基于PXI总线和RT实时系统的远程数据测量系统

文/郑鲁平 陈连忠 董永晖 林国胜

基于PXI总线和RT实时系统的远程数据测量系统

文/郑鲁平 陈连忠 董永晖 林国胜

PXI总线技术作为当前测量控制行业的通用技术，已经逐渐占据主流，其高速准确的测量控制方式和方便的分布式系统设计正在被广泛应用，RT实时系统的使用也为这一领域拓展了更多高效快捷的应用空间。本系统从硬件架构和软件编写方面介绍了基于PXI总线和RT实时系统下的远程数据测量，利用多线程技术通过TCP/IP通讯方式解决测量数据的远程采集问题；实践表明，该系统具有传输数据可靠、实时性强、成本较低和扩展性好等优点，具有一定的推广价值。

PXI总线 RT实时系统 多线程技术TCP/IP 数据采集 LabWindows/CVI

本文从硬件和软件两方面详细介绍了如何使用PXI总线结合RT实时操作系统搭配光纤技术解决上述问题的方法，以及达到系统要求的具体过程。

1 系统硬件构成

系统采用了美国NI公司提供的PXI总线信号采集处理器，采集板卡使用了M系列多功能数据采集卡，以及测量信号隔离调理箱和数据转换箱等设备。

数据采集系统主要测试装置和仪器设备指标和设计方案如下：

（1）通道数：128*3；（2）采集精度：16bit；

（3）采集频率：单通道采集>200kHz，全通道同时采集不小于10kHz。

1.1 现场测量系统组成

现场机箱采用了PXI-1042高性能8槽机箱；0槽控制器选用PXI-8102控制器，该控制器包括1.9GHz Inter Celeron 2 Duo T3100 实时嵌入式处理器，双通道800MHz DDR2 2GB内存，10/100/1000BaseTX以太网接口，硬盘更换为80G电子硬盘，防止现场强电磁导致的机械硬盘死机，USB、GPIB、串口及其他I/ O设备。采集板卡采用M-6224卡，单通道最高采样频率为250KHz；±1.25V到±10V的4类可编程电压输入范围；16BitA/D分辨率；32路单端/16路差分模拟量信号输入。

现场数据采集设备还包括采集信号隔离调理模块、以太网-光纤转换器、传输光缆、信号转换单元等部分组成。以太网-光纤转换器采用波士100/1000自适应模块来完成数据的收发。

现场系统设计在测试信号经传感器测量转换后，进入现场订制的信号调理端子箱，端子箱设计成防水箱体，能承受短时间喷淋，箱体上与传感器连接全部采用防水航插，保证信号连接可靠的同时也方便设备安装人员拆卸；信号端子箱内安装高频响信号隔离调理模块，该模块采用三路隔离方式，即信号的输入、输出和供电电源相互隔离，隔离电压高于1500v，保证了测试信号传输过程中对外部干扰信号和大电压脉冲信号的隔离；同时该模块将所有测试信号调理转换为4～20mA电流信号，进行远距离传输，进一步提高了测试信号的抗干扰性。

1.2 上位机测量系统组成

中控间测量系统采用研华高性能工控机 一 台（2.8 GHz Inter Core 2 Duo E7400，800MHz DDR2 4G内存，250G自备份双硬盘系统，4块100/1000Base 以太网卡），光纤-以太网转换器，与下位机组成C/S模式局域网，通过TCP/IP编程实现100Mbps光纤数据采集系统。

数据信号传输到中控间后，分别进入各以太网卡，通过系统的网络配置将各个网络连接一一对应，数据由工控机中编译的采集软件以TCP/IP数据编程方式将数据解包读出，并进行数据处理、计算和显示。

在硬件容量允许的情况下，该系统可以任意扩展以满足今后不同实验的要求。

2 系统通讯原理

在本系统中采用组建内部局域网的通讯方式，使用TCP/IP协议传输数据，上、下位机的IP地址需要设成一个网段，例如：分别将下位PXI采集处理机的IP地址设为：“192.168.1.X”，远程数据测量计算机的IP地址设为“192.168.1.Y”。通过各自独立编程，下位机配置为自动启动模式，预先上电运行数据采集程序，等待上位机的参数配置和采集开始命令，在上位机启动测量程序后，操作人员通过软件调用通讯连接指令，实现上下位机的数据连通，然后启动数据采集，通讯双方采用网络共享变量的方式来实现数据的传递。

3 系统软件设计

系统软件基于LabWindows/CVI 2009环境下开发，PXI采集处理软件在RT实时操作系统下完成编程和运行，软件需要解决软硬件的接口问题，硬件同步触发问题和数据的传输、校验保护等问题。

3.1 RT实时系统软件设计

基于RT实时系统下开发的下位机数据采集软件主要负责完成实验测量数据的实时采集、运算处理、打包通讯传输、存盘等任务，同时还要实时相应上位机下发的各条通讯指令，并对上位机的各条指令做出正确的应答。

由于数据采集系统硬件要求，为了能达到不同板卡间各通道数据采集同步，该系统软件采用了线程池多线程技术，即在程序运行开始，初始化和创建线程安全队列，各个不同的线程分配给不同的板卡为其数据采集开辟存储空间和提供A/D转换触发信号；在进行数据采集的同时，用另外的线程根据CVI封装的TCP/ IP通讯指令完成数据的传输，此方法有效的保证了上位机对数据的同步获取。

3.2 上位机数据采集软件设计

上位机软件主要根据具体实验要求进行设计，软件要求满足所有实验工位的测量要求，适应各个工位不同设备的测量状态，快速准确的进行各个工位之间的测量切换；

上位机系统软件运用异步定时器实现多线程技术，即在不同的异步时钟下完成测量数据的采集、计算处理和同步显示，并实时的通过通讯完成对下位机的指令传输和应答判断。

4 结束语

本文介绍了PXI总线结合RT实时操作系统搭配以太网光纤实现高速数据测量的方法，并讲述了该方案的具体设计思路和实施过程。现场调试和应用实践表明，这些技术可以很好的解决目前试验现场数据采集过程中的电磁干扰问题；同时简化了现场操作人员的接线工作量，降低了因操作失误和传统数据传输线路异常导致的数据测量失败；系统在保证了正常工作的同时，有效的防止了电磁脉冲对设备的毁损问题，极大的提高了工作效率并获得了较好的经济效益。

[1]刘君华主编,白鹏,贾慧琴等著.LabWindows/CVI虚拟仪器编程语言教程[M].北京：电子工业出版社,2001.

[2]汤晓军,郭会军著.基于LabWindows/ CVI虚拟仪器[M].北京：电子工业出版社,2003.

[3]王圣杰.电脑网络与数据通讯[M].北京：中国铁道出版社,2006.

[4]阳宪慧,徐用懋,魏庆福.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社,1998.

作者单位 中国航天空气动力技术研究院 北京市100074