基于LabVIEW和PXI的測控平臺(圖)

前言
　　工程設(shè)計(jì)和研究開發(fā)需要大量復(fù)雜的試驗(yàn)，常常需要把各種設(shè)備組合在一起構(gòu)成統(tǒng)一的測試平臺。在實(shí)驗(yàn)室熱工水力學(xué)測控平臺中不但需要許多設(shè)備，而且需要模擬和仿真許多設(shè)備。這樣做不但可減少投資和運(yùn)行成本，也為加快試驗(yàn)進(jìn)度提供了必要條件，計(jì)算機(jī)和虛擬儀器技術(shù)在構(gòu)建這種平臺過程中發(fā)揮了巨大作用。

測控平臺的結(jié)構(gòu)
　　根據(jù)虛擬儀器和對等網(wǎng)絡(luò)的思想，采用ni公司的labview和pxi系列產(chǎn)品組建成了熱工水力學(xué)測控平臺，平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。這是一個(gè)由pxi數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、pci板卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、pcmcia板卡數(shù)采系統(tǒng)和gpib儀器系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)可以單獨(dú)使用，也可以組合使用，非常適合于各類實(shí)驗(yàn)室。
　
　　熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)有四個(gè)大型熱工實(shí)驗(yàn)臺架，每個(gè)臺架都有大量的溫度、壓力、流量等熱工參數(shù)，還有輔助的電壓、電流、功率等信號。采用pxi和mxi技術(shù)，形成圖2所示的測量系統(tǒng)。pxi系統(tǒng)靠近實(shí)驗(yàn)臺架，通過mxi光纜將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的pxi系統(tǒng)和控制室的pc主控機(jī)連接起來，所以大量的信號傳輸線都位于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，雖然數(shù)量很多，但長度很短，這樣既節(jié)約了大量費(fèi)用，又有利于抗干擾。四個(gè)實(shí)驗(yàn)臺架共用一套便攜式pxi－mxi系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)配置合理、成本低、利用率高，大大地提高了實(shí)驗(yàn)水平和效率。

先進(jìn)的熱工測量技術(shù)
依托l(wèi)abview軟件包強(qiáng)大的信號處理功能，開發(fā)了基于頻率信號流量計(jì)的流量測量和仿真分析系統(tǒng)、自然循環(huán)兩相流不穩(wěn)定測量和仿真系統(tǒng)、相關(guān)技術(shù)測量流量和仿真系統(tǒng)，以及基于g web服務(wù)器的熱電偶校驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)。

　　實(shí)驗(yàn)室中大量使用渦街和渦輪流量計(jì)，流量信號是近似正弦波的頻率信號，頻率大小代表了流量的大小。由于實(shí)驗(yàn)室中電場、磁場相互影響和50hz電網(wǎng)干擾，其測量精度受到很大影響，往往達(dá)不到流量傳感器本身的精度。利用labview信號處理包中super resolution spectral est的pcar power spectrum等模塊，開發(fā)出基于頻率信號的流量計(jì)流量測量和仿真分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可作流量測量用，又可作為仿真分析用，達(dá)到優(yōu)化測量方法，實(shí)現(xiàn)了高精度流量測量，具有所需采樣點(diǎn)數(shù)少、分辨率高和抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　兩相流特性和兩相流不穩(wěn)定研究是熱工水力學(xué)學(xué)科的研究前沿，采用labview信號處理包中super resolution spectral est的pcar power spectrum等模塊，開發(fā)出自然循環(huán)兩相流不穩(wěn)定性測量和仿真分析系統(tǒng)，為深入研究兩相流不穩(wěn)定性問題提供了先進(jìn)的測量和分析工具。

　　應(yīng)用相關(guān)技術(shù)測量流量是先進(jìn)的流量測量技術(shù)，它利用流體攜帶的某種特征信號，對載流管道相距l(xiāng)位置上的檢測信號x(t)和y(t)作相關(guān)處理來確定流體的運(yùn)動(dòng)速度，即流體的流量。

　　利用labview軟件庫中signal processing的cross correlation等模塊，即可容易地開發(fā)出相關(guān)技術(shù)流量測量分析系統(tǒng)。在熱工實(shí)驗(yàn)中，流體的溫度和電導(dǎo)等信號都可作特征信號用，由相關(guān)函數(shù)rxy最大值可知，信號y(t)比信號x(t)延遲時(shí)間τ，根據(jù)兩個(gè)測點(diǎn)之間的距離l,即可得到流體的流速w=l/τ。

　　用labview軟件庫中g(shù) web服務(wù)器等模塊，開發(fā)出遠(yuǎn)程控制的熱電偶校驗(yàn)系統(tǒng)，用戶可以通過瀏覽器對現(xiàn)場的校驗(yàn)監(jiān)控程序進(jìn)行操作，例如設(shè)定恒溫溫度，采集設(shè)備和通道號等參數(shù)。

基于labview的熱工仿真技術(shù)
　　熱工仿真技術(shù)主要是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、熱工水力學(xué)原理、數(shù)值計(jì)算方法和虛擬熱工儀表技術(shù)，進(jìn)行傳熱學(xué)和流體力學(xué)方面的數(shù)值模擬，即用計(jì)算機(jī)進(jìn)行熱工實(shí)驗(yàn)，達(dá)到（或基本達(dá)到）與熱工水力學(xué)過程一致的結(jié)果和高可視化的數(shù)據(jù)表達(dá)，用來進(jìn)行工程性實(shí)驗(yàn)預(yù)測和估計(jì)，達(dá)到優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，提高水平和效率，提高工程建設(shè)的可行性和經(jīng)濟(jì)性的目的。

　　“模塊化與組合”的方法是用labview開發(fā)熱工仿真程序的基本方法之一。所謂“模塊化”就是對基本的熱工對象的特征屬性以及其熱工過程的計(jì)算方法進(jìn)行封裝，形成一個(gè)獨(dú)立的、可復(fù)用的基本模塊，此模塊既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以通過合理的聯(lián)接與其他基本模塊組合運(yùn)行；所謂“組合”就是根據(jù)各個(gè)基本模塊輸入?yún)?shù)的類型以及相互關(guān)系對其進(jìn)行聯(lián)接，前一個(gè)模塊的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過合理的處理后，作為后一個(gè)模塊的輸入?yún)?shù)，通過數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)整個(gè)程序的運(yùn)行，從而完成由簡單的基本模塊組成復(fù)雜仿真系統(tǒng)的過程，如圖3所示。

　　1．模塊化
　　熱工對象模塊是labview開發(fā)熱工仿真程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。要搭建一個(gè)具有基礎(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)的基本熱工對象模塊，首先需要對一個(gè)熱工對象的特征及屬性的進(jìn)行總結(jié)、提煉，抽取其中的共同屬性作為模塊的輸入?yún)?shù)、中間隱含參數(shù)或是輸出參數(shù)，然后建立這些參數(shù)的物理關(guān)系，并以數(shù)學(xué)模型表達(dá)這些關(guān)系；必要的時(shí)候再根據(jù)需要輔以適當(dāng)?shù)妮o助計(jì)算模塊和對象的特性參數(shù)，從而形成一個(gè)完整且可以復(fù)用的基礎(chǔ)熱工對象模塊。當(dāng)模塊應(yīng)用于仿真程序時(shí)，它就成為程序框圖中的一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”。

　　2．組合
　　labview的運(yùn)行是由數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的。簡單地說，就是只有當(dāng)所有輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)都已經(jīng)準(zhǔn)備好的時(shí)候，一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”才能執(zhí)行其功能，當(dāng)“節(jié)點(diǎn)”的流程執(zhí)行完后，其所有的輸出端都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)值，傳給下一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”的輸入端。

　　這種數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行方式使用戶“組合”各個(gè)基本熱工對象模塊的過程變得更加容易，因?yàn)橛脩艨梢詫?shí)際的物理過程中的能量、質(zhì)量的流動(dòng)映射成數(shù)學(xué)模型中相應(yīng)的數(shù)據(jù)流動(dòng)，所以用戶在編程過程中就可以根據(jù)實(shí)際的物理過程中各個(gè)熱工對象之間的關(guān)系來聯(lián)接各個(gè)基本的熱工對象模塊。

　　其仿真程序的框圖如圖5所示，為了清晰的顯示上面所述的組合結(jié)構(gòu)，這里隱去了程序框圖中的一些模塊的部分參數(shù)。

　　3．熱工仿真程序系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
根據(jù)“模塊化與組合”這個(gè)基本思想，所設(shè)計(jì)的基于labview開發(fā)熱工仿真程序系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

結(jié)論
　　應(yīng)用美國ni公司的labview和pxi等先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，將虛擬儀器和對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)熱工參數(shù)的測量和控制，開發(fā)成功了多項(xiàng)先進(jìn)的熱工測量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)，拓寬了熱工測控平臺的功能。