生產者/消費者模型架構在軸承試驗器測試系統上的應用

王鐵軍 高楊 周易

摘要：航空發動機軸承是十分重要的部件，由于其工作環境的特殊性，需要對其進行十分嚴苛的部件試驗和系統試驗。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必須真實可靠的實時顯示和存儲試驗數據。本文詳細介紹了某型航空發動機軸承試驗器測試系統的設計實現，以設計要求為依據，給出設計方案及其實現，同時將生產者/消費者模型架構應用于航空發動機軸承試驗器的數據采集系統中，開發出了一套應用虛擬儀器LabVIEW技術平臺搭建的試驗測試系統，試驗結果表明測試系統滿足試驗器的要求。

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

0? 引言

軸承是航空發動機旋轉部件重要的支撐單元，本文針對某型號發動機的高、低壓轉子軸承試驗器設計搭建了一套測試系統。首先，依據試驗器測試采集系統的設計要求，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的穩定性和可靠性，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進行了驗證。

1? 試驗器測試系統設計要求

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

根據采集信號類型、范圍及精度，選擇相應傳感器，搭建測試系統平臺。測試系統主要由各種傳感器、測試線纜、PXI數據采集平臺、測試系統上位機等組成。測試系統組成如圖1所示。

傳感器信號經過隔離模塊后由PXI數據采集平臺進行采集，采集的數據通過光纖傳輸到上位機進行處理，隔離模塊能夠減少干擾信號對測試系統的沖擊，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定可靠，采用了基于生產者/消費者模型架構，設計開發了軟件程序。生產者/消費者模型架構是經典的多線程并發程序設計模式，生產者生產一次產品，就會將產品放入緩沖區，直到緩沖區滿了為止。當消費者進行消費的時候，需要從緩沖區中取出產品，如果緩沖區空了，就停止消費。實際開發設計中，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實現形式，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據的速度。

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據有序地傳輸，避免產生競爭或者沖突，它是一種 First In First Out 的架構。在數據采集系統中，可以將數據采集和數據處理放在兩個線程中執行，利用 LabVIEW多線程并發的執行特性。但是，當數據處理和數據采集速度不匹配時，可能會造成數據丟失，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結構，可以有效控制數據的采集時間及數據存儲時間間隔，有效解決了數據丟失等問題。

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

3? 測試系統軟件設計實現

利用LabVIEW多線程的并發執行策略，基于生產者/消費者模型開發了該軸承試驗器測試程序，測試程序主要有數據采集、數據存儲、數據顯示、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，基于動態子VI（子程序）的方式，將多個函數功能模塊整合到一起，動態調用。

4? 試驗結果

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

5? 總結

本文根據軸承試驗器使用需求搭建了測試系統，根據功能劃分，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行，有效提高了系統的采集速率。試驗結果表明，該測試系統運行穩定可靠，可以連續對試驗數據進行記錄，測試精度符合要求。

參考文獻：

[1]雷晏瑤，李智.基于生產者/消費者的數據采集系統設計[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[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隊列狀態機的數據采集系統設計[J].現代電子技術，2010（04）：204-207.