需要對其進行分析和處理，實現(xiàn)“儀器”的功能。在該測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)中，采用LabVIEW作為編程語言。它具有簡單易用、功能強大等優(yōu)點，特別是它能與NI公司的硬件設備達到無縫結合，簡化了對底層硬件的設置。轉向架實時測試系統(tǒng)需要具有以下幾個基本功能：（1）數(shù)據(jù)采集。即能夠對被測信號進行實時準確的數(shù)據(jù)采集。（2）分析與控制。即能夠對實時對被測數(shù)據(jù)進行轉換和分析，監(jiān)視各個傳感器的工作狀態(tài)，保證試驗正確運行；能夠對諸如傳感器脫落等異常情況進行報警。（3）數(shù)據(jù)存儲。即能夠及時準確地將數(shù)據(jù)保存到硬盤，為實時測試之后更詳盡的數(shù)據(jù)分析和被測對象評定的提供依據(jù)。（4）數(shù)據(jù)顯示。即能實時顯示各個被測信號的數(shù)值，可讓測試人員更加詳細地了解被測各參量的信息。3 軟件整體架構的確立該轉向架實時測試系統(tǒng)采用了如圖2所示的單線程循環(huán)軟件架構。由于LabVIEW可為PXI設備在內存中開辟了一塊緩存4，二進制數(shù)據(jù)可不經CPU直接存入內存，所以該測試系統(tǒng)采用了循環(huán)結構，將數(shù)據(jù)從緩存中分塊讀出并加以處理。圖2 系統(tǒng)軟件架構轉向架實時測試系統(tǒng)是一個以數(shù)據(jù)采集為核心的實時系統(tǒng)，除了數(shù)據(jù)顯示重要性稍低外，其他各項任務（數(shù)據(jù)讀取、分析與控制和數(shù)據(jù)存儲）對于測試成功都起到非常重要的作用。采用單線程結構可以保證每個任務在一次數(shù)據(jù)采集循環(huán)中都能得到有效執(zhí)行，既能滿足數(shù)據(jù)的實時采集又能保證數(shù)據(jù)的完整存儲，增強了測試的可靠性。與此同時，采用單線程結構也簡化了流程控制，避免了多線程結構中各個任務之間的調度與控制的復雜問題。單線程循環(huán)結構也有利于動態(tài)調節(jié)數(shù)據(jù)采樣頻率。當信號采樣速率（此速率通常由測試人員設定的）大于計算機所能達到的數(shù)據(jù)處理能力（數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲能力）時，通過采樣速率控制模塊，可以自動調節(jié)實時采樣速率，使其能夠與計算機的處理能力相適應；另一方面，當被設定的信號采樣速率大于硬件設備所能達到的最高采樣數(shù)據(jù)率時，也能夠自動降低采樣速率，與硬件設備所能達到的最高采樣數(shù)據(jù)率保持一致。從而保證實時數(shù)據(jù)采集和處理的可靠運行，提高了測試系統(tǒng)的準確性和可靠性。4 采樣速率控制采樣速率控制指當測試系統(tǒng)無法滿足測試設置要求時，動態(tài)調節(jié)實時采樣速率，以發(fā)揮出測試系統(tǒng)最大效能的一種自動調節(jié)方法。它對解決數(shù)據(jù)采樣頻率與測試系統(tǒng)整體性能的一致性問題，實現(xiàn)測試系統(tǒng)的通用性和適應性具有重要意義。采樣速率控制模塊是實施采樣速率控制的主體，它采用錯誤跟蹤方式來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采樣頻率的動態(tài)調節(jié)。當信號采樣速率大于計算機所能達到的數(shù)據(jù)處理能力時，從數(shù)據(jù)緩存讀入的測試數(shù)據(jù)將在數(shù)據(jù)分析與控制模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊中占用更多的處理時間，無形中增大了數(shù)據(jù)采集循環(huán)的運行周期；而與此同時，實時采樣數(shù)據(jù)卻不斷地的直接涌入數(shù)據(jù)緩存，根據(jù)單線程循環(huán)軟件架構的特點，這將導致數(shù)據(jù)讀取模塊無法及時將采樣數(shù)據(jù)從緩存中讀出，最終產生數(shù)據(jù)緩存覆蓋（舊數(shù)據(jù)未來得及讀取就被新采樣數(shù)據(jù)覆蓋）錯誤（錯誤碼為-108465）。另一方面，當被設定的信號采集速率大于硬件設備所能達到的最高采樣速率時，將導致非正常采樣速率錯誤（錯誤碼為-10694和-10697）。通過對以上錯誤碼進行捕捉和處理，就可動態(tài)調整數(shù)據(jù)采樣頻率了。圖3為采樣速率控制模塊流程圖。首先判斷是否出現(xiàn)采樣速率錯誤，即檢測錯誤碼是否為-10846、-10694和-10697。若出現(xiàn)以上錯誤之一，那么首先停止測試，然后對圖3 采樣速率控制流程圖采樣速率進行調整，最后再重新開始測試。在采樣速率調整中，可根據(jù)制定好的算法適當降低采樣速率。當然，經過一次調整后，采樣速率未必能于測試系統(tǒng)的性能保持一致，有可能再次出現(xiàn)采樣速率錯誤，不過由于采用了循環(huán)式軟件架構（如圖2所示），可以多次不斷地調整采樣速率，最終能達到或接近系統(tǒng)的最大采樣速率。需要注意的是，有時操作系統(tǒng)某個臨時任務有可能在較短的時間內占用了過多的系統(tǒng)資源，導致測試系統(tǒng)無法及時從緩存中讀取數(shù)據(jù)而出現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存覆蓋錯誤，這時采樣速率將被自動調整；當臨時任務結束后，測試系統(tǒng)取回被占用的資源，但采樣速率卻無法回到原先的狀態(tài)上。這不但造成數(shù)據(jù)采樣頻率的不穩(wěn)定，而且也無法發(fā)揮出測試系統(tǒng)的最大效能，有可能影響到整個測試任務。為了解決上述問題，需要將數(shù)據(jù)緩存設置得較大一些，一般為采集速率的45倍，以此來最大限度地減緩各種不確定因素對測試系統(tǒng)資源的沖擊，保持數(shù)據(jù)采樣頻率的穩(wěn)定。5 數(shù)據(jù)存儲使用LabVIEW提供的Profile VIs工具（位于菜單ToolsAdvancedProfile VIs）對如圖2所示的各個模塊運行時間進行監(jiān)測6，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲模塊占用了50%以上的系統(tǒng)運行時間（使用筆記本電腦進行數(shù)據(jù)采集時會更高）。這說明了該測試系統(tǒng)主要的運行瓶頸在于硬盤的存儲速度較慢，因此對數(shù)據(jù)存儲進行優(yōu)化將大大提高測試系統(tǒng)的整體性能。在一般測試中，數(shù)據(jù)多被以單精度（Single）類型保存到文件。這種存儲方式的優(yōu)點是：由于將應變、加速度等被測量值直接存儲到硬盤文件，存儲過程簡單，同時也方便了測試后數(shù)據(jù)分析和被測對象評定；這種存儲方式也帶來了相應的問題：由于每個測試數(shù)據(jù)都被以4字節(jié)單精度類型存儲，在測試數(shù)據(jù)量較大時，無疑加大了數(shù)據(jù)存儲負荷，占用了過多的系統(tǒng)時間。為了優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲，在該測試系統(tǒng)中，每個測試數(shù)據(jù)被采用以雙字節(jié)整數(shù)的方式存儲到硬盤文件，這樣將比上面采用的4字節(jié)實數(shù)方法減少一半的數(shù)據(jù)存儲負荷。當然，這種存儲方式也相應地要求保存每個通道的配置信息，如增益、電橋電壓等，以便事后能真實地還原出的被測信號的量值。在如圖2所示的軟件架構中，測試準備模塊負責將所有通道的各種配置信息保存到一個測試配置文件。在數(shù)據(jù)讀取模塊中（圖4），數(shù)據(jù)讀取VI（AI Read.vi）的輸出數(shù)據(jù)類型被選擇為Binary Array型，也就是說，讀出的數(shù)據(jù)將是由12位數(shù)據(jù)采集卡傳送過來的雙字節(jié)整數(shù)數(shù)組。這樣，在數(shù)據(jù)存儲模塊中，只要將此雙字節(jié)整數(shù)數(shù)組直接存儲到文件就可以了。實踐證明，這種方法將實時數(shù)據(jù)采集時的硬盤存儲負荷減少了將近50%，大大提高了系統(tǒng)的整體運行效率。6 多數(shù)據(jù)采集卡的協(xié)調運行圖4 數(shù)據(jù)讀取模塊框圖程序如圖1所示，系統(tǒng)有PXI-6070E和PXI-6071E兩塊數(shù)據(jù)采集卡。不同的測試任務采用的板卡也不同，有時只用其中一塊就夠了，而有時兩塊板卡必須同時使用。如何實現(xiàn)多塊板卡的協(xié)調運行是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和提高測試通用性的關鍵。在該測試系統(tǒng)中，采用多卡耦合循環(huán)處理的方式解決板卡間的協(xié)調運行問題，即在如圖2 所示的各個模塊中采用循環(huán)來分別對各個板卡進行操作和處理。圖4所示為數(shù)據(jù)讀取模塊的框圖程序，其以循環(huán)方式分別讀取任務號數(shù)組（TaskIDsIn）所指定的各個板卡的數(shù)據(jù)緩存，實現(xiàn)多卡的數(shù)據(jù)讀取耦合。這里的任務號數(shù)組是由測試準備模塊中的與此類似的循環(huán)結構生成的，每個任務號（TaskID）對應于一個數(shù)據(jù)采集卡。值得注意的是，此程序中的循環(huán)次數(shù)N沒有在編程時設定，而是由任務號數(shù)組的長度來動態(tài)決定的，因此循環(huán)是動態(tài)可控的；也就是說，在單采集卡時任務號數(shù)組的長度為1，雙采集卡時任務號數(shù)組的長度為2，實現(xiàn)了循環(huán)次數(shù)與工作板卡數(shù)目的一致性。在其他測試模塊中也都引用了這種動態(tài)循環(huán)處理模式，使得該測試軟件在單采集卡、雙采集卡和多采集卡下均能運行，從而極大提高該測試系統(tǒng)的適應性和擴展性。多采集卡協(xié)調的另一個關鍵問題是確定每次讀取緩存的掃描數(shù)（scans）（一次掃描指對所有通道采集一次數(shù)據(jù)），即圖4中的NumbersToRead。由于不同采集卡使用不同的采樣速率，如果NumbersToRead設置不當，將導致部分采集卡的緩存覆蓋，系統(tǒng)將無法正常工作。在該系統(tǒng)中，用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)讀取間隔時間與板卡采樣速率的乘積作為NumbersToRead的值（這里的數(shù)據(jù)讀取間隔時間是指兩次讀取數(shù)據(jù)緩存的最小時間間隔，它可由測試人員設定）。由于數(shù)據(jù)讀取間隔時間相同，那么采樣速率就與每次讀取的掃描數(shù)嚴格成正比關系，也就是說，采樣速率高的板卡對應的NumbersToRead值也相應的較大，因此有效地避免了采集卡的數(shù)據(jù)緩存覆蓋，保證了測試系統(tǒng)的正常進行。7 數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示為了既節(jié)約系統(tǒng)資源又能動態(tài)顯示數(shù)據(jù)及其變化趨勢，該測試系統(tǒng)采用了如圖5所示的顯示界面：上半部為被選通道的時域波形及其功率譜的動態(tài)顯示；下半部為所有通道在TabControl控件上的分類柱狀顯示。在柱狀顯示下面，每個通道都有一個選通按鈕，如要查看此通道的數(shù)據(jù)變化趨勢則可按下其選通按鈕，則此通道的動態(tài)波形就會在界面上半部顯示出來。圖5 動態(tài)顯示界面8 結束語在城市軌道車輛轉向架的性能測試中，測試參數(shù)眾多，數(shù)據(jù)采集量大。利用LabVIEW開發(fā)的基于PXI體系的城市軌道車輛轉向架測試系統(tǒng)，經實踐證明，性能優(yōu)越、運行穩(wěn)定可靠，為城市軌道車輛轉向架測試提供了一個快速、準確、可靠的工具。參考文獻1 PXI Specification M. PXI Systems Alliance, 2000.2 PXI-PCI 8330 Series User Manual M. National Instruments C