基于PXIe的远程虚拟测控教学设备的开发

张春鹏，汪 珺，刘 罡，徐 斌，王锡明

（合肥学院 机械工程系，安徽 合肥 230601）

测试技术在机械专业中是一门专业性、抽象性较强的课程.学生在学习过程中普遍反映内容抽象，尤其是信号从时域描述到频域描述的转换，理解困难，这将对学生以后的学习产生较大的影响.针对以上问题，利用校园网络，结合NI公司的LabVIEW虚拟仪器软件、PXIe硬件测试平台和自制的振动信号源，研究并开发出PXIe总线环境下的远程振动测试教学设备.让教师和学生在授课过程中，利用网络远程操控该系统，现场演示同一信号在不同域内的具体波形表现.使得抽象原理生动化和琐碎知识系统化，激发学生学习兴趣、培养学生自学和动手能力、规范学生科学思维、强化学生科研范式[1].

1 振动测试教学设备的设计

1.1 总体设计思想

该设备拟通过互联网实现远程实时实验及硬件仪器共享.教师或学生通过个人电脑等终端，利用LabVIEW自带的网页发布功能，通过校园网，启动基于PXIe总线的PXIExpress自动化测试平台，从而完成远程实验.

PXIe总线简介.PXI(PCI Express for Instrumentation)由NI公司于1997年率先提出[2].PXIe基于Compact PCI标准，增加了时钟和同步触发总线，但其核心仍然是PCI总线.PXI Express相对PXI最显著的改进和优势就在于它融入PCI Express的特点，采用串行传输，点到点的总线拓扑结构.不同于PXI在所有总线设备间分享带宽，PXI Express为每一个设备提供单独的传输通道.同时它所增加的时钟和同步触发信号以及拥有特殊的接口物理特性使得其在测量、通信、工业自动化等领域拥有更大的技术优势.[3]

（1）利用背板的PCI Express技术，同时保留了与PXI模块的软件和硬件的兼容性，PXIe总线将PXI总线的可用宽度从132MB/s提升到8GB/s，带宽提升了90倍以上.[4]

（2）PXIe总线提供更高的数据带宽和更低的总线延迟，大大提升了振动测量数据、视频数据的传输能力，完成各模块的集中承载和数据交换，具有较好的灵活性[4-5].

（3）振动测试教学设备的硬件资源均有较大设计裕量，且支持升级扩展，系统可以根据实际需要进行重构和扩展.

1.1.1 硬件结构设计

该设备采用以NI-PXIe架构为核心的硬件体系.如图1所示，涵盖了振动测量、转速控制、视频监控等3种功能，由遵守PXIe总线标准的机箱、控制器模块、振动测量模块、运动控制模块及图像采集等模块组成.

图1 振动测试教学设备的硬件结构

（1）采用PXIe总线架构的3U标准机箱PXIe-1085，机箱共计18插槽，槽1为系统插槽，用于安装PXIe-8135控制器；槽2-9、槽11-18共16个槽为混合插槽；槽10为PXIe系统定时插槽.[6]

（2）机箱配有工业级交流电源，在0℃-55℃总功率为925W，每个槽则提供38.25W，无降额，均独立散热.机箱背板上有三个风扇，控制器通过智能控制系统可以监控整个机箱的状态.

（3）控制器基于PXIe总线，包含两个10/100/1000BASE TX（千兆位）以太网端口、两个SuperSpeed USB端口和四个高速USB端口以及一个集成硬盘驱动器、串行端口和其他外设I/O，采用Windows操作系统

（4）板卡主要使用PXIe-4499声音与振动采集卡、PXIe-1435图像采集卡、PXI-7358运动控制模块等，这些模块均遵循PXIe规范，具有良好的兼容性[7].

1.1.2 实时测量部分设计

根据本教学设备的设计目的及实际的教学、实验使用需求分析，要求每一时刻只允许一位用户掌握远程控制权，应采用瘦客户体系，故实时测量部分采用Browser&NI Web Server结构.使用PXIe-1085机箱及嵌入的PXIe-8135高性能控制器作为NI Web Server与Application Server，足以满足设计要求.

2 振动测试教学设备的技术实现

2.1 硬件部分

根据图1所示的硬件结构图，设计并开发出了相关实物，如图2所示.该振动测试教学设备通过以下四个模块实现硬件设计，并利用LabVIEW软件实现程序设计.

图2 设备实物

2.1.1 振动测量模块

振动测量模块硬件部分主要由PXIe-4499声音和振动采集卡及IMISENSORS公司生产的603C01工业压电式加速度计组成.其中，PXIe-4499为16通道声音和振动采集卡，具有24位模拟输入和IEPE恒定电流信号调理，采样率为204.8kS/s，114dB，4个增益，交流/直流耦合，可对所有通道进行同步采样.主要用于对传感器的输出信号进行放大、调理和分析.振动传感器采用美国IMI SENSORS公司生产的603C01型工业振动传感器，内置放大器，IEPE电流激励，灵敏度为100Mv/g,频率范围为0.58～60000Hz，非线性度为±1%，横向灵敏度≤5%，[8]采用磁座安装方式固定在被测物体表面.主要用于采集被测信号.

2.1.2 转速控制模块

转速控制模块主要由PXI-7358运动控制板卡、UMI-7774接口、AKD P01206伺服驱动器及AKM12E伺服电机组成.通过Lab-VIEW软件读取伺服电机本身自带的编码器数据，从而测得伺服电机转速，并控制电机旋转速度，从而带动自制振动源形成振动信号.

2.1.3 视频监控模块

视频监控模块主要由PXIe-1435图像采集卡和Basler aviator Camera Link面扫描相机组成.通过该模块，可以在个人终端上观察振动源的运行情况，以及所选取的振动测量点的位置.

2.1.4 控制器模块

PXIe 8135作为该教学设备的控制器模块，为设备提供稳定的操作环境，并用于连接及控制以上各个模块.控制器模块内部集成了CPU、内存、固态硬盘、千兆以太网、VGA、高速USB、串行端口等芯片，以及其他外设I/O，从而实现本机或异地人机交互.

2.2 程序设计

图3 前面板

利用LabVIEW软件进行编程，程序框图采用顺序结构编写，内嵌While循环结构及条件结构，同时利用Vision Acquisition Express VI及频谱测量Express VI快速实现信号的采集、分析及显示功能.当程序运行时，通过前面板的相应控件按钮来控制伺服电机的启停及旋转速度的调节、传感器的工作以及图像采集等动作,最终把振动信号及齿轮旋转情况显示在屏幕上.其前面板如图3所示.

3 设备运行结果及展望

该设备实际运行结果如图4所示.在前面板框图上，用鼠标点击“电机”“传感器”“相机”“停止”等控件（控件被激活后，颜色发生变化），可以成功的实现伺服电机的启停控制，传感器信号的采集，视频监控信号的显示.同时把采集到的自制振动源上某一点处的被测信号在时域、频域内的波形显示在前面板上，并可以监控振动源的运行情况.该设备应用在教学过程中收到了较好的效果.学生普遍反映，对信号在不同域内的描述有了深刻的认识.同时，通过远程控制，在课余时间进行实验，提高了学习效率，激发了学习兴趣.设备达到了设计目的.

图4 运行结果

利用虚拟仪器技术，在LabVIEW图形化编程环境下，结合NI公司的硬件，可以快速地设计、开发各种测控设备，具有设计灵活，开发周期短，人机交互界面良好的特点[9].例如，PXIe-4499声音和振动采集卡具有16通道，接入相关传感器并编程，即可在该设备上进行多通道的振动、噪声采集实验；装入断齿的齿轮，可以进行齿轮故障远程诊断等实验，拓展了虚拟仿真实验教学范围、丰富了虚拟仿真实验教学内容，提高了实际动手能力.