測控技術與虛擬儀器綜合實驗平臺的設計

王 朕, 秦 亮, 肖支才

(海軍航空大學 岸防兵學院, 山東 煙臺 264001)

測控技術與虛擬儀器是自動化與儀器專業和測控專業的必修課程之一。PXI總線作為PCI總線在儀器領域的擴展,又吸取了VME總線、VXI總線和GPIB總線的特點和優點,以高性能、模塊化、開放的架構,將臺式PC的強大功能和價格優勢與PCI總線面向測試領域的必要擴展完美結合起來,在自動化測試領域得到極為廣泛的應用[1-2]。針對測控技術、虛擬儀器等相關課程特點,采用PXI總線開發了測控技術與虛擬儀器綜合實驗平臺。該平臺可以完成實驗教學中相關課程既定的基礎性和工程性實驗,也可以為任職教育和研究生教育提供開放性的硬件資源和編程環境,用于完成自主性、創新性實驗,從而在學員工程能力、創新能力、崗位任職能力的培養中發揮重要作用。

1 系統設計

測控技術與虛擬儀器綜合實驗平臺由裝有適配接口的便攜式機箱、教學實驗箱、航插連接電纜和配附件(鍵盤、鼠標、短接線、專用工具等)4部分組成(見圖1)。該實驗平臺既可在自動模式下應用現有程序自動完成既定實驗,也可以在手動模式下利用配附件和外部連線完成既定實驗或自主設計實驗。便攜式機箱完成實驗數據的輸入、控制命令輸出、界面顯示、程序運行等功能；教學實驗箱完成電機數據或溫度數據的采集與控制、信號初步調理、信號通道轉換、電源轉換、電氣保護等功能,實驗數據通過3條航插電纜與便攜式機箱進行交換。

圖1 實驗平臺組成示意圖

2 平臺硬件設計

平臺硬件主要由便攜式機箱和教學實驗箱組成。

2.1 PXI便攜式機箱

PXI便攜式機箱由12槽機箱本體PXI1061S和嵌入式零槽控制器、數字萬用表、任意波形發生器、多功能數據采集卡、雙口隔離RS232轉換卡、雙口隔離RS422/RS485轉換卡、多路復用開關模塊和適配接口組成(見圖1),安裝適配接口后的便攜式機箱外形如圖2所示。

圖2 帶適配接口的便攜式機箱外形圖

(1) PXI1061S 12槽便攜式PXIe機箱?；赑XI總線架構的PXI1061S是一款集成了液晶屏、觸摸屏和機箱的12槽3U PXIe/PXI平臺,專為各種測試、測量應用而設計,其高帶寬背板可提供每插槽高達1 GB/s(系統槽帶寬達8 Gb/s、外圍槽帶寬達2 Gb/s)的專用帶寬以滿足高效運轉需要。

(2) 嵌入式零槽控制器PXI4810。PXI4810是整個實驗系統的控制中心,在實驗系統中不僅用于測試數據的處理、顯示和傳輸,而且也用于對機箱內的各個功能模塊進行資源配置和管理。該零槽控制器采用酷睿i5雙核處理器、2.7 GHz主頻、4 GB RAM、256 GB內置硬盤,支持Windows7(32位)/Windows XP(32位)操作系統,具有1個DVI-1視頻輸出接口、1個10/100/1000 Base-TX自適應加固型網口、1個RS-232串口、4個高速USB2.0接口、1個TRIG接口和1個GPIB控制器。

(3) 數字萬用表PXI4065。PXI4065是一款基于PXI總線的6.5位數字萬用表,用于交直流電壓/電流/電阻的測量。該模塊可測量±300 V內的直流電壓、±3 A內的直流電流、不大于300 Vrms的交流電壓、不大于3 Arms的交流電流、不大于100 MΩ的兩線電阻和不大于10 MΩ的四線電阻,可采用軟件、外部數字或PXI總線3種觸發方式中的任意一種。

(4) 任意波形發生器PXI3710。PXI3710是一款基于PXI總線的50 MSPS任意波形發生器,用于產生實驗中所需的源信號。該模塊單通道輸出分辨率為16位；正弦波頻率為2 mHz～20 MHz,方波頻率為2 mHz～5 MHz,三角波、鋸齒波和反鋸齒波頻率為2 mHz～1 MHz；輸出信號峰峰值為20 mV～12 V(50 Ω負載)；偏置輸出范圍為±25%的峰峰值；任意波形/任意序列數據更新率為0.002 S/s～50 MS/s；板載波形內存容量31 MB個點；輸出阻抗軟件可選50 Ω或75 Ω。此外,還具有外部觸發輸入和路由功能,其觸發模式包括單次、連續、步進、猝發；觸發源包括立即觸發、軟件觸發、PXITrig<0，…，7>觸發、PXIStar觸發、PFI0和PFI1觸發。

(5) 多功能數據采集模塊PXI4387A。PXI4387A是一款基于PXI總線的多功能數據采集模塊,可完成模擬/數字信號的輸入/輸出功能,模塊具有32路16位分辨率的模擬量輸入通道、4路16位分辨率的模擬量輸出通道、2個32位兼容TTL/COMS(5 V)定時計數器、32路靜態數字I/O和16路可編程數字I/O。其中,模擬量輸入通道輸入范圍共7個檔位,單通道最大采樣率2 MHz,最大掃描率1 MHz,直流精度優于0.1%,板載緩存共用4 MB采樣點；模擬輸出通道輸出范圍為±10 V、±5 V和±APFI<0，1>,其最大更新率1.25 MS/s,直流精度優于0.1%,板載緩存共用4 MB采樣點；數字I/O電平兼容TTL/CMOS(5 V),最大采樣率/更新率為10 MHz,板載緩存為16 MB(數字輸入8 MB,數字輸出8 MB)。

(6) 雙口隔離RS232轉換卡PXI5000I。PXI5000I用于演示、開發、驗證RS232串行總線通信原理實驗,該板卡有2個串口,具有回環測試、自測試和儀器控制等功能。雙口之間的直流隔離電壓達2 000 V,最大傳輸速率達1 Mb/s,支持標準(300、1 200、2 400 bit/s直到921 600 bit/s)和非標準波特率設置,內置128字節FIFO,且提供了Windows支持的標準函數。

(7) 雙口隔離RS422/RS485轉換卡PXI5001I。PXI5001I用于完成既定的步進電機和直流測速電機控制功能,該板卡有2個串口,也具有回環測試、自測試等功能。雙口之間的直流隔離電壓達2 000 V,最大傳輸速率達3 Mbit/s,支持標準(300、1 200、2 400 bit/s直到1 843 200 bit/s)和非標準波特率設置,內置128字節FIFO,且提供了Windows支持的標準函數。

(8) 多路復用開關模塊PXI3017。PXI3017是一款基于PXI總線的多路復用開關模塊,用于實驗平臺信號或數據通道的轉換。該模塊有128路通道,具有9種多路復用拓撲結構和3種矩陣拓撲結構；其開關繼電器最大接觸電阻為120 mΩ、直流電阻不大于2 Ω，最大開關功率為10 W，最大開關電壓為200 V，最大開關電流為0.5 A，工作壽命(阻性負載測試條件)為1×106次。

(9)適配接口。適配接口是便攜式機箱內各功能模塊與教學實驗箱之間的橋梁,便攜式機箱內各功能模塊的輸入輸出信號全部連接到3個航插的連接端子上。適配接口的一端與便攜式機箱通過螺釘連接,另一端通過3根采用104針航空插頭的航插電纜與教學實驗箱相連,航插保證了信號連接的可靠性。此外,適配接口提供了1個10/100/1000 Base-TX自適應網口和2個USB2.0接口,這3個接口是PXI4810嵌入式零槽控制器對應接口的延伸。

2.2 教學實驗箱

教學實驗箱內部集成了由熱敏電阻組成的溫度傳感器、光電傳感器、小型直流電機、彈簧式固定連接器、萬用表表筆插孔、自動和手動實驗模式開關等,主要為實驗系統提供傳感器和被測控設備,方便師生使用便攜式機箱內的功能模塊完成溫度、轉速測量以及電機驅動和控制等實驗。

實驗箱由實驗電路板和鋁制外殼組成。實驗電路板固定在鋁制外殼內,鋁制外殼左側安裝了3個104針(公頭)的航插,后側有220 V交流輸入接口。

實驗箱面板按功能分為10個區域(見圖3):

128路開關通道(CH0—CH127)；

32路模擬量輸入通道(AI0—AI31)；

4路模擬量輸出通道(AO0—AO3)；

32路數字量輸入/輸出通道(P0.0—P0.31)；

16路可編程數字量通道(PFI0—PFI15)；

4路獨立串口；

2路電源輸出(+12 V、+5 V):

2個電機(直流電機和步進電機)驅動及測速接口；

電氣信號(電壓、電流、電阻)測量接口；

溫度傳感器等。

圖3 教學實驗箱實驗面板圖

3 軟件平臺

3.1 軟件開發環境

實驗平臺是以LabWindows/CVI作為軟件平臺開發的,LabWindows/CVI是基于C/C++、專門用于虛擬儀器開發的可視化編程語言,將C語言與測控專業工具庫很好地結合在一起,具有集成式開發平臺、豐富的庫函數和靈活的調試手段[3]。實驗平臺遵循“規范化、層次化、模塊化、參數化”的軟件開發理念,具有可實現實驗儀器操作控制、數據處理分析、結果顯示的系統操作界面,與虛擬儀器板卡、外接專用測試電路等硬件資源有機的融為一體,具有操作簡單、功能開發、易于擴展升級和維護等優點[4-5]。

3.2 軟件設計

綜合實驗平臺的軟件包含系統平臺和實驗平臺兩部分,如圖4所示。

圖4 軟件平臺組成示意圖

3.2.1 系統平臺

系統平臺由資源管理平臺和信息管理平臺兩部分組成。

資源管理平臺主要用于管理或配置系統中的GPIB轉換卡、串口卡和其他連接儀器,配置或升級儀器,以及搜索、管理局域網中的LAN儀器[6-7]。信息管理平臺主要用于完成用戶信息或數據的管理,如用戶的添加與刪除、各種實驗數據的存儲與管理、各種操作或實驗文檔的管理、幫助文件或實驗成績的管理等。

3.2.2 實驗平臺

實驗平臺包括基礎性實驗平臺、工程性實驗平臺和創新性實驗平臺。

基礎性實驗平臺用于課程的基礎性實驗,包括信號的頻譜分析實驗、信號的概率密度分析實驗、信號的相關性分析實驗、數字濾波器實驗等。

工程性實驗平臺用于與課程相關的專業性實驗,如虛擬儀器信號發生器開發實驗、RS232/422/485串口通信總線原理驗證與應用的串口通信應用實驗[8-9]、PXI儀器與PXI總線應用的光電傳感器測速實驗[10-11]等。

創新性實驗平臺用于學員的自主開發/驗證性實驗,如設備的遠程測控實驗[12-13]、電子電路的故障診斷實驗、ITEM文檔開發實驗等。

實驗平臺中的基礎性實驗和工程性實驗都附有應用程序,學員既能夠用自動模式(利用轉換開關轉換)完成實驗,也能夠以現有程序為參考采用手動模式單步完成實驗；創新性實驗平臺既可作為學員深入學習課程的驗證平臺,也可以作為畢業設計或自動測試系統設計技能訓練的平臺。

實驗平臺軟件主界面有3個主選單,分別為:基礎性實驗、工程性實驗和幫助?；A性實驗和工程性實驗主選單下分別有4個和10個子選單,每個子選單對應一個實驗項目。

4 應用

測控技術與虛擬儀器綜合實驗平臺的便攜式機箱(含適配接口)和教學實驗箱的外形尺寸(長×寬×高)分別為620 mm×220 mm×380 mm和420 mm×350 mm×165 mm，重量分別為18 kg和7 kg,航插電纜、電源線、鍵盤、鼠標等配附件置于教學實驗箱內,重量不超過3.5 kg。

該綜合實驗平臺在多期、不同層次學員以及不同課程的應用中取得了很好的教學效果。圖5所示為某期本科學員在“虛擬儀器”課程中完成的“信號發生器設計與開發”工程性實驗的界面。該實驗可完成正弦波、方波等標準波形或白噪聲、隨機信號等非標準波形的設置、采樣與波形顯示,加深了學員對PXI總線的理解、提高了虛擬儀器板卡PXI3710的運用能力。

圖5 信號發生器設計與開發實驗界面

通常,基礎性實驗和工程性實驗為課程必須實驗,創新性實驗為選作或自主設計實驗。該綜合實驗平臺經多期使用后的統計(如表1所示)表明,在3類實驗中,士官及本科層次學員應用該平臺開展基礎性和工程性實驗較多,而任職教育和研究生層次學員應用該平臺開展工程性和創新性實驗較多,充分表明該平臺對不同課程、不同層次學員具有良好的適用性。同時,該實驗平臺在本科學員畢業設計與工程意識培養、研究生學員創新能力培養、任職教育學員崗位任職能力及工程意識培養等方面均發揮了重要作用。

表1 實驗平臺使用統計 個

5 結語

基于PXI總線和LabWindow/CVI軟件開發的測控技術與虛擬儀器綜合實驗平臺有效服務于“自動測試技術”“虛擬儀器技術”等測控類專業課程的教學活動,提升了本科、士官、任職等不同層次學員的實踐能力與綜合素質。該綜合實驗平臺保持對本專業領域最新成果(如遠程測控、LAN儀器、LXI總線)的跟蹤,在開拓學員視野的同時實現學員自主性、創新性實驗設計與驗證活動。該平臺具有研究內容新穎、資源易于擴展、使用維護便捷等特點,可以滿足對不同層次相關專業學員的培養及教學科研的需求。

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