基于VI的動態應變測試系統設計

摘要:該設計是為了對100多路動態應變信號進行測試。在測試過程中以動態數據采集模塊PXI系列及前端調理適配設備SH系列為硬件平臺，以流行的虛擬儀器(VI)軟件Lab VIEW為運行平臺，開發了擁有系統配置模塊、參數配置模塊、狀態檢測模塊、標定系統模塊、數據采集模塊、校準系統模塊、數據處理模塊七個模塊組成的系統軟件。最后通過應用證明了該系統的實用性、先進性、經濟性和可靠性的特點。

關鍵詞: 虛擬儀器;動態采集模塊PXI;SH適配器;數據采集

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)11-2760-03

VI-Based System Design of Dynamic Strain Testing

GUO Lei1， GAO Jun-ling2

(1.Department of Computer Engineering， Xi'an Aerotechnical College， Xi'an 710077， China; 2 No.212 Research Institute of China Weapon Industry， Xi'an 710065， China)

Abstract: This design was meant to more than 100 dynamic strain signal path for testing. In the testing process in a dynamic data acquisition module PXI series and conditioning equipment SH series adapter for hardware platform， take the popular hypothesized instrument (VI) software Lab VIEW as the movement platform， developed had the parameter disposition module， the condition examination module， the calibration system module， the data acquisition and the signal output module， the calibration system module， the data processing module six module composition system software. Finally has proven this system's usability， the sophistication， the efficiency through the application and the reliable characteristic.

Key words: virtual instruments; dynamic acquisition module PXI; SH Adapter; data acquisition

對動態應變信號進行測試是信號分析與處理的一個重要環節，在許多工業控制與生產狀態監控中都被用到。本文主要研究針對100多路動態應變信號進行測試的的通用計算機虛擬儀器(VI)模塊化測試系統。

1 硬件部分設計[1-3]

1.1 系統總體結構框圖

系統的總體框架圖如圖1。

從總體上來說，系統可分為三個部分:

1) 系統主計算機，主要完成數據的分析處理、顯示表達，并且完成對PXI數據采集設備和信號調理適配設備的控制。

2) PXI數據采集設備，主要完成對128路動態應變信號的高精度、高速率并行采集。

3) SH調理適配設備，主要完成兩個方面的功能:一是對動態應變信號進行放大、濾波等調理，二是對傳感器提供單通道可調激勵(0～10V)、自動配橋、自動調零等適配功能。

1.2 系統組成及配置

1.2.1 動態應變測試系統結構框圖

系統使用PXI高速同步數據采集卡和專業的SH動態應變調理適配設備，來完成100多路動態應變信號的測試。圖2就是本方案所設計的系統結構示意圖。

1.2.2 動態應變測試系統實物圖

圖3為動態應變測試系統實物框圖。

該應變測試系統具體分析如表1。

由于本系統主要是動態應變信號的測試，因此，專門采用了專為動態應變測試設計，并得到實踐驗證的SH系列動態應變信號調理適配設備，來完成信號的接入、調理、適配等。

SH信號調理適配模塊SH-2108D具備:8通道，300K帶寬，對每通道傳感器提供0～10V程控激勵，自動配橋(支持1/4橋三線制、半橋、全橋)、自動調零，并對測試信號進行多檔放大(1、10、100、1000、可編程放大)、濾波(10K、20K程控濾波)等功能。

128路動態應變信號先經過SH動態應變調理適配設備(由2個SH-2004A信號調理適配機箱和16塊SH-2108D信號調理適配模塊組成)，再將輸出的標準信號傳輸到采集設備進行數字化。

PXI數據采集設備選用性能為8通道同步模擬輸入、16位分辨率、每通道250KS/s采樣速率、±5V輸入范圍的PXI-6143高速同步數據采集卡，來完成被測信號的高精度、高速率并行采樣。

系統主計算機對整個PXI系統和調理適配設備進行控制。其中，系統主計算機對PXI系統的控制是通過MXI-4控制器完成。MXI-4控制器是NI公司研制的一種能讓PXI系統與外部計算機進行通訊的控制模塊，是PXI總線到PCI總線的翻譯器。運用它可將整套的PXI設備通過一臺計算機控制起來。并且，外部計算機通過MXI-4控制器，可與PXI設備進行高達96M/s(峰值132M/s)的數據交換。

另外，系統主計算機還完成數據的分析、處理與顯示表達。

2 軟件部分設計[4-6]

Lab VIEW是美國NI公司推出的一種用于虛擬儀器軟件開發的圖形化編程語言。與傳統的文本編程語言相比，它簡單易學、開發效率高，在測試領域得到了廣泛的應用。因此本系統在虛擬儀器開發平臺(Lab VIEW)的基礎上，開發專用的測控軟件。該系統的軟件包含了七個功能模塊，它們是:

系統配置:包括串口配置、SH系列調理適配設備的配置和檢測等;

參數配置:包括各種相關參數配置、導入/導出、快捷編輯、多種配置方式、存盤打印等等;

狀態檢測:檢測系統中被配置的信息，檢查配置結果是否真實可靠;

標定系統:用于對系統、傳感器等進行標定;

校準系統:用于對系統的偏離系數進行自動校準;

數據采集:主要用于試驗中整個過程的數據采集、監視等;

數據處理:主要用于對測試數據的分析、處理等。

2.1 系統配置模塊

在某型號測試軟件的系統配置功能模塊中，工作人員可根據自己的要求選擇串口及波特率，并可以檢測每個機箱和機箱內模塊的狀態。因此，這個功能對于由多個調理適配設備搭建的測試系統來說是十分必要的。

2.2 參數配置模塊

在某型號軟件中的系統參數配置模塊具備對每個通道的激勵電壓、配橋方式、靈敏度系數和導線電阻進行設定，同時該模塊還具備自動恢復和通道拷貝等功能。

2.3 狀態檢測模塊

狀態檢測的主要目的是驗證系統硬件的實際工作狀態是否與參數配置表的設置一致。也就是說，為了讓用戶能清楚的知道硬件的配置狀態。

2.4 標定系統模塊

標定系統模塊專門用于對系統各部分進行硬件標定，或者利用高精度源對系統進行標定的一種軟件平臺。

標定系統模塊包括標定設置、開始采集、信號輸出、選點、確認選點、打印結果、實時監視、狀態提示、修改誤操作等功能。

2.5 自校準模塊

校準系統是為了提高系統的測量精度和長期穩定性而設計的。通過定期或不定期的對系統進行自校準，不斷修正系統內部的微小偏差，可以使得測量更加準確。

因為自校準涉及到對系統本身測量精度的修正，所以進入自校準時需要進行密碼確認。也就是說，一般情況下不允許對系統進行修正，一方面是因為操作不正確會使系統測量出現較大的誤差或測量的是錯誤數據;另一方面如果不熟悉系統操作的人員可能會破壞系統測量的準確性。

2.6 數據采集模塊

數據采集模塊是本軟件的核心，是以動態測量為主要應用的測量記錄系統。該數據采集系統主要包括:試驗前設置(I)、狀態跟蹤(II)、曲線顯示(III)、采集方式選擇(Ⅳ)、瀏覽數據(Ⅴ)等五個部分。

2.7 數據處理模塊

數據處理是主要用于對測試數據的分析、處理。例如:可以對信號進行均值、概率密度、峰值、均方根、自相關、互相關、相干函數、相干分析、自譜、互譜、數字濾波等時域、頻域和幅域等各項分析。同時還可以根據用戶提供相關數據和處理方法，為用戶留有進一步開發的空間，進行專業的數據處理。

同時，此模塊還具備TXT、EXCEL等格式的報表輸出功能。

3 結束語

該系統是基于虛擬儀器(VI)技術的測試系統與測控網絡的結合，使整個測試系統具有更強大的功能。測試數據首先進入計算機，由它來完成數據的實時采集和初步分析。通過以太網和控制計算機之間的連接，通過光纖網、Internet的TCP/IP協議，可以遠距離連接，完成遠程網絡傳輸。

該系統的特點是:1)系統可以從根本上自動修正零偏。2)系統可自動配置的橋路方式有四分之一橋三線制，半橋，全橋;每通道可單獨設置對傳感器提供激勵(0～10V程控可調、另外還可以根據用戶要求進行自定義設計)。3)系統可以自動檢測故障、報警以及恢復。4)系統主要利用PXI總線技術，采用美國NI公司PXI系列高速同步數據采集卡，再加上專業的SH動態應變調理適配設備，配置成了高性能的動態應變測試系統。5)系統采用了SH大規模動態應變測試系統標準的接口方式——RJ45接口方式。6)系統具有均值、概率密度、峰值、均方根、自相關、互相關、相干函數、相干分析、自譜、互譜、數字濾波等時域、頻域和幅域各項分析。

該系統已經在某單位投入使用，運行結果證明系統具備了實用性、先進性、經濟性和可靠性的特點。

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