基于LabVIEW和PXI的城市轨道车辆转向架测试系统.doc

基于LabVIEW和PXI的城市轨道车辆转向架测试系统摘要：为了能够快速准确地实现对城市轨道车辆转向架的性能测试，搭建了基于虚拟仪器编程语言LabVIEW和PXI总线测试技术的城市轨道车辆转向架测试平台。应用单线程多卡耦合循环软件架构和错误跟踪方法，保证了多数据采集卡的协调运行和测试系统的可靠性；采用双字节整数保存法优化实时数据的存储，消除了硬盘存储瓶颈。实际应用证明，该测试系统适应性强、可靠性高，使用方便、灵活，能够充分满足城市轨道车辆转向架的测试要求。关键词：LabVIEW；PXI；虚拟仪器；城市轨道车辆；转向架；单线程引言随着城市轨道车辆的迅猛发展，对其转向架的性能也要求越来越高。如何能够快速准确地测试转向架的性能成为城市轨道车辆发展的重要环节。在转向架测试中，需要测试的参数多达几十个甚至上百个。采用传统的测试技术不仅成本高昂、操作复杂，而且在系统扩展、数据处理和信息分析与共享等方面存在明显的缺陷。目前，基于微机硬件平台的虚拟仪器技术为解决上述问题开辟了新途径，并且得到了越来越广泛的应用。城市轨道车辆转向架测试平台采用PXI总线系统，使用LabVIEW编程语言，快速搭建的基于虚拟仪器技术的测试平台。1 系统硬件架构图1 系统硬件架构在城市轨道车辆转向架测试过程中，需要对64通道加速度、32通道应变和32通道电压信号进行实时高速采集。采用美国NI公司的PXI系列设备，构建如图1所示的系统硬件架构。这是一个由信号采集与调理模块（SCXI-1531、 SCXI-1520、SCB-100， PXI-1001为信号调理机箱）、PXI 数据采集卡（PXI-6070E、PXI-6071E，PXI-1000为PXI机箱）和PXI接口卡（PXI-8330，采用MXI-3技术）组成的数据实时采集系统。被测信号由信号采集与调理模块进行滤波、放大后送至PXI数据采集卡，经A/D转换后，通过PXI接口卡传送至主控计算机。采用PXI总线测试设备搭建测试系统的硬件架构，主要考虑其具有以下特点：信号调理机箱与PXI机箱的分体式结构可以有效地保证信号传输的可靠性。由于信号调理机箱可以最大限度地靠近信号源，能够及时地对被测信号进行滤波和放大，因此可将现场干扰对被测信号的影响降到最小，保证信号的真实性。采用基于PXI和MXI-3总线技术的测试设备，能够充分保证实时数据采样时的带宽要求。PXI总线具有最高可达132MB/s(32-bit，33MHz) 和264MB/s(64-bit，66MHz)的峰值数据吞吐率1；而MXI-3技术是一种高性能的最高可达1.5Gbits/s串行数据传送率的PCI总线之间的软硬件透明连接技术2。 可以增加测试系统的灵活性和通用性。由于PXI设备采用了标准模块化设计方法，可以使该测试系统能够根据不同的测试对象和测试要求进行方便地安装和拆卸，快速灵活地配置和搭建测试平台。提高了测试系统的适应性。PXI机箱和设备都具有牢固的接插端3，可以抵抗撞击与振动，能够满足各种测试环境对设备的要求。2 系统的软件设计“软件就是仪器”，软件设计已经成为了基于虚拟仪器技术的测试系统的关键环节。当信号以二进制数据传送至计算机后，需要对其进行分析和处理，实现“仪器”的功能。在该测试系统的软件开发中，采用LabVIEW作为编程语言。它具有简单易用、功能强大等优点，特别是它能与NI公司的硬件设备达到无缝结合，简化了对底层硬件的设置。转向架实时测试系统需要具有以下几个基本功能：（1）数据采集。即能够对被测信号进行实时准确的数据采集。（2）分析与控制。即能够对实时对被测数据进行转换和分析，监视各个传感器的工作状态，保证试验正确运行；能够对诸如传感器脱落等异常情况进行报警。（3）数据存储。即能够及时准确地将数据保存到硬盘，为实时测试之后更详尽的数据分析和被测对象评定的提供依据。（4）数据显示。即能实时显示各个被测信号的数值，可让测试人员更加详细地了解被测各参量的信息。3 软件整体架构的确立该转向架实时测试系统采用了如图2所示的单线程循环软件架构。由于LabVIEW可为PXI设备在内存中开辟了一块缓存4，二进制数据可不经CPU直接存入内存，所以该测试系统采用了循环结构，将数据从缓存中分块读出并加以处理。图2 系统软件架构转向架实时测试系统是一个以数据采集为核心的实时系统，除了数据显示重要性稍低外，其他各项任务（数据读取、分析与控制和数据存储）对于测试成功都起到非常重要的作用。采用单线程结构可以保证每个任务在一次数据采集循环中都能得到有效执行，既能满足数据的实时采集又能保证数据的完整存储，增强了测试的可靠性。与此同时，采用单线程结构也简化了流程控制，避免了多线程结构中各个任务之间的调度与控制的复杂问题。单线程循环结构也有利于动态调节数据采样频率。当信号采样速率（此速率通常由测试人员设定的）大于计算机所能达到的数据处理能力（数据分析和数据存储能力）时，通过采样速率控制模块，可以自动调节实时采样速率，使其能够与计算机的处理能力相适应；另一方面，当被设定的信号采样速率大于硬件设备所能达到的最高采样数据率时，也能够自动降低采样速率，与硬件设备所能达到的最高采样数据率保持一致。从而保证实时数据采集和处理的可靠运行，提高了测试系统的准确性和可靠性。4 采样速率控制采样速率控制指当测试系统无法满足测试设置要求时，动态调节实时采样速率，以发挥出测试系统最大效能的一种自动调节方法。它对解决数据采样频率与测试系统整体性能的一致性问题，实现测试系统的通用性和适应性具有重要意义。采样速率控制模块是实施采样速率控制的主体，它采用错误跟踪方式来实现对数据采样频率的动态调节。当信号采样速率大于计算机所能达到的数据处理能力时，从数据缓存读入的测试数据将在数据分析与控制模块和数据存储模块中占用更多的处理时间，无形中增大了数据采集循环的运行周期；而与此同时，实时采样数据却不断地的直接涌入数据缓存，根据单线程循环软件架构的特点，这将导致数据读取模块无法及时将采样数据从缓存中读出，最终产生数据缓存覆盖（旧数据未来得及读取就被新采样数据覆盖）错误（错误码为-108465）。另一方面，当被设定的信号采集速率大于硬件设备所能达到的最高采样速率时，将导致非正常采样速率错误（错误码为-10694和-10697）。通过对以上错误码进行捕捉和处理，就可动态调整数据采样频率了。图3为采样速率控制模块流程图。首先判断是否出现采样速率错误，即检测错误码是否为-10846、-10694和-10697。若出现以上错误之一，那么首先停止测试，然后对图3 采样速率控制流程图采样速率进行调整，最后再重新开始测试。在采样速率调整中，可根据制定好的算法适当降低采样速率。当然，经过一次调整后，采样速率未必能于测试系统的性能保持一致，有可能再次出现采样速率错误，不过由于采用了循环式软件架构（如图2所示），可以多次不断地调整采样速率，最终能达到或接近系统的最大采样速率。需要注意的是，有时操作系统某个临时任务有可能在较短的时间内占用了过多的系统资源，导致测试系统无法及时从缓存中读取数据而出现数据缓存覆盖错误，这时采样速率将被自动调整；当临时任务结束后，测试系统取回被占用的资源，但采样速率却无法回到原先的状态上。这不但造成数据采样频率的不稳定，而且也无法发挥出测试系统的最大效能，有可能影响到整个测试任务。为了解决上述问题，需要将数据缓存设置得较大一些，一般为采集速率的45倍，以此来最大限度地减缓各种不确定因素对测试系统资源的冲击，保持数据采样频率的稳定。5 数据存储使用LabVIEW提供的Profile VIs工具（位于菜单ToolsAdvancedProfile VIs）对如图2所示的各个模块运行时间进行监测6，发现数据存储模块占用了50%以上的系统运行时间（使用笔记本电脑进行数据采集时会更高）。这说明了该测试系统主要的运行瓶颈在于硬盘的存储速度较慢，因此对数据存储进行优化将大大提高测试系统的整体性能。在一般测试中，数据多被以单精度（Single）类型保存到文件。这种存储方式的优点是：由于将应变、加速度等被测量值直接存储到硬盘文件，存储过程简单，同时也方便了测试后数据分析和被测对象评定；这种存储方式也带来了相应的问题：由于每个测试数据都被以4字节单精度类型存储，在测试数据量较大时，无疑加大了数据存储负荷，占用了过多的系统时间。为了优化数据存储，在该测试系统中，每个测试数据被采用以双字节整数的方式存储到硬盘文件，这样将比上面采用的4字节实数方法减少一半的数据存储负荷。当然，这种存储方式也相应地要求保存每个通道的配置信息，如增益、电桥电压等，以便事后能真实地还原出的被测信号的量值。在如图2所示的软件架构中，测试准备模块负责将所有通道的各种配置信息保存到一个测试配置文件。在数据读取模块中（图4），数据读取VI（AI Read.vi）的输出数据类型被选择为Binary Array型，也就是说，读出的数据将是由12位数据采集卡传送过来的双字节整数数组。这样，在数据存储模块中，只要将此双字节整数数组直接存储到文件就可以了。实践证明，这种方法将实时数据采集时的硬盘存储负荷减少了将近50%，大大提高了系统的整体运行效率。6 多数据采集卡的协调运行图4 数据读取模块框图程序如图1所示，系统有PXI-6070E和PXI-6071E两块数据采集卡。不同的测试任务采用的板卡也不同，有时只用其中一块就够了，而有时两块板卡必须同时使用。如何实现多块板卡的协调运行是保证系统安全稳定运行和提高测试通用性的关键。在该测试系统中，采用多卡耦合循环处理的方式解决板卡间的协调运行问题，即在如图2 所示的各个模块中采用循环来分别对各个板卡进行操作和处理。图4所示为数据读取模块的框图程序，其以循环方式分别读取任务号数组（TaskIDsIn）所指定的各个板卡的数据缓存，实现多卡的数据读取耦合。这里的任务号数组是由测试准备模块中的与此类似的循环结构生成的，每个任务号（TaskID）对应于一个数据采集卡。值得注意的是，此程序中的循环次数N没有在编程时设定，而是由任务号数组的长度来动态决定的，因此循环是动态可控的；也就是说，在单采集卡时任务号数组的长度为1，双采集卡时任务号数组的长度为2，实现了循环次数与工作板卡数目的一致性。在其他测试模块中也都引用了这种动态循环处理模式，使得该测试软件在单采集卡、双采集卡和多采集卡下均能运行，从而极大提高该测试系统的适应性和扩展性。多采集卡协调的另一个关键问题是确定每次读取缓存的扫描数（scans）（一次扫描指对所有通道采集一次数据），即图4中的NumbersToRead。由于不同采集卡使用不同的采样速率，如果NumbersToRead设置不当，将导致部分采集卡的缓存覆盖，系统将无法正常工作。在该系统中，用统一的数据读取间隔时间与板卡采样速率的乘积作为NumbersToRead的值（这里的数据读取间隔时间是指两次读取数据缓存的最小时间间隔，它可由测试人员设定）。由于数据读取间隔时间相同，那么采样速率就与每次读取的扫描数严格成正比关系，也就是说，采样速率高的板卡对应的NumbersToRead值也相应的较大，因此有效地避免了采集卡的数据缓存覆盖，保证了测试系统的正常进行。7 数据的动态显示为了既节约系统资源又能动态显示数据及其变化趋势，该测试系统采用了如图5所示的显示界面：上半部为被选通道的时域波形及其功率谱的动态显示；下半部为所有通道在TabControl控件上的分类柱状显示。在柱状显示下面，每个通道都有一个选通按钮，如要查看此通道的数据变化趋势则可按下其选通按钮，则此通道的动态波形就会在界面上半部显示出来。图5 动态显示界面8 结束语在城市轨道车辆转向架的性能测试中，测试参数众多，数据采集量大。利用LabVIEW开发的基于PXI体系的城市轨道车辆转向架测试系统，经实践证明，性能优越、运行稳定可靠，为城市轨道车辆转向架测试提供了一个快速、准确、可靠的工具。参考文献1 PXI Specification M. PXI Systems Alliance, 2000.2 PXI-PCI 8330 Series User Manual M. National Instruments C