基于Lab VIEW的流量控制閥測(cè)試系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

陳小麗

（連云港沃利帕森工程技術(shù)有限公司南京分公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

用傳統(tǒng)方法來(lái)測(cè)試電液流量閥，其檢測(cè)準(zhǔn)確度較差，人為因素對(duì)誤差影響較大，檢測(cè)速度慢。而計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試則與試驗(yàn)臺(tái)連接起來(lái)，由計(jì)算機(jī)對(duì)試驗(yàn)中的各參數(shù)如流量、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、量化和處理，并輸出測(cè)試結(jié)果。本文運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、CAN總線技術(shù)等開(kāi)發(fā)出一套基于虛擬儀器的自動(dòng)化程度較高的能夠測(cè)試電液伺服、電液比例流量閥靜動(dòng)態(tài)特性的系統(tǒng)，以提高企業(yè)檢測(cè)液壓控制元件的精度和自動(dòng)化程度。

1 測(cè)試系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

在本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，將主要采用以下幾個(gè)單元：測(cè)控計(jì)算機(jī)單元、傳感器及其變送單元、信號(hào)采集單元、CAN總線單元、檢測(cè)結(jié)果輸出單元、試驗(yàn)油路裝置單元。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

（1）測(cè)控計(jì)算機(jī)單元。測(cè)控計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的大腦，將運(yùn)用Lab VIEW編寫的測(cè)控軟件，通過(guò)友好的人機(jī)界面，負(fù)責(zé)接收用戶指令，輸出激勵(lì)信號(hào)，采集并處理信號(hào)，顯示、保存、打印結(jié)果等。此外，該單元還是CAN總線通信系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)。（2）傳感器及其變送單元。傳感器及其變送單元是電液控制閥檢測(cè)系統(tǒng)的重要部件。表征被試閥性能和狀態(tài)的物理量，如壓力、流量等，都需要由相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)變送器或二次儀表進(jìn)行處理、顯示，并送到信號(hào)采集單元進(jìn)行分析處理。（3）信號(hào)采集單元。該單元主要由信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡組成，主要負(fù)責(zé)來(lái)自傳感器信號(hào)的隔離、放大、濾波、采集等功能。（4）CAN總線單元。用CAN總線作為計(jì)算機(jī)與傳感器二次儀表的數(shù)字量傳輸通道，計(jì)算機(jī)將接收到的數(shù)字信號(hào)與模擬量數(shù)據(jù)采集通道采集的信號(hào)進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量采集信號(hào)的在線標(biāo)定及校準(zhǔn)。（5）檢測(cè)結(jié)果輸出單元。該單元主要由監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)顯示器、打印機(jī)組成，用以顯示結(jié)果供研究人員研究。（6）試驗(yàn)裝置和被試控制閥。試驗(yàn)油路是本系統(tǒng)測(cè)試對(duì)象的油路裝置，可以為測(cè)試系統(tǒng)提供液壓能源。它主要包括靜態(tài)特性測(cè)試試驗(yàn)裝置和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試試驗(yàn)裝置。

1.1 信號(hào)調(diào)理及采集方案

根據(jù)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)調(diào)理的理論，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的采集方案如圖2所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理及采集方案示意圖

1.1.1 信號(hào)調(diào)理方案

本系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理器需要自己開(kāi)發(fā)，根據(jù)被測(cè)量設(shè)計(jì)成多通道的信號(hào)調(diào)理器，對(duì)每路通道主要采用模擬濾波、隔離、放大技術(shù)將壓力、流量、速度等信號(hào)統(tǒng)一調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)的0～10 V的電壓信號(hào)，以便于后面數(shù)據(jù)采集卡的采集。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集方案

通過(guò)對(duì)測(cè)試對(duì)象靜動(dòng)態(tài)特性及測(cè)試方案分析可知，在本測(cè)試系統(tǒng)中，為了提高測(cè)量速度和降低測(cè)量誤差，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需盡量采用采樣率高、A／D轉(zhuǎn)換位數(shù)高的產(chǎn)品，通過(guò)比較選擇了性價(jià)比較高的美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司的PC插卡產(chǎn)品多功能數(shù)據(jù)采集接口卡PCI-6024E，主要完成數(shù)據(jù)采集功能，該卡的最高輸出更新頻率為10 kS／s，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)的輸出。

1.1.2.1 采集方式的選擇

我們采用了連續(xù)采集的方案，連續(xù)采集需要用到循環(huán)緩沖區(qū)。對(duì)于循環(huán)緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，從緩沖區(qū)開(kāi)始處重新存放新的數(shù)據(jù)。只要存放數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)的速度配合恰當(dāng)，就可以實(shí)現(xiàn)用一塊有限的存儲(chǔ)區(qū)來(lái)進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳送。使用循環(huán)緩沖區(qū)時(shí)，采集設(shè)備在后臺(tái)連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而Lab VIEW在2次讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔里對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如數(shù)字濾波等。采用這種機(jī)制，既提高了測(cè)試速度，又提高了測(cè)試精度。

1.1.2.2 模擬量輸入、輸出通道的設(shè)置

PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡有以下幾種模擬輸入模式：無(wú)參考單端輸入（NRSE）、參考單端輸入（RSE）和差分輸入（DIFF）。

由于在本測(cè)試系統(tǒng)的硬件采集電路中，信號(hào)都是共用一個(gè)地端作為參考端的，是一組參考地信號(hào)源，所以可以采用單端參考輸入接法。如果每個(gè)通道都設(shè)置為單端參考輸入，則最多可以設(shè)置16個(gè)通道。

各模擬量輸入通道、激勵(lì)輸出通道都是在NI公司的Measurement ＆Automation軟件里設(shè)置的。將輸入方式設(shè)置為單端參考輸入，設(shè)置模擬輸入通道0為ad0，用來(lái)采集閥電流信號(hào)。設(shè)置模入通道1為ad1，用來(lái)采集空載流量信號(hào)。設(shè)置模入通道2為ad2，用來(lái)采集A口負(fù)載壓力。設(shè)置模入通道3為ad3，用來(lái)采集B口負(fù)載壓力。設(shè)置模入通道4為ad4，用來(lái)采集空載流量信號(hào)。設(shè)置模入通道5為ad5，用來(lái)采集動(dòng)態(tài)油缸速度傳感器信號(hào)。設(shè)置模出通道0為da0，用于測(cè)試時(shí)激勵(lì)信號(hào)的輸出。因?yàn)楦魈匦缘臏y(cè)試不能同時(shí)進(jìn)行，所以有些通道是可以分時(shí)復(fù)用的，如閥電流采集通道、激勵(lì)信號(hào)輸出通道，不會(huì)產(chǎn)生沖突。而對(duì)于油溫、供油壓力等這些信號(hào)的獲取可以通過(guò)CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.1.2.3 采樣頻率及輸出更新頻率的設(shè)置

為了提高測(cè)試精度，確定了以下采樣頻率及輸出更新頻率的設(shè)置方案：

在做靜態(tài)特性測(cè)試時(shí)，因?yàn)橐话氵x用頻率為0.01 Hz左右的二角波或正弦波，所以通常情況下不必?fù)?dān)心因?yàn)椴蓸宇l率過(guò)低而導(dǎo)致信號(hào)失真。將采樣頻率設(shè)為f＝1 000 Hz。對(duì)于激勵(lì)信號(hào)的模擬輸出，為了保證激勵(lì)信號(hào)不失真，輸出的更新頻率不能太低，一般設(shè)置為1 000 Hz即可。

在做頻率響應(yīng)特性測(cè)試時(shí)，掃頻范圍一般為0.1～300 Hz，所以，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率較高時(shí)，可以適當(dāng)減少每個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)，如32個(gè)點(diǎn)。而當(dāng)頻率較低時(shí)，可以適當(dāng)增加每個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)，如128個(gè)點(diǎn)。對(duì)于掃頻激勵(lì)信號(hào)的輸出，亦同。

在做階躍響應(yīng)特性測(cè)試時(shí)，在階躍發(fā)生時(shí)段，必須提高采樣頻率，以保證時(shí)域波形不失真，準(zhǔn)確地計(jì)算階躍響應(yīng)參數(shù)。而對(duì)于信號(hào)的非階躍時(shí)段，可以適當(dāng)減小采樣頻率，以免浪費(fèi)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。

1.2 CAN總線模塊

CAN總線主要實(shí)現(xiàn)各傳感器二次儀表與測(cè)控計(jì)算機(jī)之間的通信，在該總線網(wǎng)絡(luò)中，測(cè)控計(jì)算機(jī)加上NI公司的PCI-CAN轉(zhuǎn)換板后作為主節(jié)點(diǎn)可以在測(cè)試進(jìn)行時(shí)不斷地向某個(gè)或幾個(gè)二次儀表發(fā)送遠(yuǎn)程請(qǐng)求以獲取數(shù)據(jù)，而各二次儀表作為從節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)響應(yīng)主節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程請(qǐng)求。此外，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控各二次儀表，用戶在測(cè)試時(shí)，可以通過(guò)測(cè)控計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面判斷儀表的工作狀態(tài)，且能夠?qū)崟r(shí)讀取數(shù)字量并顯示在人機(jī)界面中，同時(shí)讀取的數(shù)字量又可以對(duì)數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定及數(shù)字校準(zhǔn)。

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)軟件主要采用模塊化程序設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊完成一個(gè)確定的功能，各個(gè)模塊之間具有相對(duì)的獨(dú)立性。這樣設(shè)計(jì)的程序具有邏輯性強(qiáng)、易于閱讀、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，并且整體簡(jiǎn)潔明了。根據(jù)這一思想，可以將本系統(tǒng)的程序劃分為以下幾個(gè)大的模塊：（1）虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊。虛擬信號(hào)發(fā)生器可以代替外置硬件信號(hào)發(fā)生器，以提供該系統(tǒng)測(cè)試用的所有激勵(lì)信號(hào)。（2）測(cè)試模塊。該模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電液流量閥靜動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試，可以看成是本程序的主模塊。該模塊又可以細(xì)分成靜態(tài)特性測(cè)試模塊和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試模塊，靜態(tài)特性測(cè)試包括空載流量特性、壓力增益及內(nèi)泄漏特性的測(cè)試，動(dòng)態(tài)特性測(cè)試包括階躍特性測(cè)試和頻率特性測(cè)試。（3）CAN總線通信模塊。該模塊主要實(shí)現(xiàn)各二次儀表數(shù)字量的實(shí)時(shí)獲取，提供模擬量采樣信號(hào)標(biāo)定用的數(shù)據(jù)。（4）人機(jī)交互界面。人機(jī)交互界面主要是由上述幾個(gè)模塊的前面板有機(jī)組合而成，除此之外需專門做些人性化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)界面的友好和美觀。測(cè)試系統(tǒng)軟件的總體架構(gòu)方案如圖3所示。

圖3 軟件架構(gòu)示意圖

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)程序大致是按照信息錄入、系統(tǒng)設(shè)置、測(cè)試、結(jié)果處理這樣一個(gè)流程執(zhí)行的，對(duì)于虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊，主程序是通過(guò)事件結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)用的，這雖然與Lab VIEW的數(shù)據(jù)流編程思路相沖突，但只要設(shè)計(jì)合理，就不僅能提高編程的靈活性，而且還會(huì)使程序得到優(yōu)化。

CAN總線模塊是與測(cè)試程序同時(shí)運(yùn)行的，可以看成是2個(gè)并行的線程。從進(jìn)入系統(tǒng)的一剎那，事實(shí)上CAN模塊就已開(kāi)始運(yùn)行，油溫及供油壓力即使在測(cè)試沒(méi)有開(kāi)始時(shí)也會(huì)實(shí)時(shí)顯示，這得益于CAN模塊程序的并行運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

與常規(guī)測(cè)試系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)：采用自己設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)發(fā)生器代替了以往的外置信號(hào)發(fā)生器，顯著降低了系統(tǒng)的成本；系統(tǒng)高度集成，如信號(hào)的發(fā)生、采集、處理、顯示、保存、回放等都是在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的；系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化水平，如實(shí)現(xiàn)了保存目錄的智能化、報(bào)表輸出的自動(dòng)化等；采用了CAN總線，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)實(shí)時(shí)的數(shù)字量標(biāo)定、校準(zhǔn)功能，實(shí)現(xiàn)了物理量的實(shí)時(shí)顯示功能。

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