虛擬儀器環境下PXI總線遠程測控系統研究

引言

隨著計算機技術和通訊技術的不斷發展，網絡技術已經滲透到儀器領域。虛擬儀器和網絡化測控技術是現代化測量的重要標志。傳統的測控系統存在以下幾個方面的不足:自動化程度低，操作復雜，可靠性差，故障率高;對于測試數據未能進行及時和必要的綜合與分析，不能充分利用歷次的數據;不能及時分析排除測試過程中出現的問題;不能實現對整個測控系統的監控以及技術和數據資源的共享。針對一般的測試系統無法滿足以上幾點需求的情況，本文提出一種基于PXI的遠程測控系統方案，目的就是滿足系統各種信號的采集與調理、測試數據的分析、存儲與管理共享。

1 系統構成

1.1 PXI簡介

PXI是一種專為工業數據采集與自動化應用量身定制的模塊化儀器平臺，具備機械、電氣與軟件等多方面的專業特性。PXI(PCI eXtension for Instrumentation) 總線技術依據于工業標準的PCI總線是一種新型的模塊化儀器系統，PXI產品具有技術指標和性能價格比高、功能強、結構靈活、技術更新快以及易于系統集成和網絡化等優點。PXI提供了較多的擴展槽，有很強的I/O能力，增加了觸發總線，用于高速定時的系統參考時鐘，用于進行多板同步的星形觸發總線及相鄰儀器模板進行高速通訊的局部總線。利用PXI產品可以在較短周期內開發出理想的計算機測控儀器系統。

1.2 系統硬件設計

考慮工業生產中涉及到多種傳感器的數據采集和儀器驅動，同時也存在著對傳感器參數的調整和生產現場惡劣等因素，因此整個測控系統的硬件結構必須充分體現該系統的柔性特點，要求有很強的適應性。同時，為了保證信號采集的穩定性及可靠性，采用基于PXI總線的系統架構完成對各種監測信號的采集。系統選用PXI-1010機箱，PXI-8176嵌入式控制器、信號采集及調理模塊SCXI-1102和SCXI-1125、PXI數據采集卡PXI-6070及PXI-6040E，可根據需要進行擴展。針對旋轉設備狀態監測和故障診斷的需要，整個系統的設計既要注意到當前信息特征變化規律，又要注意到故障發生、發展過程。為此系統采用如圖1所示的4層結構。

圖1 系統硬件框圖

第1層數據采集系統。由多路振動信號并行采集卡、工藝參數(溫度、電壓、電流等)采集卡、轉速采集卡、數/模轉換輸出控制卡以及相應的信號切換、調理電路組成。利用振動、溫度、電壓、電流等監測傳感器在線獲取機組運行狀態信息，且對于振動信號利用轉速信號實現整周期同步采集。

第2層狀態監測系統。使用具有PXI架構的嵌入式控制器實現各項運行參數的監測。主要對設備的振動烈度及振動各主要頻率分量進行監測，判斷設備運行是否正常，實現異常工控自動報警。該層具有故障初步診斷功能，以滿足運行工程師的需要。

第3層故障診斷系統。由一臺通用計算機構成，主要實現復雜的頻譜分析及設備運行趨勢預測。該子系統接受第2層實時監視模塊的初步分析結果，利用第2層獲得的監測信息進行各種數字信號分析以判斷機組的工況狀態、故障狀態及遠程診斷。在設備因故障停機時，對設備運行歷史進行回放及各種分析。

第4層遠程監測及診斷系統。該層通過企業內部局域網及Internet實現多臺設備的分布式遠程監測。

1.3系統軟件設計

現在的應用開發平臺很多，主要有NI公司的LabVIEW圖形化開發平臺和測量軟件工作組件，NI公司的LabWin2dows/CVI可視化開發平臺，Agilent公司的HP-VEE圖形化開發平臺，Microsoft公司的VisualC++及VisualBasic可視化開發組件等。選用LabVIEW系統作為系統開發軟件平臺。LabVIEW是美國NI公司推出的應用于測控領域優秀的軟件開發工具，它內置信號采集、測量分析與數據顯示功能，將廣泛的數據采集、分析與顯示功能集中在了同一個環境中，是一種基于圖形編程的開放式軟件開發平臺。系統的軟件結構如圖2所示。

圖2 系統軟件結構示意圖

虛擬儀器系統軟件中最靠近硬件的是設備驅動軟件。為了支持其豐富的硬件接口設備，美國國家儀器公司提供了各種標準的設備驅動程序。這些驅動程序是應用軟件與硬件接口之間的橋梁，用于實現對系統中硬件設備的控制。系統的各個軟件模塊都是在LabVIEW環境下開發的。在信號采集模塊中設定采樣的通道號和設備號，采樣數據通過PXI總線寫入內存;PXI-8176控制器控制整個系統的運行，實現數據的采集、顯示、實時傳送和分析，同時利用以太網接口，通過通訊和數據發布模塊，實現與其他分析系統或網絡的互聯。

2 網絡監控的實現

2.1 基于DataSocket技術網絡測控的實現

網絡化遠程測控工程應用的關鍵技術問題之一就是測控數據在網上的發布和共享。NI公司推出的DataSocket技術是一種基于TCP/IP協議、面向測量和自動化工程的網上實時高速數據交換的編程新技術。采用DataSocket可以方便地實現在網絡或本機上的各種應用程序之間對現場數據(livedata)的共享。DataSocket整合了各種已有的用于測量或自動化的通訊協議，可以提供比TCP/IP更高層的編程接口。DataSocket通過內部的數據自描述格式提供自由的數據傳輸格式，可以直接傳送字符串形式、數據量化形式、布爾值形式的數據或者直接對采集到的波形進行傳輸，省去了數據轉換的大量工作。