测控技术与虚拟仪器综合实验平台的设计

王 朕, 秦 亮, 肖支才

(海军航空大学 岸防兵学院, 山东 烟台 264001)

测控技术与虚拟仪器是自动化与仪器专业和测控专业的必修课程之一。PXI总线作为PCI总线在仪器领域的扩展,又吸取了VME总线、VXI总线和GPIB总线的特点和优点,以高性能、模块化、开放的架构,将台式PC的强大功能和价格优势与PCI总线面向测试领域的必要扩展完美结合起来,在自动化测试领域得到极为广泛的应用[1-2]。针对测控技术、虚拟仪器等相关课程特点,采用PXI总线开发了测控技术与虚拟仪器综合实验平台。该平台可以完成实验教学中相关课程既定的基础性和工程性实验,也可以为任职教育和研究生教育提供开放性的硬件资源和编程环境,用于完成自主性、创新性实验,从而在学员工程能力、创新能力、岗位任职能力的培养中发挥重要作用。

1 系统设计

测控技术与虚拟仪器综合实验平台由装有适配接口的便携式机箱、教学实验箱、航插连接电缆和配附件(键盘、鼠标、短接线、专用工具等)4部分组成(见图1)。该实验平台既可在自动模式下应用现有程序自动完成既定实验,也可以在手动模式下利用配附件和外部连线完成既定实验或自主设计实验。便携式机箱完成实验数据的输入、控制命令输出、界面显示、程序运行等功能；教学实验箱完成电机数据或温度数据的采集与控制、信号初步调理、信号通道转换、电源转换、电气保护等功能,实验数据通过3条航插电缆与便携式机箱进行交换。

图1 实验平台组成示意图

2 平台硬件设计

平台硬件主要由便携式机箱和教学实验箱组成。

2.1 PXI便携式机箱

PXI便携式机箱由12槽机箱本体PXI1061S和嵌入式零槽控制器、数字万用表、任意波形发生器、多功能数据采集卡、双口隔离RS232转换卡、双口隔离RS422/RS485转换卡、多路复用开关模块和适配接口组成(见图1),安装适配接口后的便携式机箱外形如图2所示。

图2 带适配接口的便携式机箱外形图

(1) PXI1061S 12槽便携式PXIe机箱。基于PXI总线架构的PXI1061S是一款集成了液晶屏、触摸屏和机箱的12槽3U PXIe/PXI平台,专为各种测试、测量应用而设计,其高带宽背板可提供每插槽高达1 GB/s(系统槽带宽达8 Gb/s、外围槽带宽达2 Gb/s)的专用带宽以满足高效运转需要。

(2) 嵌入式零槽控制器PXI4810。PXI4810是整个实验系统的控制中心,在实验系统中不仅用于测试数据的处理、显示和传输,而且也用于对机箱内的各个功能模块进行资源配置和管理。该零槽控制器采用酷睿i5双核处理器、2.7 GHz主频、4 GB RAM、256 GB内置硬盘,支持Windows7(32位)/Windows XP(32位)操作系统,具有1个DVI-1视频输出接口、1个10/100/1000 Base-TX自适应加固型网口、1个RS-232串口、4个高速USB2.0接口、1个TRIG接口和1个GPIB控制器。

(3) 数字万用表PXI4065。PXI4065是一款基于PXI总线的6.5位数字万用表,用于交直流电压/电流/电阻的测量。该模块可测量±300 V内的直流电压、±3 A内的直流电流、不大于300 Vrms的交流电压、不大于3 Arms的交流电流、不大于100 MΩ的两线电阻和不大于10 MΩ的四线电阻,可采用软件、外部数字或PXI总线3种触发方式中的任意一种。

(4) 任意波形发生器PXI3710。PXI3710是一款基于PXI总线的50 MSPS任意波形发生器,用于产生实验中所需的源信号。该模块单通道输出分辨率为16位；正弦波频率为2 mHz～20 MHz,方波频率为2 mHz～5 MHz,三角波、锯齿波和反锯齿波频率为2 mHz～1 MHz；输出信号峰峰值为20 mV～12 V(50 Ω负载)；偏置输出范围为±25%的峰峰值；任意波形/任意序列数据更新率为0.002 S/s～50 MS/s；板载波形内存容量31 MB个点；输出阻抗软件可选50 Ω或75 Ω。此外,还具有外部触发输入和路由功能,其触发模式包括单次、连续、步进、猝发；触发源包括立即触发、软件触发、PXITrig<0，…，7>触发、PXIStar触发、PFI0和PFI1触发。

(5) 多功能数据采集模块PXI4387A。PXI4387A是一款基于PXI总线的多功能数据采集模块,可完成模拟/数字信号的输入/输出功能,模块具有32路16位分辨率的模拟量输入通道、4路16位分辨率的模拟量输出通道、2个32位兼容TTL/COMS(5 V)定时计数器、32路静态数字I/O和16路可编程数字I/O。其中,模拟量输入通道输入范围共7个档位,单通道最大采样率2 MHz,最大扫描率1 MHz,直流精度优于0.1%,板载缓存共用4 MB采样点；模拟输出通道输出范围为±10 V、±5 V和±APFI<0，1>,其最大更新率1.25 MS/s,直流精度优于0.1%,板载缓存共用4 MB采样点；数字I/O电平兼容TTL/CMOS(5 V),最大采样率/更新率为10 MHz,板载缓存为16 MB(数字输入8 MB,数字输出8 MB)。

(6) 双口隔离RS232转换卡PXI5000I。PXI5000I用于演示、开发、验证RS232串行总线通信原理实验,该板卡有2个串口,具有回环测试、自测试和仪器控制等功能。双口之间的直流隔离电压达2 000 V,最大传输速率达1 Mb/s,支持标准(300、1 200、2 400 bit/s直到921 600 bit/s)和非标准波特率设置,内置128字节FIFO,且提供了Windows支持的标准函数。

(7) 双口隔离RS422/RS485转换卡PXI5001I。PXI5001I用于完成既定的步进电机和直流测速电机控制功能,该板卡有2个串口,也具有回环测试、自测试等功能。双口之间的直流隔离电压达2 000 V,最大传输速率达3 Mbit/s,支持标准(300、1 200、2 400 bit/s直到1 843 200 bit/s)和非标准波特率设置,内置128字节FIFO,且提供了Windows支持的标准函数。

(8) 多路复用开关模块PXI3017。PXI3017是一款基于PXI总线的多路复用开关模块,用于实验平台信号或数据通道的转换。该模块有128路通道,具有9种多路复用拓扑结构和3种矩阵拓扑结构；其开关继电器最大接触电阻为120 mΩ、直流电阻不大于2 Ω，最大开关功率为10 W，最大开关电压为200 V，最大开关电流为0.5 A，工作寿命(阻性负载测试条件)为1×106次。

(9)适配接口。适配接口是便携式机箱内各功能模块与教学实验箱之间的桥梁,便携式机箱内各功能模块的输入输出信号全部连接到3个航插的连接端子上。适配接口的一端与便携式机箱通过螺钉连接,另一端通过3根采用104针航空插头的航插电缆与教学实验箱相连,航插保证了信号连接的可靠性。此外,适配接口提供了1个10/100/1000 Base-TX自适应网口和2个USB2.0接口,这3个接口是PXI4810嵌入式零槽控制器对应接口的延伸。

2.2 教学实验箱

教学实验箱内部集成了由热敏电阻组成的温度传感器、光电传感器、小型直流电机、弹簧式固定连接器、万用表表笔插孔、自动和手动实验模式开关等,主要为实验系统提供传感器和被测控设备,方便师生使用便携式机箱内的功能模块完成温度、转速测量以及电机驱动和控制等实验。

实验箱由实验电路板和铝制外壳组成。实验电路板固定在铝制外壳内,铝制外壳左侧安装了3个104针(公头)的航插,后侧有220 V交流输入接口。

实验箱面板按功能分为10个区域(见图3):

128路开关通道(CH0—CH127)；

32路模拟量输入通道(AI0—AI31)；

4路模拟量输出通道(AO0—AO3)；

32路数字量输入/输出通道(P0.0—P0.31)；

16路可编程数字量通道(PFI0—PFI15)；

4路独立串口；

2路电源输出(+12 V、+5 V):

2个电机(直流电机和步进电机)驱动及测速接口；

电气信号(电压、电流、电阻)测量接口；

温度传感器等。

图3 教学实验箱实验面板图

3 软件平台

3.1 软件开发环境

实验平台是以LabWindows/CVI作为软件平台开发的,LabWindows/CVI是基于C/C++、专门用于虚拟仪器开发的可视化编程语言,将C语言与测控专业工具库很好地结合在一起,具有集成式开发平台、丰富的库函数和灵活的调试手段[3]。实验平台遵循“规范化、层次化、模块化、参数化”的软件开发理念,具有可实现实验仪器操作控制、数据处理分析、结果显示的系统操作界面,与虚拟仪器板卡、外接专用测试电路等硬件资源有机的融为一体,具有操作简单、功能开发、易于扩展升级和维护等优点[4-5]。

3.2 软件设计

综合实验平台的软件包含系统平台和实验平台两部分,如图4所示。

图4 软件平台组成示意图

3.2.1 系统平台

系统平台由资源管理平台和信息管理平台两部分组成。

资源管理平台主要用于管理或配置系统中的GPIB转换卡、串口卡和其他连接仪器,配置或升级仪器,以及搜索、管理局域网中的LAN仪器[6-7]。信息管理平台主要用于完成用户信息或数据的管理,如用户的添加与删除、各种实验数据的存储与管理、各种操作或实验文档的管理、帮助文件或实验成绩的管理等。

3.2.2 实验平台

实验平台包括基础性实验平台、工程性实验平台和创新性实验平台。

基础性实验平台用于课程的基础性实验,包括信号的频谱分析实验、信号的概率密度分析实验、信号的相关性分析实验、数字滤波器实验等。

工程性实验平台用于与课程相关的专业性实验,如虚拟仪器信号发生器开发实验、RS232/422/485串口通信总线原理验证与应用的串口通信应用实验[8-9]、PXI仪器与PXI总线应用的光电传感器测速实验[10-11]等。

创新性实验平台用于学员的自主开发/验证性实验,如设备的远程测控实验[12-13]、电子电路的故障诊断实验、ITEM文档开发实验等。

实验平台中的基础性实验和工程性实验都附有应用程序,学员既能够用自动模式(利用转换开关转换)完成实验,也能够以现有程序为参考采用手动模式单步完成实验；创新性实验平台既可作为学员深入学习课程的验证平台,也可以作为毕业设计或自动测试系统设计技能训练的平台。

实验平台软件主界面有3个主选单,分别为:基础性实验、工程性实验和帮助。基础性实验和工程性实验主选单下分别有4个和10个子选单,每个子选单对应一个实验项目。

4 应用

测控技术与虚拟仪器综合实验平台的便携式机箱(含适配接口)和教学实验箱的外形尺寸(长×宽×高)分别为620 mm×220 mm×380 mm和420 mm×350 mm×165 mm，重量分别为18 kg和7 kg,航插电缆、电源线、键盘、鼠标等配附件置于教学实验箱内,重量不超过3.5 kg。

该综合实验平台在多期、不同层次学员以及不同课程的应用中取得了很好的教学效果。图5所示为某期本科学员在“虚拟仪器”课程中完成的“信号发生器设计与开发”工程性实验的界面。该实验可完成正弦波、方波等标准波形或白噪声、随机信号等非标准波形的设置、采样与波形显示,加深了学员对PXI总线的理解、提高了虚拟仪器板卡PXI3710的运用能力。

图5 信号发生器设计与开发实验界面

通常,基础性实验和工程性实验为课程必须实验,创新性实验为选作或自主设计实验。该综合实验平台经多期使用后的统计(如表1所示)表明,在3类实验中,士官及本科层次学员应用该平台开展基础性和工程性实验较多,而任职教育和研究生层次学员应用该平台开展工程性和创新性实验较多,充分表明该平台对不同课程、不同层次学员具有良好的适用性。同时,该实验平台在本科学员毕业设计与工程意识培养、研究生学员创新能力培养、任职教育学员岗位任职能力及工程意识培养等方面均发挥了重要作用。

表1 实验平台使用统计 个

5 结语

基于PXI总线和LabWindow/CVI软件开发的测控技术与虚拟仪器综合实验平台有效服务于“自动测试技术”“虚拟仪器技术”等测控类专业课程的教学活动,提升了本科、士官、任职等不同层次学员的实践能力与综合素质。该综合实验平台保持对本专业领域最新成果(如远程测控、LAN仪器、LXI总线)的跟踪,在开拓学员视野的同时实现学员自主性、创新性实验设计与验证活动。该平台具有研究内容新颖、资源易于扩展、使用维护便捷等特点,可以满足对不同层次相关专业学员的培养及教学科研的需求。

[1] 雷利,马昌.基于PXI的航空发动机数据采集与处理系统[J].工程与试验,2015,55(2):91-94.

[2] 王朕,秦亮,王朝轰.基于PXI总线的便携式引进装备通用电路板故障诊断仪的设计[J].计算机测量与控制,2016,24(3):99-102.

[3] 王建新,隋美丽.LabWindows/CVI虚拟仪器测试技术及工程应用[M].北京:化学工业出版社,2015.

[4] 牛振,杨雷.基于PXI总线的舵机性能测试平台[J].计测技术,2016,36(1):38-40,63.

[5] 朱宏飞,杨光.基于PXI总线模块的智能测试系统的设计[J].计算机测量与控制,2013,21(11):2912-2914.

[6] 张华春,吕继宇,禹卫东.基于虚拟仪器的功率计控制设计[J].测试技术学报,2016,30(6):517-523.

[7] 马超,刘炜,金安旭,等.基于LabWindows/CVI的电能质量监测系统设计[J].测控技术,2016,35(10):97-100.

[8] 肖支才,王朕,聂新华.自动测试技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2016.

[9] 刘明文.基于LabVIEW平台编写的串口调试助手[J].地质装备,2016,17(2):30-32.

[10] 王朕,刘学锋,刘陵顺.基于AT89C51的电机转速测量仪的设计与实现[J].2009,30(5):19-21.

[11] 田金云,杨旭.一种简便的电机转速测量方法[J].宿州学院学报,2017,32(3):98-99.

[12] 汤宫民,刘福军,尹晓虎,等.面向服务的装备远程测试与故障诊断系统设计[J].价值工程,2016(17):214-216.

[13] 秦亮,王朕,张宗军,等.基于网络演算的远程测试系统实时性能分析[J].系统工程与电子技术,2017,39(7):1613-1619.