生产者/消费者模型架构在轴承试验器测试系统上的应用

王铁军 高杨 周易

摘要：航空发动机轴承是十分重要的部件，由于其工作环境的特殊性，需要对其进行十分严苛的部件试验和系统试验。部件试验中需要对轴承进行高转速、大扭矩等性能考核，要求试验器测试系统必须真实可靠的实时显示和存储试验数据。本文详细介绍了某型航空发动机轴承试验器测试系统的设计实现，以设计要求为依据，给出设计方案及其实现，同时将生产者/消费者模型架构应用于航空发动机轴承试验器的数据采集系统中，开发出了一套应用虚拟仪器LabVIEW技术平台搭建的试验测试系统，试验结果表明测试系统满足试验器的要求。

关键词：轴承试验器;虚拟仪器;生产者/消费者模型架构;测试系统

0  引言

轴承是航空发动机旋转部件重要的支撑单元，本文针对某型号发动机的高、低压转子轴承试验器设计搭建了一套测试系统。首先，依据试验器测试采集系统的设计要求，选用目前较为成熟的虚拟仪器技术，搭建软、硬件平台。其次，考虑到试验器测试系统的稳定性和可靠性，软件设计采用了生产者/消费者模型架构。最后通过试验对测试系统进行了验证。

1  试验器测试系统设计要求

本试验器的功能包括被试轴承由电主轴带动旋转，模拟发动机轴承的转速。被试轴承由液压加载系统加载，模拟发动机轴承的载荷。试验滑油系统给被试轴承提供润滑，通过给滑油油箱加温，对发动机轴承温度进行模拟。需要采集的测试信号如表1所示。

根据采集信号类型、范围及精度，选择相应传感器，搭建测试系统平台。测试系统主要由各种传感器、测试线缆、PXI数据采集平台、测试系统上位机等组成。测试系统组成如图1所示。

传感器信号经过隔离模块后由PXI数据采集平台进行采集，采集的数据通过光纤传输到上位机进行处理，隔离模块能够减少干扰信号对测试系统的冲击，并且能够将采集的信号转换成1V～5V的标准电压信号。为减少测试电缆用量，将PXI测试设备安放在设备现场控制柜中，测试计算机通过NI PXIe-PCIe8375在远端对PXI测试设备进行操控。PXIe-PCIe8375由PXIe8375和PCIe8375两块板卡组成，分别插入测试设备机箱和测控计算机机箱，两者通过光纤进行连接，可以实现PXI Express的PCI Express控制。

2  生产者/消费者模型架构

考虑到软件架构的稳定可靠，采用了基于生产者/消费者模型架构，设计开发了软件程序。生产者/消费者模型架构是经典的多线程并发程序设计模式，生产者生产一次产品，就会将产品放入缓冲区，直到缓冲区满了为止。当消费者进行消费的时候，需要从缓冲区中取出产品，如果缓冲区空了，就停止消费。实际开发设计中，允许有多个生产者同时生产产品，允许有多个消费者同时消费产品，通常缓冲区只有一个出口和入口，具有“先进先出”特点的阻塞队列是常见的缓冲区实现形式，就是先到的消费者，先取出产品进行消费。生产者/消费者模式的另外一个特点就是它可以根据生产者和消费者的工作能力来处理过程的平衡，可以提升整体处理数据的速度。

在生产者/消费者模型框架中队列技术得到了广泛地应用。队列技术可以确保数据有序地传输，避免产生竞争或者冲突，它是一种 First In First Out 的架构。在数据采集系统中，可以将数据采集和数据处理放在两个线程中执行，利用 LabVIEW多线程并发的执行特性。但是，当数据处理和数据采集速度不匹配时，可能会造成数据丢失，两者之间需要一个起到缓冲作用的中间介质，队列的出现就可以很好解决这个问题。另外，生产者和消费者两部分都应用了定时循环结构，可以有效控制数据的采集时间及数据存储时间间隔，有效解决了数据丢失等问题。

基于生产者/消费者构建的数据采集系统容易维护，方便对功能进行扩展，队列的数据传输方式既满足了数据缓存的需要，又提高了程序的效率。事件响应机制可以控制程序执行流程的改变，多通道数据的显示便于对各通道参数进行性能分析。

3  测试系统软件设计实现

利用LabVIEW多线程的并发执行策略，基于生产者/消费者模型开发了该轴承试验器测试程序，测试程序主要有数据采集、数据存储、数据显示、报警设定、历史查询、通道设定等功能模块组成。图2为功能模块调用程序，基于动态子VI（子程序）的方式，将多个函数功能模块整合到一起，动态调用。

4  试验结果

连续试验2小时，部分试验数据绘制成曲线如图3（a）至图3（c）所示。结果表明测试系统能够稳定可靠运行，可以有效测试试验过程中各参数的变化，满足设计要求。

5  总结

本文根据轴承试验器使用需求搭建了测试系统，根据功能划分，编写了相应的功能模块，并将生产者/消费者模型架构应用于测试软件編写中，使得程序中各功能模块能够以不同速率并行执行，有效提高了系统的采集速率。试验结果表明，该测试系统运行稳定可靠，可以连续对试验数据进行记录，测试精度符合要求。

参考文献：

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[2]唐进元，李松，邵文.基于LabVIEW生产者-消费者模式的齿轮传动振动测试系统[J].机械传动，2011（01）：5-7.

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