生產者/消費者模型架構在軸承試驗器測試系統(tǒng)上的應用

王鐵軍 高楊 周易

摘要：航空發(fā)動機軸承是十分重要的部件，由于其工作環(huán)境的特殊性，需要對其進行十分嚴苛的部件試驗和系統(tǒng)試驗。部件試驗中需要對軸承進行高轉速、大扭矩等性能考核，要求試驗器測試系統(tǒng)必須真實可靠的實時顯示和存儲試驗數(shù)據(jù)。本文詳細介紹了某型航空發(fā)動機軸承試驗器測試系統(tǒng)的設計實現(xiàn)，以設計要求為依據(jù)，給出設計方案及其實現(xiàn)，同時將生產者/消費者模型架構應用于航空發(fā)動機軸承試驗器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，開發(fā)出了一套應用虛擬儀器LabVIEW技術平臺搭建的試驗測試系統(tǒng)，試驗結果表明測試系統(tǒng)滿足試驗器的要求。

關鍵詞：軸承試驗器;虛擬儀器;生產者/消費者模型架構;測試系統(tǒng)

0? 引言

軸承是航空發(fā)動機旋轉部件重要的支撐單元，本文針對某型號發(fā)動機的高、低壓轉子軸承試驗器設計搭建了一套測試系統(tǒng)。首先，依據(jù)試驗器測試采集系統(tǒng)的設計要求，選用目前較為成熟的虛擬儀器技術，搭建軟、硬件平臺。其次，考慮到試驗器測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，軟件設計采用了生產者/消費者模型架構。最后通過試驗對測試系統(tǒng)進行了驗證。

1? 試驗器測試系統(tǒng)設計要求

本試驗器的功能包括被試軸承由電主軸帶動旋轉，模擬發(fā)動機軸承的轉速。被試軸承由液壓加載系統(tǒng)加載，模擬發(fā)動機軸承的載荷。試驗滑油系統(tǒng)給被試軸承提供潤滑，通過給滑油油箱加溫，對發(fā)動機軸承溫度進行模擬。需要采集的測試信號如表1所示。

根據(jù)采集信號類型、范圍及精度，選擇相應傳感器，搭建測試系統(tǒng)平臺。測試系統(tǒng)主要由各種傳感器、測試線纜、PXI數(shù)據(jù)采集平臺、測試系統(tǒng)上位機等組成。測試系統(tǒng)組成如圖1所示。

傳感器信號經過隔離模塊后由PXI數(shù)據(jù)采集平臺進行采集，采集的數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)缴衔粰C進行處理，隔離模塊能夠減少干擾信號對測試系統(tǒng)的沖擊，并且能夠將采集的信號轉換成1V～5V的標準電壓信號。為減少測試電纜用量，將PXI測試設備安放在設備現(xiàn)場控制柜中，測試計算機通過NI PXIe-PCIe8375在遠端對PXI測試設備進行操控。PXIe-PCIe8375由PXIe8375和PCIe8375兩塊板卡組成，分別插入測試設備機箱和測控計算機機箱，兩者通過光纖進行連接，可以實現(xiàn)PXI Express的PCI Express控制。

2? 生產者/消費者模型架構

考慮到軟件架構的穩(wěn)定可靠，采用了基于生產者/消費者模型架構，設計開發(fā)了軟件程序。生產者/消費者模型架構是經典的多線程并發(fā)程序設計模式，生產者生產一次產品，就會將產品放入緩沖區(qū)，直到緩沖區(qū)滿了為止。當消費者進行消費的時候，需要從緩沖區(qū)中取出產品，如果緩沖區(qū)空了，就停止消費。實際開發(fā)設計中，允許有多個生產者同時生產產品，允許有多個消費者同時消費產品，通常緩沖區(qū)只有一個出口和入口，具有“先進先出”特點的阻塞隊列是常見的緩沖區(qū)實現(xiàn)形式，就是先到的消費者，先取出產品進行消費。生產者/消費者模式的另外一個特點就是它可以根據(jù)生產者和消費者的工作能力來處理過程的平衡，可以提升整體處理數(shù)據(jù)的速度。

在生產者/消費者模型框架中隊列技術得到了廣泛地應用。隊列技術可以確保數(shù)據(jù)有序地傳輸，避免產生競爭或者沖突，它是一種 First In First Out 的架構。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可以將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理放在兩個線程中執(zhí)行，利用 LabVIEW多線程并發(fā)的執(zhí)行特性。但是，當數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)采集速度不匹配時，可能會造成數(shù)據(jù)丟失，兩者之間需要一個起到緩沖作用的中間介質，隊列的出現(xiàn)就可以很好解決這個問題。另外，生產者和消費者兩部分都應用了定時循環(huán)結構，可以有效控制數(shù)據(jù)的采集時間及數(shù)據(jù)存儲時間間隔，有效解決了數(shù)據(jù)丟失等問題。

基于生產者/消費者構建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)容易維護，方便對功能進行擴展，隊列的數(shù)據(jù)傳輸方式既滿足了數(shù)據(jù)緩存的需要，又提高了程序的效率。事件響應機制可以控制程序執(zhí)行流程的改變，多通道數(shù)據(jù)的顯示便于對各通道參數(shù)進行性能分析。

3? 測試系統(tǒng)軟件設計實現(xiàn)

利用LabVIEW多線程的并發(fā)執(zhí)行策略，基于生產者/消費者模型開發(fā)了該軸承試驗器測試程序，測試程序主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、報警設定、歷史查詢、通道設定等功能模塊組成。圖2為功能模塊調用程序，基于動態(tài)子VI（子程序）的方式，將多個函數(shù)功能模塊整合到一起，動態(tài)調用。

4? 試驗結果

連續(xù)試驗2小時，部分試驗數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖3（a）至圖3（c）所示。結果表明測試系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運行，可以有效測試試驗過程中各參數(shù)的變化，滿足設計要求。

5? 總結

本文根據(jù)軸承試驗器使用需求搭建了測試系統(tǒng)，根據(jù)功能劃分，編寫了相應的功能模塊，并將生產者/消費者模型架構應用于測試軟件編寫中，使得程序中各功能模塊能夠以不同速率并行執(zhí)行，有效提高了系統(tǒng)的采集速率。試驗結果表明，該測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，可以連續(xù)對試驗數(shù)據(jù)進行記錄，測試精度符合要求。

參考文獻：

[1]雷晏瑤，李智.基于生產者/消費者的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J]. 機械與電子，2011（09）：39-43.

[2]唐進元，李松，邵文.基于LabVIEW生產者-消費者模式的齒輪傳動振動測試系統(tǒng)[J].機械傳動，2011（01）：5-7.

[3]葉楓樺，周新聰，白秀琴，郭智威，袁成清.基于LabVIEW隊列狀態(tài)機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2010（04）：204-207.