基于PXI總線的遠程測控系統設計

摘要：網絡技術的發展大大增強了虛擬儀器的功能。本文介紹了一套基于虛擬儀器的遠程測控系統，系統以多功能轉子實驗臺作為被測對象，通過PXI采集平臺和DataSocket技術實現數據的采集和遠程通訊。整個系統柔性好，適應性強，不但可以用于實驗室教學，還可以更廣泛地應用到工業現場。
關鍵詞：PXI總線；虛擬儀器；DataSocket

1? 引言
隨著計算機技術和通訊技術的不斷發展，網絡技術已經滲透到儀器領域。虛擬儀器和網絡化測控技術是現代化測量的重要標志。虛擬儀器以PC機為核心，由測量功能軟件支持，使用虛擬控制面板模擬傳統儀器儀表操作方式，利用豐富的軟件實現對數據的采集、處理、傳送、存儲、顯示和打印等功能；通過與Internet技術的結合，基于計算機技術的虛擬儀器系統技術正以不可逆轉的力量推動著測控技術的革命。
本系統采用NI公司的PXI－1010采集平臺和DataSocket通訊技術，在LabVIEW環境下進行編程，實現對數據的采集、分析和遠程通訊。整個系統開放性好，具有很強的適應性，能夠提高測控水平和效率，同時實現信息資源的共享。
虛擬儀器是將現有的計算機主流技術與革新的靈活易用的軟件和高性能模塊化硬件結合在一起，建立起功能強大又靈活易變的基于計算機的測試測量與控制系統來替代傳統儀器（價格昂貴，功能單一）的功能。NI公司的軟件工具由測量驅動程序和儀器驅動軟件、應用開發環境（如LabVIEW, LabWindows/CVI, 和Measurement Studio）和高階測試與數據管理工具三部分共同組成。通過使用隸屬于該架構的簡單易用的開發環境，如LabVIEW，可以在很短的時間內完成測量與控制系統的模擬，原型建立，設計，配置和修改等任務。

2?系統的硬件組成
?? PXI簡介［１］
PXI是一種專為工業數據采集與自動化應用度身定制的模塊化儀器平臺，具備機械、電氣與軟件等多方面的專業特性。PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）充分利用了當前最普及的臺式計算機高速標準結構——PCI，是CompactPCI規范的擴展。CompactPCI定義了封裝堅固的工業版PCI總線架構，在硬件模塊易于裝卸的前提下提供優秀的機械整合性。 因此，PXI產品具有級別更高、定義更嚴謹的環境一致性指標，符合工業環境下振動、撞擊、溫度與濕度的極限條件。PXI在CompactPCI的機械規范上強制增加了環境性能測試與主動冷卻裝置，以簡化系統集成并確保不同廠商產品之間的互用性。此外，PXI還在高速PCI總線的基礎上補充了測量與自動化系統專用的定時與觸發特性。
PXI的技術特點主要有兩個：首先是基于CPCI,并兼容CPCI；其次是面向測試和測量應用設計。PXI的規格也有兩種：3U和6U。3U的PXI主要應用方向將是組成便攜或小型的測試、SCADA、監視與控制以及工業自動化系統；6U的PXI主要向高采樣速度、高帶寬、高精度、多通道容量的中、大型ATE應用發展。
2.2? 系統硬件組成?
考慮工業生產中涉及到多種傳感器的數據采集和儀器驅動，同時也存在著對傳感器參數的調整和生產現場惡劣等因素，因此整個測控系統的硬件結構必須充分體現該系統的柔性特點，要求有很強的適應性。本系統在實驗室以東方振動和噪聲技術研究所研制的多功能轉子實驗臺為測控對象。系統硬件組成框圖如圖1所示。
系統測試機箱選用NI公司的PXI-1010，它是PXI/SCXI組合式機箱，有8個PXI/Compact模塊插槽和4個SCXI模塊插槽。這種標準的3U機箱可方便地安裝在現場設置地控制機箱內。
采集平臺主機內部配置的PXI-6040E模塊是12位的多功能采集卡，它將模擬信號轉化為數字信號，有16路模擬輸入通道，最高采樣頻率能達500KS/s，輸入電壓范圍為±0.05to±10V，有8位數字輸出通道，輸出電壓范圍為±10V,輸出率可高達1MS/s.這樣完全可以利用該模塊進行有效地數據采集和對現場控制器的控制工作。
主機內部的PXI-8176嵌入式控制器有RS-232和GPIB接口，能夠很方便的實現不同總線類型數據之間的轉換并且可以控制別的測量儀器；另外該控制器還有擴展的USB 24X CD-ROM，通過USB接口連接CD-ROM，這樣就可以方便的進行軟件安裝和升級?？刂破骼锩孢€裝有集成網卡，為遠程測試提供了服務。
主機內部還配置了SCXI-1102信號調理模塊和SCXI-1125信號輸入調理模塊。其中SCXI-1102配合SCXI-1303端子，有32個通道，每通道的輸入電壓可以在±100mV－±10V之間，可以以333K/s的速度輸出經過硬件信號去噪放大的信號，確保了輸出信號的可靠性；SCXI-1125配合SCXI-1138端子，有8個獨立的模擬輸入通道，每個通道的工作電壓可高達300V，輸入電壓范圍為±2.5Mv－±1000VDC。這樣可以方便我們處理大范圍的數據，提高了系統的柔性。
這樣整個系統就可以實現對數據的采集、處理以及網絡之間數據的傳送。

3? 系統的軟件組成
現在的應用開發平臺很多，主要有NI公司的LabVIEW圖形化開發平臺和測量軟件工作組件，NI公司的LabWindows/CVI可視化開發平臺，Agilent公司的HP-VEE圖形化開發平臺，Microsoft公司的Visual C++及Visual Basic可視化開發組件等［２］。本系統我們選用LabVIEW系統作為系統開發軟件平臺。
LabVIEW是一個具有革命性的圖形化開發環境，它內置信號采集、測量分析與數據顯示功能，將廣泛的數據采集、分析與顯示功能集中在了同一個環境中。從數據采集到儀器控制，圖像采集到運動控制，LabVIEW都可以提供各種工具以迅速完成數據采集系統的開發。LabVIEW內帶400 多個分析處理工具，專門用于從采集到的原始數據中提取有用的信息，或用于測量數據分析并進行信號處理。諸如快速傅立葉變換（FFT）與頻率分析、信號發生、數學運算、曲線擬和、數據差補及時頻分析等工具的功能都可以從原始數據中獲得有意義的信息。數據顯示部分根據不同功能分成幾個不同的方面棗數據顯示、報告生成、數據庫管理與聯接。
用LabVIEW開發的虛擬儀器由三部分組成：操作前面板（Front Panel），結構化流程圖（Block diagram）和圖標及聯接邊界定義（Icon and connector pane）。它們分別完成人機接口工作、定義整個虛擬儀器的內部功能和對完成某一特定功能的虛擬儀器軟件包進行封裝［２］。本測控系統的軟件結構如圖2所示。

3?基于DataSocket技術網絡測控
的實現
網絡化遠程測控工程應用的關鍵技術問題之一就是測控數據在網上的發布和共享。NI公司推出的DataSocket技術是一種基于TCP/IP協議、面向測量和自動化工程的網上實時高速數據交換的編程新技術。采用DataSocket可以方便地實現在網絡或本機上的各種應用程序之間對現場數據（live data）的共享。DataSocket整合了各種已有的用于測量或自動化的通訊協議，可以提供比TCP/IP更高層的編程接口［３］。DataSocket通過內部的數據自描述格式提供自由的數據傳輸格式，可以直接傳送字符串形式、數據量化形式、布爾值形式的數據或者直接對采集到的波形進行傳輸，省去了數據轉換的大量工作。
DataSocket由兩個主要部分組成，即DataSocket API和DataSocket Sever。DataSocket API提供獨立的接口，用于不同語言平臺內部多種數據類型通讀；DataSocket Sever通過自己內部對TCP/IP的優化和管理簡化了Internet通訊方式。DataSocket封裝了網絡底層通信協議，對外提供資源定位接口和功能調用接口，通過資源定位符（URL）對數據的傳輸目的地進行定位，讀數據時為源地址，寫數據時為目的地址。在資源定位符中標明了數據的傳輸協議、網絡計算機標識和數據緩沖區變量。其結構示意圖如圖3所示［4］。
DataSocket支持的數據傳輸協議包括：
（1）DSTP(DataSocket Transport Protocol)傳送方式: DataSocket局部連接和數據傳輸的協議。在這種方式下，DataSocket與本地DataSocket服務器通訊，識別附屬在URL地址后面的目標數據源，然后再從服務器上面接收與這個數據源有關的數據項目。
（2）HTTP傳送方式：通常采用的標準TCP/IP網絡數據傳送方式。
（3）FTP傳送方式：通常采用的標準TCP/IP網絡文件傳送方式。
（4）OPC（Windows OLE for Process Control）傳送方式：專門設計用于共享實時采集的數據的傳送協議。通過OPC服務器可以保證數據的實時操作特性。
（5）Windows logos傳送方式：NI公司內置網絡數據傳送協議，可以在網絡和本地計算機之間傳送數據。
（6）Local file傳送方式：通過這種方式虛擬儀器可以從本地計算機的存儲器上直接讀取數據文件。［２］
DataSocket在讀數據文件時支持Text、txt、wave和dsd格式；在寫數據文件時僅支持Text和dsd格式，它支持的數據結構有字符型、整型、布爾型及數組型等［4］。
本測控系統采用DSTP協議方式，這是DataSocket技術專門支持的通信協議，可以傳輸各種類型的數據，同時滿足了實時性和安全性的指標要求。

5? 試驗
??? 以多功能轉子實驗臺為監測對象，用加速度傳感器提取軸承的振動信號，經調理電路調理后，利用NI公司的PXI－6040E數據采集模塊進行數據采集，進入由PXI－8176控制器構成的服務器里，存儲原始數據。將編寫的網絡通信程序（DataSocketWrite、DataSocketRead）分別裝入現場計算機和遠程數據服務器，通過校園局域網實現互聯。具體的采集程序和通信程序如下：
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圖4? 數據采集程序
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圖5? 寫端程序???????????????????? 圖6? 讀端程序

6? 結束語
網絡化的測控系統是未來測控技術的必然發展方向，它的靈活性、實時性和開放性對測控技術的發展產生極大的推動作用。本文利用LabVIEW開發的基于PXI總線的遠程測控系統具有很強的適應性。隨著計算機技術的發展和信息技術的的深入，基于虛擬儀器和網絡技術的測量網絡揮發會得到越來越廣泛的應用。