虚拟仪器环境下PXI总线远程测控系统研究

引言

    随着计算机技术和通讯技术的不断发展，网络技术已经渗透到仪器领域。虚拟仪器和网络化测控技术是现代化测量的重要标志。传统的测控系统存在以下几个方面的不足:自动化程度低，操作复杂，可靠性差，故障率高;对于测试数据未能进行及时和必要的综合与分析，不能充分利用历次的数据;不能及时分析排除测试过程中出现的问题;不能实现对整个测控系统的监控以及技术和数据资源的共享。针对一般的测试系统无法满足以上几点需求的情况，本文提出一种基于PXI的远程测控系统方案，目的就是满足系统各种信号的采集与调理、测试数据的分析、存储与管理共享。

1 系统构成

    1.1 PXI简介

    PXI是一种专为工业数据采集与自动化应用量身定制的模块化仪器平台，具备机械、电气与软件等多方面的专业特性。PXI(PCI eXtension for Instrumentation) 总线技术依据于工业标准的PCI总线是一种新型的模块化仪器系统，PXI产品具有技术指标和性能价格比高、功能强、结构灵活、技术更新快以及易于系统集成和网络化等优点。PXI提供了较多的扩展槽，有很强的I/O能力，增加了触发总线，用于高速定时的系统参考时钟，用于进行多板同步的星形触发总线及相邻仪器模板进行高速通讯的局部总线。利用PXI产品可以在较短周期内开发出理想的计算机测控仪器系统。

    1.2 系统硬件设计

    考虑工业生产中涉及到多种传感器的数据采集和仪器驱动，同时也存在着对传感器参数的调整和生产现场恶劣等因素，因此整个测控系统的硬件结构必须充分体现该系统的柔性特点，要求有很强的适应性。同时，为了保证信号采集的稳定性及可靠性，采用基于PXI总线的系统架构完成对各种监测信号的采集。系统选用PXI-1010机箱，PXI-8176嵌入式控制器、信号采集及调理模块SCXI-1102和SCXI-1125、PXI数据采集卡PXI-6070及PXI-6040E，可根据需要进行扩展。针对旋转设备状态监测和故障诊断的需要，整个系统的设计既要注意到当前信息特征变化规律，又要注意到故障发生、发展过程。为此系统采用如图1所示的4层结构。

图1 系统硬件框图

    第1层数据采集系统。由多路振动信号并行采集卡、工艺参数(温度、电压、电流等)采集卡、转速采集卡、数/模转换输出控制卡以及相应的信号切换、调理电路组成。利用振动、温度、电压、电流等监测传感器在线获取机组运行状态信息，且对于振动信号利用转速信号实现整周期同步采集。

    第2层状态监测系统。使用具有PXI架构的嵌入式控制器实现各项运行参数的监测。主要对设备的振动烈度及振动各主要频率分量进行监测，判断设备运行是否正常，实现异常工控自动报警。该层具有故障初步诊断功能，以满足运行工程师的需要。

    第3层故障诊断系统。由一台通用计算机构成，主要实现复杂的频谱分析及设备运行趋势预测。该子系统接受第2层实时监视模块的初步分析结果，利用第2层获得的监测信息进行各种数字信号分析以判断机组的工况状态、故障状态及远程诊断。在设备因故障停机时，对设备运行历史进行回放及各种分析。

    第4层远程监测及诊断系统。该层通过企业内部局域网及Internet实现多台设备的分布式远程监测。

    1.3系统软件设计

    现在的应用开发平台很多，主要有NI公司的LabVIEW图形化开发平台和测量软件工作组件，NI公司的LabWin2dows/CVI可视化开发平台，Agilent公司的HP-VEE图形化开发平台，Microsoft公司的VisualC++及VisualBasic可视化开发组件等。选用LabVIEW系统作为系统开发软件平台。LabVIEW是美国NI公司推出的应用于测控领域优秀的软件开发工具，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环境中，是一种基于图形编程的开放式软件开发平台。系统的软件结构如图2所示。

图2 系统软件结构示意图

    虚拟仪器系统软件中最靠近硬件的是设备驱动软件。为了支持其丰富的硬件接口设备，美国国家仪器公司提供了各种标准的设备驱动程序。这些驱动程序是应用软件与硬件接口之间的桥梁，用于实现对系统中硬件设备的控制。系统的各个软件模块都是在LabVIEW环境下开发的。在信号采集模块中设定采样的通道号和设备号，采样数据通过PXI总线写入内存;PXI-8176控制器控制整个系统的运行，实现数据的采集、显示、实时传送和分析，同时利用以太网接口，通过通讯和数据发布模块，实现与其他分析系统或网络的互联。

2 网络监控的实现

    2.1 基于DataSocket技术网络测控的实现

    网络化远程测控工程应用的关键技术问题之一就是测控数据在网上的发布和共享。NI公司推出的DataSocket技术是一种基于TCP/IP协议、面向测量和自动化工程的网上实时高速数据交换的编程新技术。采用DataSocket可以方便地实现在网络或本机上的各种应用程序之间对现场数据(livedata)的共享。DataSocket整合了各种已有的用于测量或自动化的通讯协议，可以提供比TCP/IP更高层的编程接口。DataSocket通过内部的数据自描述格式提供自由的数据传输格式，可以直接传送字符串形式、数据量化形式、布尔值形式的数据或者直接对采集到的波形进行传输，省去了数据转换的大量工作。[page]

    DataSocket由两个主要部分组成，即DataSocket API和DataSocket Sever。DataSocket API提供独立的接口，用于不同语言平台内部多种数据类型通读;DataSocketSever通过自己内部对TCP/IP的优化和管理简化了Internet通讯方式。

    DataSocket封装了网络底层通信协议，对外提供资源定位接口和功能调用接口，通过资源定位符(URL)对数据的传输目的地进行定位，读数据时为源地址，写数据时为目的地址。在资源定位符中标明了数据的传输协议、网络计算机标识和数据缓冲区变量。其结构示意图如图3所示。

图3 DataSocket资源定位符的结构示意图

    DataSocket在读数据文件时支持Text、txt、wave和dsd格式;在写数据文件时仅支持Text和dsd格式，它支持的数据结构有字符型、整型、布尔型及数组型等。

    DataSocket支持的数据传输协议包括:DSTP(DataSocketTransportProtocol)传送方式，HTTP传送方式，FTP传送方式，OPC(Windows OLE for Pr ocess Control)传送方式，Windows logos 传送方式以及Local file传送方式。本系统采用DSTP协议方式，这是DataSocket技术专门支持的通信协议，可以传输各种类型的数据，同时满足了实时性和安全性的指标要求。具体实验过程中，系统以多功能转子实验台为监测对象，信号由传感器经信号经调理电路调理，利用NI公司的PXI-6040E数据采集模块进行数据采集，进入由PXI-8176控制器构成的服务器里，存储原始数据。将编写的网络通信程序(DataSocketWrite、DataSocketRead)分别装入现场计算机和远程数据服务器，通过校园局域网实现互联。

    2.2 基于G Web Sever的远程监控实现

    G Web Sever可以将LabVIEW环境下设计的虚拟仪器前面板发布到Intranet或Internet上，结合LabVIEW提供的CGIVis和CGIAnimations编程工具，可以在浏览器中实现启动、停止、参数传递、密码保护等用户交互功能，以静态图像(snap)和动态图像(monitor)显示所发布的VI，对试验对象进行远程监控。在将程序发布到网络上之前可进行网络的权限设置以增强网络的安全性。系统工作于远程监控状态时的界面如图4所示。

图4 使用浏览器进行远程监控

3 系统的特点

    3.1系统特点

    系统通过PXI测试平台和LabVIEW的编程环境来实现。PXI无论从机械性能、电气特性还是软件及价格方面都有其独特的优势;LabVIEW图形化开发环境功能强大，界面友好，操作简单直观。因此，本系统充分利用二者的优势，具备了以下应用特点:

    (1)实现采样通道的同步和系统实时性。目前的网络技术虽然已经非常成熟，但是互联网所采用的技术基本上都是异步的，而对于实时性要求较高的测控系统，传统的测试系统已经不能够满足系统数据的有效性和可靠性传输。利用PXI的触发总线则可以实现多通道的同时采集，并且保持很高的采样速率;可以实现同步几个不同PXI模块上的同一操作，或者通过一个PXI模块可以控制统一系统中其他模块上一系列操作的时间顺序。为了准确地响应正在被监控的外部异步事件，可以将触发从一个模块传给另一个模块。

    (2)传统的测试系统需要相关人员自己制作外围的信号调理电路板和控制电路板，该系统提供了SCXI信号调理模块，不但可以用于信号调理，还可以利用其I/O口来实现控制，这样就省去了大量的工作，并且结构简单，兼容性强，可靠性好。

    (3)由嵌入式的控制器组成的计算机系统一方面是管理系统的客户机，又是现场测试设备的主控机。测试系统嵌入Internet技术，可以进行远程测量、调控和数据共享。

    (4)系统模块采用统一总线标准设计，易于扩展，兼容性好;设备维护简单，开发和维护费用低;技术更新速度快。

    (5)系统软件界面直观，利于分析、诊断和报警;开放性、可移植性好。

    3.2有待解决的问题

    (1)远程监控诊断通过网络传输信息，对大量的实时监测数据必须进行处理和取舍。如何保证传输必要和充分的振动、温度等信息是一个核心技术问题。

    (2)系统现有的诊断机制只能对一些常见故障做出分析，如何完善该机制使之成为开放式诊断专家系统也是有待解决的问题。

4 结束语

    网络化的测控系统是未来测控技术的必然发展方向，它的灵活性、实时性和开放性对测控技术的发展产生极大的推动作用。本文利用LabVIEW开发的基于PXI总线的远程测控系统具有很强的适应性。随着计算机技术的发展和信息技术的深入，基于虚拟仪器和网络技术的测量网络会发挥越来越广泛的作用。