基于LabVIEW的機電管理電源監測系統設計

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(海軍航空大學 青島校區，山東 青島 266041)

0 引言

機載機電管理系統[1-2]是飛機正常、安全工作所必須的，主要包括機電管理計算機、燃油測量轉換盒、發動機參數轉換盒、機電參數顯示器等部件，實現對電源系統、發動機電子控制系統、燃油控制系統以及液壓操縱等系統的參數采集與顯示，故障和狀態的顯示，發動機和燃油等系統的操控。傳統數據采集是利用傳感器將機電參數以模擬量方式送到儀表設備進行顯示，模擬量在長距離的傳輸過程中容易出現信號衰減，這種方式不適合大量數據的采集[3]；以機電管理系統為中心的信息管控方式，首先用分布式數字傳感器采集各區域參數并轉換成數字信號，再通過數據總線將大量數字信息匯集到中心計算機系統進行數據處理及顯示等操作，能夠以無衰減的方式實現大量數據的傳輸及監控[4-5]。

某型機的機電管理系統實現了機電參數的時時監控，但對數據的長時間記錄分析功能不強，對故障的判斷能力較弱，也不便于進行后期的故障預測等研究開發。為了解決機電管理系統中出現的問題，建立機電管理實驗室平臺，以電源參數為例，開發了機電管理電源監測軟硬件系統。

系統硬件采用美國NI公司的RS422A總線板卡與機電管理系統進行數據通信。RS422總線[6]以差分的方式傳輸信號，發送與接收可采用單獨的通道，抗干擾能力強，最大傳輸距離約1200米，最大傳輸速度約10 Mb/s，傳輸距離在300米以下不需要接終端電阻，接線方便。系統軟件開發基于NI公司LabVIEW軟件[7]，LabVIEW使用的是圖形化的編程語言，以框圖形式進行程序搭建，特別適合開發測量及控制系統，有大量的工具包函數，界面友好，可移植性強[8]。

1 硬件聯接

在機電管理系統中，電源監測系統主要與機電管理計算機、機電參數顯示器、電源系統的控制器等設備相交聯，如圖1所示。電源系統的交流電機控制器、直流信號轉換盒、匯流條功率控制器分別采集交流、直流、匯流條相關的電信號并轉換成數字信號通過RS422A總線發送到機電管理計算機，機電管理計算機將數據處理后轉發到機電參數顯示器進行時時監控，同時轉發到電源監測系統進行分析監測。總線數據傳輸是帶有握手數據的全雙工方式，發送與接收分別通過相應的差分信號線進行傳輸。

圖1 硬件交聯圖

實驗平臺中，機電管理計算機及機電參數顯示器采用飛機實裝系統，電源系統控制器及監測系統均采用模擬器實現，半實物平臺能夠檢驗系統設計的正確性，完成設備的排故及定檢等工作。本文重點研究開發電源監測系統，主要由工控計算機及顯示器、RS422A通訊板卡(NI PCI-8431/2)及接口轉換線、四線帶屏蔽層的電纜等硬件設備組成。PCI-8431/2基本參數有：端口2個，波特率57 bit/s～3 Mbit/s，精度可達0.01%，直接DMA高速存儲，電壓5 V，電流1300 mA。機電管理計算機的X1插銷口的36～40號針四芯屏蔽線及板卡接口轉換線分別與PCI-8431/2的1號端口九針插頭對應針聯接，見表1，發送與接收聯接，高電平對應高電平，低電平對應低電平，屏蔽地互聯。

表1 硬件接線表

2 軟件設計

LabVIEW軟件設計分為前面板的界面設計及后面板的程序設計兩部分。界面與用戶進行交互，程序完成數據傳輸處理及與響應界面等。

2.1 用戶界面

電源監測系統的用戶操作界面如圖2所示，主要包括4個功能區：數據控制區(數據傳輸暫停/記錄及程序退出按鈕)、參數按鈕觸發區(直流、交流、蓄電池等電壓及電流參數控制按鈕)、參數波形顯控區、故障狀態顯示區。

圖2 用戶操作界面

程序運行中，將數據控制單刀雙擲開關扳到“暫停”位置，數據停止傳輸，波形圖上的參數不會再更新，扳到“記錄”位置，數據繼續傳輸，相應參數波形繼續顯示；按壓參數觸發按鈕，對應的參數波形顯示在波形圖中，該波形為從程序開始運行到按鈕觸發時間段內的參數值，再次操作同一按扭，該數據進行更新，操作其他參數按鈕，則顯示相應至此時段內的波形數據，點擊波形圖右上角，可以對波形進行放大、縮小、平移等操作；如有故障，相應故障信息以紅色字體出現在故障顯示區；點擊界面右上角“退出”按鈕，程序退出，若要運行，可重新啟動程序。

2.2 程序設計

2.2.1 程序設計思路

根據用戶界面操作要求，程序設計主要完成的功能及實現的思路方法如下：

1)數據通訊。數據通訊使用“函數→儀器I/O→VISA”相關模塊進行設計，通過“VISA串口配置”函數進對通訊端口、波特率、奇偶校驗、數據位、停止位等進行配置，通過“VISA讀取”函數及“VISA寫入”函數完成相應的讀取和寫入操作，通過“VISA關閉”函數進行串口資源的釋放。

2)數據存儲。數據存儲使用“函數→文件I/O→TDMS”相關模塊進行設計，TDMS存儲速度適中、管理效能高、存儲數據格式靈活，通過“創建路徑”函數建立文件路徑，通過“TDMS打開”設定模式創建存儲文件，通過“TDMS寫入”函數按不同的組名、通道名將不同類的數據分別寫入不同的存儲文件區域中，便于數據的管理及讀取。

3)數據處理。首先，對接收到的字節數據進行校驗和為零、開頭兩字節為AA55H等校驗，確保接收到的正確數據；其次，對數據進行分塊定位，確定并提取出不同功能數據塊；最后，根據通訊協議的格式要求對每個數據塊中不同的數據進行提取轉換等處理，格式轉換見公式(1)：

(1)

4)通訊控制。通過一個“記錄控制”開關實現數據通訊的“暫停與繼續”功能。采用“條件判斷”函數實現，當開關打到“記錄”位置，循環中判斷條件為真，進行數據讀入、校驗、寫出及入隊列等操作，反之，開關打到“暫停”位置，無任何操作，數據接收、存儲等得以暫停。

5)參數顯示。通過“TDMS讀取”函數，將相應的參數讀出并發送到“波形圖”函數中進行顯示。將需要顯示的參數做成觸發按鈕，程序在“打開TDMS”文件的基礎上，通過并行的一個獨立事件函數，來檢測按鈕事件，每個按鈕事件中都調用“TDMS讀取”函數讀取相應組中對應通道的數據，并將通道名發送到波形圖中圖例名屬性節點函數中，在響應按鈕動作后，波形圖的圖例中顯示不同的名稱。

6)故障處理。包括故障判斷、顯示及記錄。故障判斷綜合運用兩種方法，第一，使用原始故障狀態數據進行初次判斷：建立一個存儲了所有故障狀態的“故障總表”，再建立一個“故障表”(空表)，用來顯示當前故障狀態。通過“數值到布爾數組轉換”函數將各故障字節轉換成相應的故障布爾狀態(“F”代表無故障，“T”代表有故障)，通過“創建數組”函數得到一個與“故障總表”對應的故障狀態布爾數組，再在“While循環”函數中采用“搜索一維數組”查找為“T”的布爾量，通過“索引數組”函數將“故障總表”中對應故障發送到“故障表”中顯示。第二，使用參數范圍進行再次判斷：首先，將得到的所有參數與其有效范圍比較，如果超限，設置布爾量為“T”，否則為“F”，將參數處理所得的所有布爾量按“故障總表”順序包裝成一個布爾數組，此數組與第一步所得的故障狀態布爾數組進行“或”操作。這樣，給故障判斷增加一余度，提高判故可靠性。

故障顯示通過修改格式將“故障表”中相應故障標紅加粗顯示，非故障狀態不顯示。故障記錄將故障發生時間、次數、對應參數值存儲到TDMS文件中，以備查看分析。

2.2.2 程序設計流程

將程序設計思路融入LabVIEW并行設計方法[9]，得到總流程如圖3所示，包括程序初始化、生產者循環、消費者循環、參數按鈕事件及程序結束五部分，其中生產者循環、消費者循環、參數按鈕事件是并行運行的。采用“生產者-消費者”循環架構可以提高數據采集效能，“生產者循環”進行數據采集，“消費者循環”同步進行數據處理，解決了因處理數據時間過長導致采集數據丟失的問題。參數顯示采用按鈕事件結構，不影響數據的采集及操作。

圖3 程序設計總流程圖

1)程序初始化，完成串口通訊卡、隊列、TDMS文件、故障總表、故障表、暫停開關、通訊反饋等初始化。串口通訊基本參數為：波特率9600 bps，數據位8位，奇校驗，停止位1位；隊列初始化為“生產者-消費者”循環做準備；通訊反饋初始化結合通訊協議構成握手信號反饋給機電管理計算機。

2)生產者循環，主要包括數據控制、讀取、校驗、反饋寫出、數據入隊列、循環退出等程序塊，流程如圖4所示。定時器循環周期400 ms；數據檢驗僅進行檢驗和為零及開頭兩個字節檢驗；設置退出標志是為了退出其他并行循環。

圖4 生產者循環流程圖

3)消費者循環，包括數據出隊列、定位分組、格式轉換、參數及故障存儲、故障判斷顯示，循環退出等程序塊。

圖5 消費者循環流程圖

組成大數據包的多個數據塊以循環方式順序發送過來，難以確定首字。進行定位分組，先確定所出隊列的幾個數據塊的塊頭字索引，再通過索引號搜索確定并提取出各個數據塊。不同參數的數據類型、數值范圍及最小分辨率不同，需要進行格式轉換。故障判斷運用參數的范圍及故障狀態值進行綜合判斷。當隊列資源釋放后，隊列傳輸會有誤，消費者循環退出。

4)參數按鈕事件，主要包括TDMS文件讀取、數據波形顯示、事件退出等程序。通過按鈕事件實時監控按鈕的操作，事件中采用“TDMS文件讀取”函數讀取對應按鈕數據，并發送到波形圖中進行顯示分析。

5)程序結束，需要完成串口、隊列、TDMS文件資源釋放及生產者、消費者、事件循環的退出，如圖6所示。

圖6 程序結束流程圖

3 實驗測試

3.1 實驗平臺

根據圖1的硬件交聯圖，搭建系統測試實驗平臺如圖7所示，右側為電源模擬器及監測系統的工控機及通訊卡(電源監測系統顯示界面見圖2)，右側為機電管理實裝設備。

打開“METEK直流電源”及各設備開關，實驗平臺上電后，電源模擬器設置參數，機電參數顯示器時時顯示電源參數及故障狀態，電源監測系統記錄各參數變化信息，并對電源故障狀態進行綜合判斷、存儲及顯示。

圖7 系統測試實驗平臺

3.2 測試結果

連續改變1號交流發電機A相電壓U1A，得到實驗波形如圖8所示。

圖8 U1A連續變化波形圖

U1A的正常范圍是108～118 V，圖中虛線標示了U1A的最大值，波形圖能夠很好地記錄了U1A的變化過程。0 s時刻U1A為122 V，參數超過范圍，電源系統故障表顯示了相應的故障狀態，如圖9所示，實裝系統的機電參數顯示器也出現同樣的故障信息，當交流電源系統某相電壓過壓時，相應該發電機也顯示過壓故障；8 s時刻U1A為115 V；18 s時刻U1A為117 V；在26 s時U1A為110 V，按下“暫停”開關時，數據暫停記錄，重新撥向“記錄”時，數據繼續記錄；31 s時刻U1A為108 V；35 s時刻U1A為108 V；42 s時刻U1A為115 V；46 s時刻U1A為113 V。8 s以后電壓均在正常范圍內，電源系統故障表里沒有故障顯示。

圖9 電源監測故障狀態表

3.3 調試問題

問題1：數據出現大量的丟失，常常報奇偶校驗錯誤的故障。

解決方法：在排除了軟件部分的故障后，測試線路的連接是否通暢，用萬用表進行測量，結果顯示有一條屏蔽線存在接觸不良的情況，重新檢測連接加固后，解決了數據丟失的問題，屏蔽線對于RS422通訊準備性具有重要作用。

問題2：在串口通訊調試過程中常報一個錯誤，即錯誤代碼“-1073807252”表示傳輸時發生超限錯誤，在下一個字符到達前，未從硬件讀取某個字符。

解決方法：繼續運行程序并不影響程序的運行結果，借鑒LabVIEW典型程序案例[10]，可以采用一些錯誤屏蔽等方法進行消除，如圖10所示。

當“VISA讀取”的錯誤輸出端口代碼為傳輸超限時， 通過“錯誤消除”程序塊將其過濾。處理后的程序不影響原程序正常運行。

圖10 串口通訊錯誤過濾程序

4 總結

本文構建了機電管理電源監測系統，以“工控機+PCI串口通訊板卡”為硬件平臺，用LabVIEW軟件開發了軟件程序，通過與電源模擬器及機電管理實裝系統聯調聯測，驗證了監測系統的數據記錄分析及故障判斷顯示功能。系統調試中發現的問題及解決辦法、軟件程序的設計思路對于一般串口通訊系統設計有一定的借鑒作用。該系統有效地解決了原機電管理實裝設備全過程綜合監測分析能力弱、故障判斷余度少等問題，具有較強的實用性，基于該平臺可以繼續進行后續科研開發。程序開發設計還有需要改進之處，如波形圖無法實現多個波形的比較，今后還需要對程序的運行速度進行優化。