摘 要:虚拟仪器技术是指将通用计算机与功能化硬件模块结合起来,由用户根据需求自己定义和设计仪器,实现并扩展传统仪器的功能。本文介绍了一种基于LabVIEW的仿真激励器的实现方法。此仿真激励器模拟现实中的开关控制继电器给出仿真激励,输出前面板中设定的模拟数值,将采集到的离散信号显示在前面板中,通过RS422总线模拟模块间的通信状态,并能够存储和回放数据波形。
关键词:虚拟仪器 LabVIEW RS422
任何系统从研制到实际应用之前,都必须在地面进行多次的试验,直至该系统的功能、性能以及可靠性达到设计的要求。现代的系统对数据处理的能力越来越高,而传统的测试测量仪器在数据处理、存储、显示、分析和传输的局限性,使其很难完成对现代大部分系统的测试测量任务。而仪器系统与计算机软件技术的紧密结合,使得传统仪器的概念得以突破,出现了一种全新的仪器概念——虚拟仪器。
虚拟仪器技术是指将通用计算机与功能化硬件模块结合起来,由用户根据需求自己定义和设计仪器,实现并扩展传统仪器的功能。与传统仪器相比,虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性价比、可操作性等方面具有明显的技术优势,广泛应用于测试测量领域。
图1 仿真激励器的前面板
实验室虚拟仪器工作台(LabVIEW)是一个图形化编程环境,它本身内置了许多用于模拟、测试、数据采集、数据分析处理等功能的库文件[1]。配合使用一些相关的用于控制、测试和数据采集的板卡,我们可以很容易地建立一个拥有专业的、友好的、图形化界面的测试系统。使用LabVIEW可以很方便的设计用户界面,无需编写任何编程代码,只需要在控件栏中找到相应的控件放置在前面板中。在LabVIEW中创建的图形应用程序被称为虚拟仪器(VIS),因为其外观和功能的“模仿”真正的仪器:示波器、电压表、电流表、函数发生器等[2]。
基于LabVIEW的仿真激励器,是完全根据测试任务需求进行开发的。在系统设计之初,各个系统模块接口不可避免的经常需要修改以完善某些功能,这时候应用传统测试仪器进行测试就显得非常困难。而对虚拟仪器而言,当其他模块接口有变化需要扩展功能时,只需要适当修改虚拟仪器的软件部分,这极大的方便了系统的测试。
图3 采集数字信号的程序框图
应用LabVIEW设计的仿真激励器的前面板如图1所示。整个系统按功能特性在3个选项卡中被分为5个模块,分别为供电系统、燃油系统、液压系统、机电管理系统以及RS-422通信模块。仿真激励器可以向上位机输出模拟信号和数字信号作为上位机的激励,同时也可以获取主机发来的数据信号显示在前面板上。通过RS422总线,仿真激励器向上位机发送在前面板设定的油量油耗等数据信息,同时接收来自上位机的信息显示在前面板中。
1 模拟输出
LabVIEW中最先使用的多功能数据采集(DAQ)驱动被称为NI-DAQ。NI-DAQm x是美国国家仪器最新的、新一代的数据采集驱动。NI-DAQmx中采用一种全新的驱动架构和API,应用新的虚拟仪器和开发包控制NI-DAQ设备[3]。安装NI-DAQmx后,运行Measurement&Automation打开MAX,通过简单的配置,我们可以很容易地驱动D AQ设备。
仿真激励器可以输出蓄电池容量、发电机电流、温度以及压力值。当在前面板中给出各模拟数值后,仿真激励器通过NIPXI-6704板卡输出模拟值。NI PXI-6704板卡是一个16位的静态更新模拟输出模块。它能够同时独立的输出16路电压和16路电流,以及8路数字I/O。每路输出范围均为±10V或者0～20mA[5]。
1.1 蓄电池容量和发电机电流模拟仿真
在输入控件输入电流值和持续时间,点击确定按钮后,蓄电池容量将显示在数值显示控件中,并且开始以输入的时间为基准进行倒计时。当时间减为零时,蓄电池将停止输出。程序框图如图2所示。通过DAQmx创建通道函数配置好通道后,DAQmx读取函数读取设置好的蓄电池容量转换成的电压值,由DAQmx开始任务函数向外输出模拟电压。
发电机电流模拟仿真同蓄电池容量模拟仿真类似。在前面板的数值输入控件中输入电流值,点击确定按钮后,电流值将输出。
1.2 压力参数模拟仿真
在前面板各对应的压力参数中输入数值点击确定按钮后,相应的压力参数将会输出。压力参数通过子函数按照对应关系首先转换成相应的电压信号,然后DAQmx读取函数以数组形式读取该电压信号,最后通过DAQmx任务开始函数给出输出。
2 数字量输入输出模拟仿真
前面板中的开关按钮模拟现实中的按钮控制NI PXI-2569继电器模块。NI PXI-2569继电器模块是100路通用开关模块继电器,在一个单一的PXI插槽中拥有100个闭锁继电器。通过打开关闭按钮操作,向主机输出有效信号激励。
图2 蓄电池容量模拟仿真程序框图
NI PXI-6511模块是用于PXI系统的6 4通道隔离数字输入接口。通过NI-DAQmx简单配置,可以非常方便的完成数据采集任务。配置好信号通道后,由DAQmx读取函数以数组形式读取由主机发来的数字信号,通过数组索引将各信号状态显示在前面板中。程序框图如图3所示。
图4 应用子面板技术回放数据
图5 RS422通信模块前面板
3 数据存储和回放
为了方便以后观察各开关的触发时间以及持续时间,故将各信号的动作状态存储下来,然后用数字波形图读取出来。为了实现这一功能,首先应该设置存储波形数据的存储路径,然后点击开始记录按钮后,进入存储模式。在未选择存储路径前,开始记录按钮将处于禁用状态。
因为开关按钮有很多,所以我们将它们按功能分组后分类存储,这样同时可以方便波形数据回放。这些离散的信号采用L abVIEW专有的TDMS格式存储。这种二进制的TDMS文件格式具有格式转换方便、内在结构简单、高数据流的特点,使得它不需要复杂和昂贵的数据结构设计和维护。
离散数字数据通过TDMS按组名称和通道名称写入函数写入,所以对应的便可以使用TDMS按组名称和通道名称读取函数读取数据波形,显示在数字波形图中。因为界面的大小是有限的,不可能显示所有的波形数据,所以这里应用子面板技术实现所谓的动态显示。点击不同的按钮,只调用相关联的子函数,将波形数据显示在前面板中。为了更方便观察开关的动作时间,在前面板中给出了缩放、拖动、游标功能。动态显示前面板如图4所示。
4 RS422通信模块
RS422通信模块仿真激励器与主机间的通信,向主机发送信息并接收主机下传的信息。在油量、油耗、温度输入控件中输入的数值将按照预先定以好的数据包格式通过RS422总线发送至主机,同时将接收到的信息按解包协议解包显示在前面板中。在LabVIEW中,RS422通信由其自带的VIS A驱动实现。通过VISA串口配置函数配置好串口后,VISA读取、写入函数便可以接收、发送字符串。接收下传的字符串时,在接收循环中最好使用LabVIEW中while循环的反馈节点功能,用以拼接新接收到的字符串和没来得及解包的字符串,避免数据包的缺失。RS422通信模块的前面板如图5所示。
5 结语
虚拟仪器技术的核心思想是“软件即仪器”,正是这一思想使得其在测试测量领域取得越来越广泛的应用。本文设计的基于LabVIEW的仿真激励器具有开发周期短、灵活性高、可扩展性强的优点,很好的完成了某机电系统的测试任务。
