基于PXIe的遠(yuǎn)程虛擬測控教學(xué)設(shè)備的開發(fā)

張春鵬，汪 珺，劉 罡，徐 斌，王錫明

（合肥學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 合肥 230601）

測試技術(shù)在機(jī)械專業(yè)中是一門專業(yè)性、抽象性較強(qiáng)的課程.學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍反映內(nèi)容抽象，尤其是信號從時域描述到頻域描述的轉(zhuǎn)換，理解困難，這將對學(xué)生以后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生較大的影響.針對以上問題，利用校園網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件、PXIe硬件測試平臺和自制的振動信號源，研究并開發(fā)出PXIe總線環(huán)境下的遠(yuǎn)程振動測試教學(xué)設(shè)備.讓教師和學(xué)生在授課過程中，利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操控該系統(tǒng)，現(xiàn)場演示同一信號在不同域內(nèi)的具體波形表現(xiàn).使得抽象原理生動化和瑣碎知識系統(tǒng)化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)和動手能力、規(guī)范學(xué)生科學(xué)思維、強(qiáng)化學(xué)生科研范式[1].

1 振動測試教學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)思想

該設(shè)備擬通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時實(shí)驗(yàn)及硬件儀器共享.教師或?qū)W生通過個人電腦等終端，利用LabVIEW自帶的網(wǎng)頁發(fā)布功能，通過校園網(wǎng)，啟動基于PXIe總線的PXIExpress自動化測試平臺，從而完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn).

PXIe總線簡介.PXI(PCI Express for Instrumentation)由NI公司于1997年率先提出[2].PXIe基于Compact PCI標(biāo)準(zhǔn)，增加了時鐘和同步觸發(fā)總線，但其核心仍然是PCI總線.PXI Express相對PXI最顯著的改進(jìn)和優(yōu)勢就在于它融入PCI Express的特點(diǎn)，采用串行傳輸，點(diǎn)到點(diǎn)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).不同于PXI在所有總線設(shè)備間分享帶寬，PXI Express為每一個設(shè)備提供單獨(dú)的傳輸通道.同時它所增加的時鐘和同步觸發(fā)信號以及擁有特殊的接口物理特性使得其在測量、通信、工業(yè)自動化等領(lǐng)域擁有更大的技術(shù)優(yōu)勢.[3]

（1）利用背板的PCI Express技術(shù)，同時保留了與PXI模塊的軟件和硬件的兼容性，PXIe總線將PXI總線的可用寬度從132MB/s提升到8GB/s，帶寬提升了90倍以上.[4]

（2）PXIe總線提供更高的數(shù)據(jù)帶寬和更低的總線延遲，大大提升了振動測量數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)的傳輸能力，完成各模塊的集中承載和數(shù)據(jù)交換，具有較好的靈活性[4-5].

（3）振動測試教學(xué)設(shè)備的硬件資源均有較大設(shè)計(jì)裕量，且支持升級擴(kuò)展，系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行重構(gòu)和擴(kuò)展.

1.1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)備采用以NI-PXIe架構(gòu)為核心的硬件體系.如圖1所示，涵蓋了振動測量、轉(zhuǎn)速控制、視頻監(jiān)控等3種功能，由遵守PXIe總線標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱、控制器模塊、振動測量模塊、運(yùn)動控制模塊及圖像采集等模塊組成.

圖1 振動測試教學(xué)設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)

（1）采用PXIe總線架構(gòu)的3U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱PXIe-1085，機(jī)箱共計(jì)18插槽，槽1為系統(tǒng)插槽，用于安裝PXIe-8135控制器；槽2-9、槽11-18共16個槽為混合插槽；槽10為PXIe系統(tǒng)定時插槽.[6]

（2）機(jī)箱配有工業(yè)級交流電源，在0℃-55℃總功率為925W，每個槽則提供38.25W，無降額，均獨(dú)立散熱.機(jī)箱背板上有三個風(fēng)扇，控制器通過智能控制系統(tǒng)可以監(jiān)控整個機(jī)箱的狀態(tài).

（3）控制器基于PXIe總線，包含兩個10/100/1000BASE TX（千兆位）以太網(wǎng)端口、兩個SuperSpeed USB端口和四個高速USB端口以及一個集成硬盤驅(qū)動器、串行端口和其他外設(shè)I/O，采用Windows操作系統(tǒng)

（4）板卡主要使用PXIe-4499聲音與振動采集卡、PXIe-1435圖像采集卡、PXI-7358運(yùn)動控制模塊等，這些模塊均遵循PXIe規(guī)范，具有良好的兼容性[7].

1.1.2 實(shí)時測量部分設(shè)計(jì)

根據(jù)本教學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)目的及實(shí)際的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)使用需求分析，要求每一時刻只允許一位用戶掌握遠(yuǎn)程控制權(quán)，應(yīng)采用瘦客戶體系，故實(shí)時測量部分采用Browser&NI Web Server結(jié)構(gòu).使用PXIe-1085機(jī)箱及嵌入的PXIe-8135高性能控制器作為NI Web Server與Application Server，足以滿足設(shè)計(jì)要求.

2 振動測試教學(xué)設(shè)備的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件部分

根據(jù)圖1所示的硬件結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)并開發(fā)出了相關(guān)實(shí)物，如圖2所示.該振動測試教學(xué)設(shè)備通過以下四個模塊實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)，并利用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì).

圖2 設(shè)備實(shí)物

2.1.1 振動測量模塊

振動測量模塊硬件部分主要由PXIe-4499聲音和振動采集卡及IMISENSORS公司生產(chǎn)的603C01工業(yè)壓電式加速度計(jì)組成.其中，PXIe-4499為16通道聲音和振動采集卡，具有24位模擬輸入和IEPE恒定電流信號調(diào)理，采樣率為204.8kS/s，114dB，4個增益，交流/直流耦合，可對所有通道進(jìn)行同步采樣.主要用于對傳感器的輸出信號進(jìn)行放大、調(diào)理和分析.振動傳感器采用美國IMI SENSORS公司生產(chǎn)的603C01型工業(yè)振動傳感器，內(nèi)置放大器，IEPE電流激勵，靈敏度為100Mv/g,頻率范圍為0.58～60000Hz，非線性度為±1%，橫向靈敏度≤5%，[8]采用磁座安裝方式固定在被測物體表面.主要用于采集被測信號.

2.1.2 轉(zhuǎn)速控制模塊

轉(zhuǎn)速控制模塊主要由PXI-7358運(yùn)動控制板卡、UMI-7774接口、AKD P01206伺服驅(qū)動器及AKM12E伺服電機(jī)組成.通過Lab-VIEW軟件讀取伺服電機(jī)本身自帶的編碼器數(shù)據(jù)，從而測得伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，并控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，從而帶動自制振動源形成振動信號.

2.1.3 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊主要由PXIe-1435圖像采集卡和Basler aviator Camera Link面掃描相機(jī)組成.通過該模塊，可以在個人終端上觀察振動源的運(yùn)行情況，以及所選取的振動測量點(diǎn)的位置.

2.1.4 控制器模塊

PXIe 8135作為該教學(xué)設(shè)備的控制器模塊，為設(shè)備提供穩(wěn)定的操作環(huán)境，并用于連接及控制以上各個模塊.控制器模塊內(nèi)部集成了CPU、內(nèi)存、固態(tài)硬盤、千兆以太網(wǎng)、VGA、高速USB、串行端口等芯片，以及其他外設(shè)I/O，從而實(shí)現(xiàn)本機(jī)或異地人機(jī)交互.

2.2 程序設(shè)計(jì)

圖3 前面板

利用LabVIEW軟件進(jìn)行編程，程序框圖采用順序結(jié)構(gòu)編寫，內(nèi)嵌While循環(huán)結(jié)構(gòu)及條件結(jié)構(gòu)，同時利用Vision Acquisition Express VI及頻譜測量Express VI快速實(shí)現(xiàn)信號的采集、分析及顯示功能.當(dāng)程序運(yùn)行時，通過前面板的相應(yīng)控件按鈕來控制伺服電機(jī)的啟停及旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)、傳感器的工作以及圖像采集等動作,最終把振動信號及齒輪旋轉(zhuǎn)情況顯示在屏幕上.其前面板如圖3所示.

3 設(shè)備運(yùn)行結(jié)果及展望

該設(shè)備實(shí)際運(yùn)行結(jié)果如圖4所示.在前面板框圖上，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“電機(jī)”“傳感器”“相機(jī)”“停止”等控件（控件被激活后，顏色發(fā)生變化），可以成功的實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的啟停控制，傳感器信號的采集，視頻監(jiān)控信號的顯示.同時把采集到的自制振動源上某一點(diǎn)處的被測信號在時域、頻域內(nèi)的波形顯示在前面板上，并可以監(jiān)控振動源的運(yùn)行情況.該設(shè)備應(yīng)用在教學(xué)過程中收到了較好的效果.學(xué)生普遍反映，對信號在不同域內(nèi)的描述有了深刻的認(rèn)識.同時，通過遠(yuǎn)程控制，在課余時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)習(xí)效率，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣.設(shè)備達(dá)到了設(shè)計(jì)目的.

圖4 運(yùn)行結(jié)果

利用虛擬儀器技術(shù)，在LabVIEW圖形化編程環(huán)境下，結(jié)合NI公司的硬件，可以快速地設(shè)計(jì)、開發(fā)各種測控設(shè)備，具有設(shè)計(jì)靈活，開發(fā)周期短，人機(jī)交互界面良好的特點(diǎn)[9].例如，PXIe-4499聲音和振動采集卡具有16通道，接入相關(guān)傳感器并編程，即可在該設(shè)備上進(jìn)行多通道的振動、噪聲采集實(shí)驗(yàn)；裝入斷齒的齒輪，可以進(jìn)行齒輪故障遠(yuǎn)程診斷等實(shí)驗(yàn)，拓展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍、豐富了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)際動手能力.