基于LabVIEW和PXI的某裝甲車儀表系統設計

肖俊生，周小鳳，左鴻飛

XIAO Jun-sheng1，ZHOU Xiao-feng2，ZUO Hong-fei1

（1.內蒙古科技大學，包頭 014010；2.包頭職業技術學院，包頭 014030）

0 引言

隨著自動化測量技術的發展和裝甲車輛的更新換代，其儀表和指令系統也在不斷進步和發展；傳統機械式指針儀表采取“空分制”的布局方式，各儀表占據固定的位置和空間，儀表的利用率很低，占用空間大，已不能滿足新型裝甲車發展的需求。而 “時分制”儀表能在不同的工作階段顯示不同的工作參數, 提高了儀表的利用率，節省了空間，逐漸成為未來裝甲車儀表發展的趨勢之一。目前國際上最新發展起來的綜合顯示控制系統、頭盔顯示器即采用“時分制”模式，并已在許多發達國家的航空航天領域以及武器裝備系統中得到了廣泛的應用[1,2]。本文以美國國家儀器有限公司（National Instruments,簡稱NI）PXI為平臺設計虛擬儀表系統。該虛擬儀表系統采用“時分制”顯示模式，在同一液晶屏上通過不同頁面顯示不同的工作參數，提高了儀表的利用率，減小了系統體積，同時也減輕了駕駛員的工作強度。

1 系統總體設計

裝甲車虛擬儀表系統，采用虛擬儀器技術以NI公司PXI系統為硬件平臺，通過圖形化語言LabVIEW編程實現各傳感器信號的采集處理，并以“時分制”模式在液晶顯示器上以虛擬儀表形式直觀顯示。駕駛員可通過觸摸屏操作按鈕切換顯示界面，實現在不同情況下顯示不同界面。

系統主要檢測的參數按信號特性分三類[3], 包括：

1) 模擬量：蓄電池電壓、發動機油壓、發動機油溫、制動氣壓、冷卻水溫度、變矩器油壓、變矩器油溫、制動油壓、燃油消耗等;

2) 脈沖量：車速、發動機轉速、里程速度等;

3) 開關量：氣壓報警、二三橋軸間右通、手制動、二三橋軸間左通、一橋左通、駕駛窗關閉、車長門關閉、后門關閉、戰斗室進水、空氣濾、輪間差速鎖、水上行駛、一橋左通、左轉向、右轉向、戰斗室水泵、變速箱高檔、變速箱低檔、電熱塞、抽塵泵、動力倉水泵、液壓總閥啟動等。

車輛工作在過程中，虛擬儀表系統實時地反映車輛各部件的運作參數，并可實時保存運行過程中的各參數值，供后續分析和故障追憶使用。同時，當參數值出現異常時，可進行故障診斷并高亮顯示報警信息，以提醒駕駛員注意。

2 系統硬件設計

虛擬儀表系統的硬件主要由NI PXI機箱、主控制器、PXI數據采集卡、信號調理模塊、信號接線盒等組成，其硬件結構如圖1所示。

主控制器是整個虛擬儀表的核心，所有數據處理、人機交互功能等的實現都由主控制器來完成，因此選用高性能的PXI-8115控制器來實現；PXI-8115是基于Intel Core i5-2510E處理器的高性能嵌入式控制器，具有2.5 GHz基頻、3.1 GHz（單核Turbo Boost模式）雙核處理器和單通道1,333 MHz DDR3內存[4]。

圖1 虛擬儀表系統硬件總體結構

模擬量采集板卡選用PXI-6224，其分辨率為16位，采樣率為250kS/s，具有16路差分輸入通道或32路單端輸入通道；目前系統有9路模擬量信號需采集，為了提高模擬量采集的抗干擾能力，9路信號全部采用差分輸入模式，共占用9路差分輸入通道，其余通道作為系統擴展時備用。由于采集發動機油溫、冷卻水溫度、變矩器油溫的傳感器為熱電阻傳感器，因此需要通過熱電阻信號調理模塊將電阻信號變換成標準的電壓信號進行采集；其他幾路模擬量采集傳感器輸出信號為電壓信號，可直接送入板卡。

數字量采集卡選用PXI-6511，具有64路帶隔離開關量輸入端口，輸入范圍0-30V,可滿足本系統22路數字量信號的采集。脈沖信號采集通過PXI-6602實現，該模塊提供8通道32位加減計數器，實現對本系統中3個脈沖信號的采集。

3 系統軟件設計

整個虛擬儀表系統是以LabVIEW8.5作為軟件開發平臺，基于模塊化的思想進行開發的。系統的軟件按不同功能分為參數設置、數據采集、數據處理及故障診斷、數據管理、人機交互等六個模塊；如圖2所示。

圖2 虛擬儀表系統軟件功能模塊

3.1 軟件系統架構

由于整個系統采集的數據種類多數據量大，為了提高數據采集處理速度，軟件架構采用生產者/消費者設計模式。該模式包括一個或多個并行while循環，每個循環以不同的速率執行任務[5]；其程序模型如圖3所示。在本系統中，生產者循環負責完成所有數據的采集任務，并將采集到的數據送入隊列，該過程耗時極少。消費者循環從隊列中讀取數據，并完成數據的濾波、標度變換、報警及故障診斷等處理，同時，可將處理后的數據按需求進行保存。此外，消費者循環里還設置了一個事件結構用于響應前面板的操作。采用該模式，數據的采集和處理保存是并行執行的，大大提高了系統的工作效率。另外，軟件上需要添加功能時實現起來也相當便捷。

3.2 數據采集處理模塊

數據采集程序通過調用NI-DAQmx硬件驅動程序提供的應用函數（API）來現實，NI-DAQmx提供的API, 在各種設備功能和設備系列中都是相同的。這就意味著一個多功能設備的所有功能可由同樣的函數集編程得到(模擬輸入、模擬輸出、數字I/O和計數器)。而且在LabVI EW中,由于多態機制, 一個數字I/O設備和一個模擬輸入設備都使用相同的函數集編程得到是完全可以實現的[6]。這樣為編程實現不同的數據采集任務提供了很大的方便。本系統的數字量、脈沖量的采集就和模擬量采集程序基本相同，只是個別參數不同而已。下面以模擬量采集說明該過程。模擬量采集處理程序如圖3，其中生產者循環主要完成數據的采集任務，首先，通過“創建虛擬通道”和“定時”函數對采集任務進行初始化（主要初始化的參數有：信號接線方式、信號范圍、物理通道、采樣模式、采樣率、緩沖區大小），同時，創建一個消息隊列用于存放采集到的數據；接著由“開始任務”函數來啟動數據采集過程；在循環內部通過“讀數據”函數完成數據的讀取工作，并將讀取到的數據送入隊列，以備消費者循環使用，需要說明的是，“讀函數”是一個多態，用的時候只需要設置參數選取不同實例就可以完成多個通道數據的讀取工作，而不需要多次調用該函數；當數據采集任務完成后，通過“停止任務”和“清除任務”函數將任務清除掉以釋放硬件資源。另外，每個函數執行過程中如果產生錯誤，都會通過錯誤連線將錯誤向程序頂層傳遞，同時，終止采集任務。

圖3 生產者消費者設計模式/模擬量采集

消費者循環完成數據的處理工作。循環內部先從隊列中將數據讀出，并同時送入數據處理和存儲回放模塊。數據處理子VI完成濾波、標度變換、報警及故障診斷等處理，處理后的結果送入顯示子VI；顯示子VI以表盤、數字、曲線等方式完成數據的顯示工作。存儲回放子VI根據實際參數設置情況完成數據的存儲工作，并在需要的時候進行數據的讀取與回放。

為了實現大量數據的存儲、查詢以及數據共享，系統采用Access數據庫來實現數據的存儲。程序中通過LabSQL(第三方免費工具包)實現LabVIEW和數據庫的接口，完成數據庫的連接、打開，數據記錄的寫入、查詢等操作。其中，實時數據表用于存儲實時采集處理后的數據，報警數據表完成報警數據的存儲工作。

消費者循環中的事件結構用于響應前面的操作，該結構可及時響應前面的任何操作，而不占用太多機器資源。如當系統某參數值異常時發出聲光報警，此時，如駕駛員在確認該參數報警情況不是特別緊急的情況下，可以點擊“報警清除”按鈕，該報警就只有報警燈亮而聲音取消了，以降低對駕駛員的影響。

3.3 前面板設計

前面板作為系統與駕駛員的人機界面，其顯示效果及交互能力好壞直接影響系統的工作效率。本系統設計前面板如圖4所示。

圖4 系統顯示主界面

由于顯示參數較多，且不同情況下重點關注的參數不同，因此，系統界面通過選項卡控件實現分屏顯示，主要分以下四個子界面：儀表、曲線、報警記錄和定位導航。駕駛員可通過觸摸屏操作以選取不同的顯示界面。

儀表主界面分三大塊顯示車輛的各工況參數，左上角為模擬量參數顯示部分，有轉速、車速、里程、各壓力和溫度顯示儀表，該部分通過虛擬的模擬表頭直觀顯示各參數的數值，方便駕駛員掌握車輛的實際情況。右上角以數字的方式顯示燃油量、蓄電池電壓、放電電流、發動機工作時間、經緯度等信息。下邊集中顯示各開關量和報警信息，報警分為2個級別，一般報警紅燈亮，嚴重報警紅燈閃爍并發出聲音。曲線顯示界面主要用于以曲線的形式顯示各模擬量參數，這樣不僅能看出參數的當前值，還能了解到該參數的變化趨勢。報警記錄顯示界面，用于報警記錄的實時顯示和查詢，以曲線和表格兩種形式顯示查詢結果。定位導航界面可顯示地圖、當前車輛位置和導航等信息。

4 結束語

隨著裝甲車自動化性能的不斷提高，虛擬儀表系統將成為裝甲的重要組成部分。本文設計的系統已取得成功。下一步將繼續擴充顯示和控制信息種類：對車載空調、娛樂等舒適性設備進行控制；將一些重要原始數據保存到單獨可靠性較高的存儲器中，以實現黑匣子功能； 跟車載其他智能設備（如滅火系統）進行通信，以實現整車信息共享、一體化管理功能等；加強通信功能，實現和其他車輛的協同工作，以提高整車的協同作戰能力和生存能力。

[1]李芳,田忠舜.坦克裝甲車輛虛擬儀表研究[J].車輛與動力技術,2003年第1期：40-46.

[2]劉北生,劉勇,梁瑞雪.裝甲車輛駕駛員儀表和指令系統的發展方向[J].車輛與動力技術,2001年第1期：60-64.

[3]胡文江,江杰,李杰.全數字化車輛儀表的應用研究[J].微計算機信息,2006,22(12-2)：220-222.

[4]NI PXI-8115- National Instruments [DB/OL]，http：//sine.ni.com/nips/cds/print/p/lang/zhs/nid/210273.

[5]唐進元,李松,邵文.基于LabVIEW 生產者—消費者模式的齒輪傳動振動測試系統[J].機械傳動,2011,25(1)：5-7.

[6]馮曉婷,李杏華,樊玉銘.基于LabVIEW及NI DAQmx的壓延機在線測厚系統[J].機床與液壓,2010,38(5)：73-76.