摘 要 通过对虚拟仪器技术和VXI总线技术的研究,提出了一种基于虚拟仪器技术的VXI总线测控系统解决方案,并结合应用阐述了测控技术与仪器论文范文采用虚拟仪器技术和VXI总线技术,大大改进了测试发射控制系统的性能,满足系统对测试精度、可靠性、快速反应能力的更高要求。
1 引 言
随着计算机技术的飞速发展,自动测控技术经历了从GPIB、CAMAC、VME到VXI、PXI的迅速变革。VXI(VMEbus eXtensions for Instrumentation)是仪器总线系统和自动测控系统的优秀平台,它一经问世便以其开放的系统结构、模块化的设计、系统组态灵活、信息吞吐量大、电磁兼容性和可靠性高、可移植性好、性价比高等特点受到测控领域的青睐,目前已成为工业自动化领域及航空、航天、军事等领域的自动化测试设备(ATE)的核心及基础构件,更为重要的是由于它的出现使得人们探讨多年的虚拟仪器的概念变成了现实。
虚拟仪器系统概念是对传统仪器概念的重大突破,是计算机与仪器系统技术相结合的产物。虚拟仪器系统作为一种基于计算机技术的新型测试控制系统,具有功能强、精度高、测试控制速度快、自动化程度高和良好的人机界面等诸多优点,特别是它的高度灵活性及资源共享能力,使得传统仪器和测试系统望尘莫及。
2 VXI虚拟仪器系统概念
VXI虚拟仪器系统由VXI虚拟仪器系统硬件结构和VXI虚拟仪器系统软件结构组成,如图1所示。
其中,VXI0槽控制器(或嵌入式计算机)与各种仪器模块一起构成了VXI虚拟仪器系统硬件结构。这些仪器模块可以是VXI仪器、GPIB仪器或通信仪器等。I/O接口软件、仪器驱动程序和应用程序自下而上构成了虚拟仪器系统软件结构。
3 应用背景及意义
测试发射控制系统的性能对航天型号的整体性能起着极为重要的作用,围绕着提高地面测试与发射控制的自动化和智能化程度,提高系统故障诊断定位能力,提高系统的可靠性、安全性和可维护性能的指导思想,在航天型号中采用基于虚拟仪器技术的VXI总线测控系统作为自动化测控系统,可以克服CAMAC总线数据宽度与当前主流计算机不兼容、系统吞吐能力低、编程困难、可靠性低等缺点,可以克服GPIB总线系统庞大、数据传输速率低,器件容量受限,系统中冗余部件多但又不能容错,不能充分利用计算机的软、硬件资源等缺点,可以克服PXI总线机箱电源品种较少和提供的最大功率较小的限制,能够方便地、可靠地实现高度自动化、高性能、功能强大的测试和控制,满足航天型号对测试精度、可靠性、快速测试能力的更高要求,可使航天测控技术与世界发展水平同步。
4 一种基于虚拟仪器技术的VXI总线测控系统总体设计
4. 1 测控对象特性及主要测控任务
以一典型控制系统作为被测控对象,组建基于虚拟仪器技术的VXI总线测控系统,完成控制系统性能参数测试,并实现发射控制。VXI总线测控系统需要完成的主要任务为:自动控制;系统状态查询;系统性能参数测试;测试数据、系统状态及控制状态软面板显示;通过通信口接收测试命令、发送测试数据和结论。VXI总线测控系统需要测试的参数分为两大类:
(1)静态测试:是当系统的状态、过程稳定下来(指连续变化量小于允许误差的五分之一)后进行的测试,静态测试的项目有:供电电源的直流电压测试;交流信号的电压和频率测试;方波的电压、频率及波形测试等;伺服机构油面测试;系统极性测试;时序、时串测试;火工品通路和限流电阻通路测试;综合测试(包括加模拟信号的测试)等。
(2)动态测试:主要用于检查控制系统小回路的动态特性。
4. 2 系统集成方案的确定
在进行自动测控系统设计时要根据系统的性能指标、外形尺寸及可用经费来确定VXI总线测控系统的实现方案,VXI总线测控系统的实现方案分为嵌入式计算机方案和外接计算机方案。
外接计算机方案有GPIB总线、MXI-Ⅱ总线、IEEE1394(FireBus)总线、RS-232和LAN连接方案等,外接计算机方案需要在VXI机箱外配置一套计算机,通过插入计算机的接口卡与VXI机箱的0槽控制器连接,但采用这种集成方案系统所占的空间较大,系统的传输速度也较低。
我们所集成的VXI总线测控系统采用嵌入式计算机方案。采用这种方案可使系统获得较高的性能、较小的体积,而且嵌入式计算机的内部总线与VXI总线紧密结合,可获得很高的测控速度,使系统的实时性好。
4.3 基于虚拟仪器技术的VXI总线测控系统的组成
基于虚拟仪器技术的VXI总线测控系统的硬件组成主要由VXI机箱、VXI嵌入式计算机、VXI功能模块、VXI转接箱、相应的转接电缆及显示器等组成。
当VXI测控系统工作时,VXI嵌入式计算机通过光电隔离的RS-422接口接收主测控计算机的测试命令,控制VXI机箱中的各个功能模块自动完成测试与控制任务,储存测试结果数据,一方面它以软面板形式显示测试结果、系统状态及控制状态,并可接收软面板的退出测试命令;另一方面它将测试结果数据及测试结论一起发送给主测控计算机进行储存、显示及打印。其系统组成见图2。
4. 3. 1 VXI机箱
VXI机箱是VXI测控系统的重要部件,它不仅要为系统中的VXI嵌入式计算机和各种仪器模块提供VXI总线背板、7种高质量的工作电源,还要为系统提供一个可靠的工作环境及空气冷却系统。设计时要考虑机箱电源能够为系统提供足够的可用功率,并考虑足够的降额;同时,还需使机箱具有较好的冷却能力,保证机箱中的每个模块在较低的温度下运行,由此提高系统的可靠性。另外,机箱还需要进行浮地设计,以提高系统的抗干扰能力。VXI机箱按VXI仪器模块尺寸,可分为B尺寸、C尺寸和D尺寸3种,常用的机箱为B尺寸和C尺寸机箱,根据系统的测试控制需要,将VXI机箱设计为C尺寸、13槽、可用功率不小于700W的VXI主机箱。
4. 3. 2 VXI嵌入式计算机
VXI嵌入式计算机是VXI总线测控系统的控制器和处理器,它集通用计算机功能和VXI总线0槽控制器功能于一体。
●通用计算机功能包括:核心电路: PC/104模块, CPU: PⅢ,主频:700MHz,内存: 128MB;带光电隔离的RS-485/422接口,通信速率不低于115. 2Kbps;通用的人机接口,包括并口、键盘、鼠标接口等,网络接口和USB接口;支持1GB FLASH IDE电子盘, 3. 5吋软驱。
●0槽控制器功能包括资源管理器和0槽服务,资源管理器是系统配置的管理者和系统正常工作的基础,它的主要任务是系统的配置管理,其功能包括:识别系统设备、管理系统自检测、配置系统A24和A32地址空间、进行系统命令者/从者分层、配置系统中断、启动系统正常操作; 0槽服务主要用来为机箱中的模块提供公共系统资源。
VXI总线测控系统上电后,自动运行资源管理器,只有当资源管理器配置好系统后,系统才能正常工作。VXI测控程序运行于VXI嵌入式计算机,控制机箱中各功能模块工作,完成各项测试与控制任务。
4. 3. 3 VXI功能模块
VXI系统的各种测试与控制功能是通过插于VXI机箱的各种功能模块来实现的。
●低速A/D变换器主要用来完成系统中交、直流电压量的测量。低速A/D变换器,选用双积分工作制式,具有很强的抑制串模干扰能力;抑制共模干扰采取了对称平衡输入、高输入阻抗隔离放大器隔离的措施。
●驱动开关模块主要用于测试与发射时进行自动控制和信号的切换。
●采样速率较高的8路A/D变换器主要用于同时对8个独立通道模拟信号的连续采样测试,在进行系统测试时完成弹上计算机D/A输出和伺服作动器输出的动态测试。
●测频仪主要用于对系统中的交流信号进行频率测量(直接测频或间接测频),输入端采用高输入阻抗电压比较器,适应输入信号幅度变化范围宽的需要。
●采样分配开关用于采集飞行控制系统和测试发射控制系统的模拟信号,或送至低速A/D变换器进行电压测试,或送至测频仪进行频率测试。
●数传控制器模块为系统专用模块,用于完成弹上和VXI测控系统之间的数传控制,它通过10位上送码控制设置在弹上的4个检测仪器,一起完成飞行控制系统模拟量采样、火工品通路、火工品限流电阻通路、姿控绕组通路的测试和时序测试。
●开关量输入/查询器主要用于:(1)实时自动查询系统中各个环节的状态、进程信号,作为系统软件的联锁条件;(2)将被测的开关量变换成数字量信号,以中断形式向VXI嵌入式计算机产生中断请求。
4. 3. 4 VXI转接箱
VXI转接箱在系统中主要完成对接入VXI总线测控系统的各种信号进行转接、转换、分配。
5 VXI系统软件设计
5. 1 软件开发环境
基于虚拟仪器技术的VXI总线测控系统选用W indowsNT作为操作系统,这不仅是因为W indowsNT系统人机交互界面良好,更重要的是它具有完善的内存管理机制,是安全性、可靠性和稳定性较好的32位多任务操作系统。另外,W indows NT的抢占式调度方式,保证优先级较高的线程首先获得CPU运行时间,使得在LabW indows/CVI环境下采用VXI中断事务方式编程,可以满足系统的实时性要求。
软件开发平台选用面向仪器的交互式C语言开发平台LabW indows/CVI。LabW indows/CVI建立在开放式软件体系结构之上,以工程文件为主体框架,将C源码文件、头文件、库文件、目标模块、用户界面文件、动态链接库(DLL)、仪器驱动程序等多功能组件集于一体,并支持ODBC,DDE和TCP/IP,为用户建立新一代的虚拟仪器系统提供了完善的支持和很大的灵活性。
5. 2 VISA及模块驱动程序的开发
VISA(Virtual Instrument Software Architecture,虚拟仪器软件结构)是VXIplug&play联盟制定的新一代仪器I/O接口软件,从图3中可以看出,VISA就是应用程序与底层硬件(VXI模块)之间的接口。我们可以用VISA开发模块的驱动程序,该驱动程序可供用户的应用程序调用,更为直接的,也可以在用户应用程序中直接调用VISA函数来控制模块的操作。
图4是仪器驱动程序的一般模型,其中“Instru-mentDriver”是其核心,也就是调用VISA函数组成新的函数;而“ProgrammeticDeveloper Interface”是用户程序(即VXI测控程序)调用驱动函数的机制;“InteractiveDeveloper Interface”是一种图形化的、帮助软件开发者理解每一种特定的仪器驱动程序功能的接口,使软件开发者知道怎样使用程序开发者接口调用每一种功能;“VISA I/O Interface”则是实现驱动程序软件与仪器硬件通讯的机制。VXI总线测控系统中VXI模块的驱动程序是基于此模型,在LabWin-dows/CVI开发平台上调用VISA库函数来实现的。
5. 3 测控流程数据库的设计
本着模块化的设计理念,将测控程序和数据库分开设计,并在Microsoft公司推出的32位面向对象的应用程序开发环境VisualFoxPro下进行数据库的设计,把需经常更改的数据(如合格上下限值、控制字、流程号、子程序号等)都放在数据库中。
●确定数据库中所需要的表VisualFoxPro数据库是以数据存储表为数据的保存单位,为此,需要在数据库中建立一个表,即原始数据库表以存储VXI总线测控系统的测控信息。
●确定表中的字段原始数据库表结构主要包含原始数据库序号、测试项目名称、模块代号、控制字低字节、控制字中字节、控制字高字节、合格上限、合格下限、测试单位名称、VXI子程序号、主测控计算机子程序号、备用1、备用2、备用3字段。另外,原始数据库表中的每条记录按功能分区存放。
5. 4 VXI测控程序开发
VXI测控程序通过ODBC(开放数据库互联)接口实现与数据库文件的连接。这里选用LabW in-dows/CVI SQLToolkit作为LabW indows/CVI与数据库文件之间进行数据交换的工具。
VXI测控程序首先根据主测控计算机发来的命令(命令中包含原始数据库的序号),读取原始数据库文件中的一条记录,然后根据测试字段中包含的任务找到并执行相应的函数,这些函数都是根据测控任务定制实现的,并且可以扩充。执行完一项测试或控制任务,存储测试结果和结论,并在软面板上显示,同时将测试结果和结论发送给主测控计算机,最后回到等待主测控计算机命令状态,再根据命令执行下一条记录。VXI测控程序总流程图见图5。
5. 5 基于虚拟仪器技术的VXI总线测控系统软面板设计
虚拟仪器的出现对传统的仪器面板带来了一个革命性的冲击,虚拟仪器的最大特点就是抛弃了传统的操作面板,仪器的操作与显示借助计算机强大的计算与显示能力来实现,用户与仪器的交互界面变为由计算机软件实现,也即软面板。
软面板是一个特殊的测试应用程序,VXI总线测控系统的软面板工程文件包括仪器驱动程序的头文件、用户界面头文件、用户界面文件、函数面板文件、软面板源代码文件等。在VXI总线测控系统中,用户界面文件为OCTRLLER. uir,软面板为VXI总线测控系统提供了一个系统级、可操作的用户界面(如图6所示)。
6 采用虚拟仪器技术和VXI总线技术改善了自动化测控系统的性能
● 提高了系统的可靠性
在进行VXI总线功能模块设计时,采用了通用VXI总线接口电路及系统集成技术,这样不仅减少了中小规模集成电路的使用,还大大提高了电路设计的可靠性。
VXI机箱的性能对整个系统的性能影响很大, 在进行机箱设计时充分考虑了机箱电源所能提供的可用功率、在不同电压所能提供的稳态电流和动态电流、机箱对每一个插槽所能提供的冷却能力、机箱的屏蔽、接地、电磁兼容性能等,大大提高了系统的可靠性。
● 提高了系统集成度
对功能模块进行了组合,在一块C尺寸印制板上实现了16路开关量输入和60路状态查询,在一块C尺寸印制板上实现了48路驱动开关,在一块C尺寸印制板上实现了64路采样开关和4路分配开关,这样使系统更加小型化。功能模块均采用系统集成技术进行设计,提高了电路设计的集成度和可靠性。
● 缩短了测试时间
VXI总线数据传输速率为40Mbyte/s,总线背板不会成为数据传输的瓶颈,使系统具有较高的测试吞吐能力。
在系统测试过程中, 8路A/D变换器测试的数据量大,通过VXI总线的本地总线将测试数据传送到VXI嵌入式计算机,大大减少了数据传输时间。
系统中的测量模块均设计成高输入阻抗,加上VXI总线的多级优先中断总线能进行关键的中断处理,使VXI总线测控系统可采用并行测试技术,缩短测试时间。
● 提高了测试精度
在系统进行时序测试时,VXI系统能够快速处理时序中断,再加上计时精度的提高,从而提高了系统时序测试的精度。
VXI系统测量模块的测试精度较CAMAC模块都有较大程度的提高,从而提高了系统模拟量测试的精度。
● 提高了故障定位能力
采样速率较高的8路A/D变换器实现了模飞测试过程中对弹上计算机D/A输出和伺服作动器输出的动态测试,通过比对绘出的伺服作动器输入和输出波形,大大提高了系统故障分析和定位能力。
● 提高了系统软件的通用性、可移植性
采用符合VPP规范的仪器驱动程序结构编写出符合VPP规范的仪器驱动程序不会因软件平台、系统结构、控制器、总线类型的改变而重写,VXI测控程序的编写也采用了符合VPP规范的软件开发环境及VISA接口技术,保证了VXI测控程序在不同软件开发平台及操作系统之间的可移植性。
7 结 论
随着VXI总线技术在测试和控制领域的迅速发展,将虚拟仪器技术和VXI总线技术应用于测试发射控制系统中,推动了我国航天测控技术的发展。
参 考 文 献
[1] VXIbus System Specification Revision 2000[S],TheVX-Ibus Consortium, 2000.
[2] 陈光禹. VXI总线测试平台技术[M].成都电子科技大学出版社, 1996. 10.
[3] Steve. W indowsNT技术内幕[M].清华大学出版社.
[4] VXIplug&play SystemsAlliance VPP1-VPP10[S].电子测量与仪器学会VXI信息网, 1996. 11.
[5] 张毅刚等.自动测试系统[M].哈尔滨工业大学出版社, 2001. 9.
