基于PXI總線技術的風電測控系統設計

嵌入式控制器
齒輪箱測試試驗標準要求試驗過程中每隔15min進行一次振動噪聲信號采集和實時頻域傅立葉分析，關心的頻率分辨率為0.5Hz，帶寬為20kHz，16次譜平均，對于振動信號需要進行頻帶能量計算，噪聲信號需要進行等效聲壓級計算。這就要求每次計算對時域振動噪聲信號以80kS/s采樣率采集2s，連續進行16次采集及計算。一次實時處理的程序代碼如圖4所示。
除上述振動噪聲采集計算外，處理器還要同時進行流程執行、環境參數采集、運動控制通信及數字I/O通信等多項任務，這對處理器的速度和內存提出了更高的要求。另外由于系統需要實時監控直流調速器以及電機運行狀態，控制器必須連續穩定運行，對危險狀況具備緊急決斷能力，因此為保證控制器的時間精確性和性能可靠性，在PXI-8106嵌入式控制器上運行實時操作系統，負責流程執行、數據采集、數據實時處理等時間緊急任務，使用TCP/IP協議通過千兆以太網卡與上位監控終端工控機進行通信，將配置、顯示、存儲、報表及查詢等非實時任務轉移到監控終端程序進行處理。
如果將監控終端應用程序和嵌入式實時控制器程序合并到一臺運行Windows操作系統的PC機（配置和PXI-8106相同）上運行，采集程序和圖4所示的計算代碼連續運行16次需要4～5min，計算過程中，資源基本耗盡，有時還會出現內存溢出的情況。系統應用程序在實時控制器中可獨立運行，保證高優先級的數據采集和控制任務優先執行，而且實時操作系統不需要外圍設備，單任務運行平臺，后臺程序和服務少，在這樣的系統設計保證下，內存和CPU資源得到分流，上述代碼執行16次僅需40s，應用程序的時間精確性和穩定性得到提高，另外由于運行在實時操作系統上的應用程序使用多線程技術編程，與監控終端的通信在計算執行過程中基本不受影響，系統的性能得到大大改善。

圖4 振動噪聲信號一次實時處理的程序代碼

信號電氣連接器
系統數據采集及控制部分基于PXI總線設計，具有設備高度集成模塊化特性及隨之帶來的靈活性和擴展性。為了保證整個系統的可擴展性、可更換性、維修簡易性，測試系統到現場傳感器執行器之間必須具備擴展性強、可靠性強的信號電氣連接器。
為實現測試系統資源與被測件測試信號的可靠連接，信號電氣連接器裝置必須具有測試要求的功率容率、信號頻率和使用壽命，由電氣連接器所引入的附加信號衰減和干擾必須控制在測試所允許的范圍內。
系統設計了混裝模塊連接器實現到現場的電氣連接。將信號分為環境參數、數字I/O信號及噪聲振動信號三組電氣連接，使用DIN標準外殼和鋁制框分別封裝，接口采用線簧連接器。插拔次數大于2萬次，具有模塊化可擴展性強、接觸電阻小、負載電流大、抗震性能好及插拔力輕等優點。使用耐高溫的高質量屏蔽線纜進行連接。
系統軟件設計
本系統的軟件使用LabVIEW開發。LabVIEW是高效圖形化應用開發環境，將簡單易用的圖形化開發方式與靈活強大的編程語言的優勢合二為一。系統分為監控終端程序和嵌入式控制器程序兩部分。