生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型架構(gòu)在軸承試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)上的應(yīng)用

王鐵軍 高楊 周易

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承是十分重要的部件，由于其工作環(huán)境的特殊性，需要對(duì)其進(jìn)行十分嚴(yán)苛的部件試驗(yàn)和系統(tǒng)試驗(yàn)。部件試驗(yàn)中需要對(duì)軸承進(jìn)行高轉(zhuǎn)速、大扭矩等性能考核，要求試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)必須真實(shí)可靠的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文詳細(xì)介紹了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以設(shè)計(jì)要求為依據(jù)，給出設(shè)計(jì)方案及其實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型架構(gòu)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，開發(fā)出了一套應(yīng)用虛擬儀器LabVIEW技術(shù)平臺(tái)搭建的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)試系統(tǒng)滿足試驗(yàn)器的要求。

關(guān)鍵詞：軸承試驗(yàn)器;虛擬儀器;生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型架構(gòu);測(cè)試系統(tǒng)

0? 引言

軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件重要的支撐單元，本文針對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的高、低壓轉(zhuǎn)子軸承試驗(yàn)器設(shè)計(jì)搭建了一套測(cè)試系統(tǒng)。首先，依據(jù)試驗(yàn)器測(cè)試采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用目前較為成熟的虛擬儀器技術(shù)，搭建軟、硬件平臺(tái)。其次，考慮到試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，軟件設(shè)計(jì)采用了生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型架構(gòu)。最后通過試驗(yàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1? 試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本試驗(yàn)器的功能包括被試軸承由電主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的轉(zhuǎn)速。被試軸承由液壓加載系統(tǒng)加載，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的載荷。試驗(yàn)滑油系統(tǒng)給被試軸承提供潤(rùn)滑，通過給滑油油箱加溫，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度進(jìn)行模擬。需要采集的測(cè)試信號(hào)如表1所示。

根據(jù)采集信號(hào)類型、范圍及精度，選擇相應(yīng)傳感器，搭建測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)。測(cè)試系統(tǒng)主要由各種傳感器、測(cè)試線纜、PXI數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)等組成。測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。

傳感器信號(hào)經(jīng)過隔離模塊后由PXI數(shù)據(jù)采集平臺(tái)進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行處理，隔離模塊能夠減少干擾信號(hào)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的沖擊，并且能夠?qū)⒉杉男盘?hào)轉(zhuǎn)換成1V～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。為減少測(cè)試電纜用量，將PXI測(cè)試設(shè)備安放在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制柜中，測(cè)試計(jì)算機(jī)通過NI PXIe-PCIe8375在遠(yuǎn)端對(duì)PXI測(cè)試設(shè)備進(jìn)行操控。PXIe-PCIe8375由PXIe8375和PCIe8375兩塊板卡組成，分別插入測(cè)試設(shè)備機(jī)箱和測(cè)控計(jì)算機(jī)機(jī)箱，兩者通過光纖進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)PXI Express的PCI Express控制。

2? 生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型架構(gòu)

考慮到軟件架構(gòu)的穩(wěn)定可靠，采用了基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型架構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)了軟件程序。生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型架構(gòu)是經(jīng)典的多線程并發(fā)程序設(shè)計(jì)模式，生產(chǎn)者生產(chǎn)一次產(chǎn)品，就會(huì)將產(chǎn)品放入緩沖區(qū)，直到緩沖區(qū)滿了為止。當(dāng)消費(fèi)者進(jìn)行消費(fèi)的時(shí)候，需要從緩沖區(qū)中取出產(chǎn)品，如果緩沖區(qū)空了，就停止消費(fèi)。實(shí)際開發(fā)設(shè)計(jì)中，允許有多個(gè)生產(chǎn)者同時(shí)生產(chǎn)產(chǎn)品，允許有多個(gè)消費(fèi)者同時(shí)消費(fèi)產(chǎn)品，通常緩沖區(qū)只有一個(gè)出口和入口，具有“先進(jìn)先出”特點(diǎn)的阻塞隊(duì)列是常見的緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)形式，就是先到的消費(fèi)者，先取出產(chǎn)品進(jìn)行消費(fèi)。生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式的另外一個(gè)特點(diǎn)就是它可以根據(jù)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的工作能力來處理過程的平衡，可以提升整體處理數(shù)據(jù)的速度。

在生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型框架中隊(duì)列技術(shù)得到了廣泛地應(yīng)用。隊(duì)列技術(shù)可以確保數(shù)據(jù)有序地傳輸，避免產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)或者沖突，它是一種 First In First Out 的架構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可以將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理放在兩個(gè)線程中執(zhí)行，利用 LabVIEW多線程并發(fā)的執(zhí)行特性。但是，當(dāng)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)采集速度不匹配時(shí)，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，兩者之間需要一個(gè)起到緩沖作用的中間介質(zhì)，隊(duì)列的出現(xiàn)就可以很好解決這個(gè)問題。另外，生產(chǎn)者和消費(fèi)者兩部分都應(yīng)用了定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)，可以有效控制數(shù)據(jù)的采集時(shí)間及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間間隔，有效解決了數(shù)據(jù)丟失等問題。

基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)容易維護(hù)，方便對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展，隊(duì)列的數(shù)據(jù)傳輸方式既滿足了數(shù)據(jù)緩存的需要，又提高了程序的效率。事件響應(yīng)機(jī)制可以控制程序執(zhí)行流程的改變，多通道數(shù)據(jù)的顯示便于對(duì)各通道參數(shù)進(jìn)行性能分析。

3? 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

利用LabVIEW多線程的并發(fā)執(zhí)行策略，基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型開發(fā)了該軸承試驗(yàn)器測(cè)試程序，測(cè)試程序主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警設(shè)定、歷史查詢、通道設(shè)定等功能模塊組成。圖2為功能模塊調(diào)用程序，基于動(dòng)態(tài)子VI（子程序）的方式，將多個(gè)函數(shù)功能模塊整合到一起，動(dòng)態(tài)調(diào)用。

4? 試驗(yàn)結(jié)果

連續(xù)試驗(yàn)2小時(shí)，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖3（a）至圖3（c）所示。結(jié)果表明測(cè)試系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，可以有效測(cè)試試驗(yàn)過程中各參數(shù)的變化，滿足設(shè)計(jì)要求。

5? 總結(jié)

本文根據(jù)軸承試驗(yàn)器使用需求搭建了測(cè)試系統(tǒng)，根據(jù)功能劃分，編寫了相應(yīng)的功能模塊，并將生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型架構(gòu)應(yīng)用于測(cè)試軟件編寫中，使得程序中各功能模塊能夠以不同速率并行執(zhí)行，有效提高了系統(tǒng)的采集速率。試驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以連續(xù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，測(cè)試精度符合要求。

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