基于PXI總線和RT實時系統的遠程數據測量系統

文/鄭魯平 陳連忠 董永暉 林國勝

基于PXI總線和RT實時系統的遠程數據測量系統

文/鄭魯平 陳連忠 董永暉 林國勝

PXI總線技術作為當前測量控制行業的通用技術，已經逐漸占據主流，其高速準確的測量控制方式和方便的分布式系統設計正在被廣泛應用，RT實時系統的使用也為這一領域拓展了更多高效快捷的應用空間。本系統從硬件架構和軟件編寫方面介紹了基于PXI總線和RT實時系統下的遠程數據測量，利用多線程技術通過TCP/IP通訊方式解決測量數據的遠程采集問題；實踐表明，該系統具有傳輸數據可靠、實時性強、成本較低和擴展性好等優點，具有一定的推廣價值。

PXI總線 RT實時系統 多線程技術TCP/IP 數據采集 LabWindows/CVI

本文從硬件和軟件兩方面詳細介紹了如何使用PXI總線結合RT實時操作系統搭配光纖技術解決上述問題的方法，以及達到系統要求的具體過程。

1 系統硬件構成

系統采用了美國NI公司提供的PXI總線信號采集處理器，采集板卡使用了M系列多功能數據采集卡，以及測量信號隔離調理箱和數據轉換箱等設備。

數據采集系統主要測試裝置和儀器設備指標和設計方案如下：

（1）通道數：128*3；（2）采集精度：16bit；

（3）采集頻率：單通道采集>200kHz，全通道同時采集不小于10kHz。

1.1 現場測量系統組成

現場機箱采用了PXI-1042高性能8槽機箱；0槽控制器選用PXI-8102控制器，該控制器包括1.9GHz Inter Celeron 2 Duo T3100 實時嵌入式處理器，雙通道800MHz DDR2 2GB內存，10/100/1000BaseTX以太網接口，硬盤更換為80G電子硬盤，防止現場強電磁導致的機械硬盤死機，USB、GPIB、串口及其他I/ O設備。采集板卡采用M-6224卡，單通道最高采樣頻率為250KHz；±1.25V到±10V的4類可編程電壓輸入范圍；16BitA/D分辨率；32路單端/16路差分模擬量信號輸入。

現場數據采集設備還包括采集信號隔離調理模塊、以太網-光纖轉換器、傳輸光纜、信號轉換單元等部分組成。以太網-光纖轉換器采用波士100/1000自適應模塊來完成數據的收發。

現場系統設計在測試信號經傳感器測量轉換后，進入現場訂制的信號調理端子箱，端子箱設計成防水箱體，能承受短時間噴淋，箱體上與傳感器連接全部采用防水航插，保證信號連接可靠的同時也方便設備安裝人員拆卸；信號端子箱內安裝高頻響信號隔離調理模塊，該模塊采用三路隔離方式，即信號的輸入、輸出和供電電源相互隔離，隔離電壓高于1500v，保證了測試信號傳輸過程中對外部干擾信號和大電壓脈沖信號的隔離；同時該模塊將所有測試信號調理轉換為4～20mA電流信號，進行遠距離傳輸，進一步提高了測試信號的抗干擾性。

1.2 上位機測量系統組成

中控間測量系統采用研華高性能工控機 一 臺（2.8 GHz Inter Core 2 Duo E7400，800MHz DDR2 4G內存，250G自備份雙硬盤系統，4塊100/1000Base 以太網卡），光纖-以太網轉換器，與下位機組成C/S模式局域網，通過TCP/IP編程實現100Mbps光纖數據采集系統。

數據信號傳輸到中控間后，分別進入各以太網卡，通過系統的網絡配置將各個網絡連接一一對應，數據由工控機中編譯的采集軟件以TCP/IP數據編程方式將數據解包讀出，并進行數據處理、計算和顯示。

在硬件容量允許的情況下，該系統可以任意擴展以滿足今后不同實驗的要求。

2 系統通訊原理

在本系統中采用組建內部局域網的通訊方式，使用TCP/IP協議傳輸數據，上、下位機的IP地址需要設成一個網段，例如：分別將下位PXI采集處理機的IP地址設為：“192.168.1.X”，遠程數據測量計算機的IP地址設為“192.168.1.Y”。通過各自獨立編程，下位機配置為自動啟動模式，預先上電運行數據采集程序，等待上位機的參數配置和采集開始命令，在上位機啟動測量程序后，操作人員通過軟件調用通訊連接指令，實現上下位機的數據連通，然后啟動數據采集，通訊雙方采用網絡共享變量的方式來實現數據的傳遞。

3 系統軟件設計

系統軟件基于LabWindows/CVI 2009環境下開發，PXI采集處理軟件在RT實時操作系統下完成編程和運行，軟件需要解決軟硬件的接口問題，硬件同步觸發問題和數據的傳輸、校驗保護等問題。

3.1 RT實時系統軟件設計

基于RT實時系統下開發的下位機數據采集軟件主要負責完成實驗測量數據的實時采集、運算處理、打包通訊傳輸、存盤等任務，同時還要實時相應上位機下發的各條通訊指令，并對上位機的各條指令做出正確的應答。

由于數據采集系統硬件要求，為了能達到不同板卡間各通道數據采集同步，該系統軟件采用了線程池多線程技術，即在程序運行開始，初始化和創建線程安全隊列，各個不同的線程分配給不同的板卡為其數據采集開辟存儲空間和提供A/D轉換觸發信號；在進行數據采集的同時，用另外的線程根據CVI封裝的TCP/ IP通訊指令完成數據的傳輸，此方法有效的保證了上位機對數據的同步獲取。

3.2 上位機數據采集軟件設計

上位機軟件主要根據具體實驗要求進行設計，軟件要求滿足所有實驗工位的測量要求，適應各個工位不同設備的測量狀態，快速準確的進行各個工位之間的測量切換；

上位機系統軟件運用異步定時器實現多線程技術，即在不同的異步時鐘下完成測量數據的采集、計算處理和同步顯示，并實時的通過通訊完成對下位機的指令傳輸和應答判斷。

4 結束語

本文介紹了PXI總線結合RT實時操作系統搭配以太網光纖實現高速數據測量的方法，并講述了該方案的具體設計思路和實施過程。現場調試和應用實踐表明，這些技術可以很好的解決目前試驗現場數據采集過程中的電磁干擾問題；同時簡化了現場操作人員的接線工作量，降低了因操作失誤和傳統數據傳輸線路異常導致的數據測量失敗；系統在保證了正常工作的同時，有效的防止了電磁脈沖對設備的毀損問題，極大的提高了工作效率并獲得了較好的經濟效益。

[1]劉君華主編,白鵬,賈慧琴等著.LabWindows/CVI虛擬儀器編程語言教程[M].北京：電子工業出版社,2001.

[2]湯曉軍,郭會軍著.基于LabWindows/ CVI虛擬儀器[M].北京：電子工業出版社,2003.

[3]王圣杰.電腦網絡與數據通訊[M].北京：中國鐵道出版社,2006.

[4]陽憲慧,徐用懋,魏慶福.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社,1998.

作者單位 中國航天空氣動力技術研究院 北京市100074