基于LabVIEW和PXI的某裝甲車儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖俊生，周小鳳，左鴻飛

XIAO Jun-sheng1，ZHOU Xiao-feng2，ZUO Hong-fei1

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，包頭 014010；2.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，包頭 014030）

0 引言

隨著自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和裝甲車輛的更新?lián)Q代，其儀表和指令系統(tǒng)也在不斷進(jìn)步和發(fā)展；傳統(tǒng)機(jī)械式指針儀表采取“空分制”的布局方式，各儀表占據(jù)固定的位置和空間，儀表的利用率很低，占用空間大，已不能滿足新型裝甲車發(fā)展的需求。而 “時(shí)分制”儀表能在不同的工作階段顯示不同的工作參數(shù), 提高了儀表的利用率，節(jié)省了空間，逐漸成為未來(lái)裝甲車儀表發(fā)展的趨勢(shì)之一。目前國(guó)際上最新發(fā)展起來(lái)的綜合顯示控制系統(tǒng)、頭盔顯示器即采用“時(shí)分制”模式，并已在許多發(fā)達(dá)國(guó)家的航空航天領(lǐng)域以及武器裝備系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。本文以美國(guó)國(guó)家儀器有限公司（National Instruments,簡(jiǎn)稱NI）PXI為平臺(tái)設(shè)計(jì)虛擬儀表系統(tǒng)。該虛擬儀表系統(tǒng)采用“時(shí)分制”顯示模式，在同一液晶屏上通過(guò)不同頁(yè)面顯示不同的工作參數(shù)，提高了儀表的利用率，減小了系統(tǒng)體積，同時(shí)也減輕了駕駛員的工作強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

裝甲車虛擬儀表系統(tǒng)，采用虛擬儀器技術(shù)以NI公司PXI系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，通過(guò)圖形化語(yǔ)言LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)各傳感器信號(hào)的采集處理，并以“時(shí)分制”模式在液晶顯示器上以虛擬儀表形式直觀顯示。駕駛員可通過(guò)觸摸屏操作按鈕切換顯示界面，實(shí)現(xiàn)在不同情況下顯示不同界面。

系統(tǒng)主要檢測(cè)的參數(shù)按信號(hào)特性分三類[3], 包括：

1) 模擬量：蓄電池電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)油壓、發(fā)動(dòng)機(jī)油溫、制動(dòng)氣壓、冷卻水溫度、變矩器油壓、變矩器油溫、制動(dòng)油壓、燃油消耗等;

2) 脈沖量：車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、里程速度等;

3) 開(kāi)關(guān)量：氣壓報(bào)警、二三橋軸間右通、手制動(dòng)、二三橋軸間左通、一橋左通、駕駛窗關(guān)閉、車長(zhǎng)門(mén)關(guān)閉、后門(mén)關(guān)閉、戰(zhàn)斗室進(jìn)水、空氣濾、輪間差速鎖、水上行駛、一橋左通、左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、戰(zhàn)斗室水泵、變速箱高檔、變速箱低檔、電熱塞、抽塵泵、動(dòng)力倉(cāng)水泵、液壓總閥啟動(dòng)等。

車輛工作在過(guò)程中，虛擬儀表系統(tǒng)實(shí)時(shí)地反映車輛各部件的運(yùn)作參數(shù)，并可實(shí)時(shí)保存運(yùn)行過(guò)程中的各參數(shù)值，供后續(xù)分析和故障追憶使用。同時(shí)，當(dāng)參數(shù)值出現(xiàn)異常時(shí)，可進(jìn)行故障診斷并高亮顯示報(bào)警信息，以提醒駕駛員注意。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

虛擬儀表系統(tǒng)的硬件主要由NI PXI機(jī)箱、主控制器、PXI數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)接線盒等組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主控制器是整個(gè)虛擬儀表的核心，所有數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互功能等的實(shí)現(xiàn)都由主控制器來(lái)完成，因此選用高性能的PXI-8115控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)；PXI-8115是基于Intel Core i5-2510E處理器的高性能嵌入式控制器，具有2.5 GHz基頻、3.1 GHz（單核Turbo Boost模式）雙核處理器和單通道1,333 MHz DDR3內(nèi)存[4]。

圖1 虛擬儀表系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

模擬量采集板卡選用PXI-6224，其分辨率為16位，采樣率為250kS/s，具有16路差分輸入通道或32路單端輸入通道；目前系統(tǒng)有9路模擬量信號(hào)需采集，為了提高模擬量采集的抗干擾能力，9路信號(hào)全部采用差分輸入模式，共占用9路差分輸入通道，其余通道作為系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)備用。由于采集發(fā)動(dòng)機(jī)油溫、冷卻水溫度、變矩器油溫的傳感器為熱電阻傳感器，因此需要通過(guò)熱電阻信號(hào)調(diào)理模塊將電阻信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)進(jìn)行采集；其他幾路模擬量采集傳感器輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，可直接送入板卡。

數(shù)字量采集卡選用PXI-6511，具有64路帶隔離開(kāi)關(guān)量輸入端口，輸入范圍0-30V,可滿足本系統(tǒng)22路數(shù)字量信號(hào)的采集。脈沖信號(hào)采集通過(guò)PXI-6602實(shí)現(xiàn)，該模塊提供8通道32位加減計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)本系統(tǒng)中3個(gè)脈沖信號(hào)的采集。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)虛擬儀表系統(tǒng)是以LabVIEW8.5作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于模塊化的思想進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。系統(tǒng)的軟件按不同功能分為參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及故障診斷、數(shù)據(jù)管理、人機(jī)交互等六個(gè)模塊；如圖2所示。

圖2 虛擬儀表系統(tǒng)軟件功能模塊

3.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

由于整個(gè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)種類多數(shù)據(jù)量大，為了提高數(shù)據(jù)采集處理速度，軟件架構(gòu)采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式。該模式包括一個(gè)或多個(gè)并行while循環(huán)，每個(gè)循環(huán)以不同的速率執(zhí)行任務(wù)[5]；其程序模型如圖3所示。在本系統(tǒng)中，生產(chǎn)者循環(huán)負(fù)責(zé)完成所有數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，并將采集到的數(shù)據(jù)送入隊(duì)列，該過(guò)程耗時(shí)極少。消費(fèi)者循環(huán)從隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的濾波、標(biāo)度變換、報(bào)警及故障診斷等處理，同時(shí)，可將處理后的數(shù)據(jù)按需求進(jìn)行保存。此外，消費(fèi)者循環(huán)里還設(shè)置了一個(gè)事件結(jié)構(gòu)用于響應(yīng)前面板的操作。采用該模式，數(shù)據(jù)的采集和處理保存是并行執(zhí)行的，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。另外，軟件上需要添加功能時(shí)實(shí)現(xiàn)起來(lái)也相當(dāng)便捷。

3.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集程序通過(guò)調(diào)用NI-DAQmx硬件驅(qū)動(dòng)程序提供的應(yīng)用函數(shù)（API）來(lái)現(xiàn)實(shí)，NI-DAQmx提供的API, 在各種設(shè)備功能和設(shè)備系列中都是相同的。這就意味著一個(gè)多功能設(shè)備的所有功能可由同樣的函數(shù)集編程得到(模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O和計(jì)數(shù)器)。而且在LabVI EW中,由于多態(tài)機(jī)制, 一個(gè)數(shù)字I/O設(shè)備和一個(gè)模擬輸入設(shè)備都使用相同的函數(shù)集編程得到是完全可以實(shí)現(xiàn)的[6]。這樣為編程實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)采集任務(wù)提供了很大的方便。本系統(tǒng)的數(shù)字量、脈沖量的采集就和模擬量采集程序基本相同，只是個(gè)別參數(shù)不同而已。下面以模擬量采集說(shuō)明該過(guò)程。模擬量采集處理程序如圖3，其中生產(chǎn)者循環(huán)主要完成數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，首先，通過(guò)“創(chuàng)建虛擬通道”和“定時(shí)”函數(shù)對(duì)采集任務(wù)進(jìn)行初始化（主要初始化的參數(shù)有：信號(hào)接線方式、信號(hào)范圍、物理通道、采樣模式、采樣率、緩沖區(qū)大?。瑫r(shí)，創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列用于存放采集到的數(shù)據(jù)；接著由“開(kāi)始任務(wù)”函數(shù)來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程；在循環(huán)內(nèi)部通過(guò)“讀數(shù)據(jù)”函數(shù)完成數(shù)據(jù)的讀取工作，并將讀取到的數(shù)據(jù)送入隊(duì)列，以備消費(fèi)者循環(huán)使用，需要說(shuō)明的是，“讀函數(shù)”是一個(gè)多態(tài)，用的時(shí)候只需要設(shè)置參數(shù)選取不同實(shí)例就可以完成多個(gè)通道數(shù)據(jù)的讀取工作，而不需要多次調(diào)用該函數(shù)；當(dāng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)完成后，通過(guò)“停止任務(wù)”和“清除任務(wù)”函數(shù)將任務(wù)清除掉以釋放硬件資源。另外，每個(gè)函數(shù)執(zhí)行過(guò)程中如果產(chǎn)生錯(cuò)誤，都會(huì)通過(guò)錯(cuò)誤連線將錯(cuò)誤向程序頂層傳遞，同時(shí)，終止采集任務(wù)。

圖3 生產(chǎn)者消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式/模擬量采集

消費(fèi)者循環(huán)完成數(shù)據(jù)的處理工作。循環(huán)內(nèi)部先從隊(duì)列中將數(shù)據(jù)讀出，并同時(shí)送入數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)回放模塊。數(shù)據(jù)處理子VI完成濾波、標(biāo)度變換、報(bào)警及故障診斷等處理，處理后的結(jié)果送入顯示子VI；顯示子VI以表盤(pán)、數(shù)字、曲線等方式完成數(shù)據(jù)的顯示工作。存儲(chǔ)回放子VI根據(jù)實(shí)際參數(shù)設(shè)置情況完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作，并在需要的時(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取與回放。

為了實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢以及數(shù)據(jù)共享，系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。程序中通過(guò)LabSQL(第三方免費(fèi)工具包)實(shí)現(xiàn)LabVIEW和數(shù)據(jù)庫(kù)的接口，完成數(shù)據(jù)庫(kù)的連接、打開(kāi)，數(shù)據(jù)記錄的寫(xiě)入、查詢等操作。其中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)采集處理后的數(shù)據(jù)，報(bào)警數(shù)據(jù)表完成報(bào)警數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作。

消費(fèi)者循環(huán)中的事件結(jié)構(gòu)用于響應(yīng)前面的操作，該結(jié)構(gòu)可及時(shí)響應(yīng)前面的任何操作，而不占用太多機(jī)器資源。如當(dāng)系統(tǒng)某參數(shù)值異常時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，此時(shí)，如駕駛員在確認(rèn)該參數(shù)報(bào)警情況不是特別緊急的情況下，可以點(diǎn)擊“報(bào)警清除”按鈕，該報(bào)警就只有報(bào)警燈亮而聲音取消了，以降低對(duì)駕駛員的影響。

3.3 前面板設(shè)計(jì)

前面板作為系統(tǒng)與駕駛員的人機(jī)界面，其顯示效果及交互能力好壞直接影響系統(tǒng)的工作效率。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)前面板如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)顯示主界面

由于顯示參數(shù)較多，且不同情況下重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)不同，因此，系統(tǒng)界面通過(guò)選項(xiàng)卡控件實(shí)現(xiàn)分屏顯示，主要分以下四個(gè)子界面：儀表、曲線、報(bào)警記錄和定位導(dǎo)航。駕駛員可通過(guò)觸摸屏操作以選取不同的顯示界面。

儀表主界面分三大塊顯示車輛的各工況參數(shù)，左上角為模擬量參數(shù)顯示部分，有轉(zhuǎn)速、車速、里程、各壓力和溫度顯示儀表，該部分通過(guò)虛擬的模擬表頭直觀顯示各參數(shù)的數(shù)值，方便駕駛員掌握車輛的實(shí)際情況。右上角以數(shù)字的方式顯示燃油量、蓄電池電壓、放電電流、發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間、經(jīng)緯度等信息。下邊集中顯示各開(kāi)關(guān)量和報(bào)警信息，報(bào)警分為2個(gè)級(jí)別，一般報(bào)警紅燈亮，嚴(yán)重報(bào)警紅燈閃爍并發(fā)出聲音。曲線顯示界面主要用于以曲線的形式顯示各模擬量參數(shù)，這樣不僅能看出參數(shù)的當(dāng)前值，還能了解到該參數(shù)的變化趨勢(shì)。報(bào)警記錄顯示界面，用于報(bào)警記錄的實(shí)時(shí)顯示和查詢，以曲線和表格兩種形式顯示查詢結(jié)果。定位導(dǎo)航界面可顯示地圖、當(dāng)前車輛位置和導(dǎo)航等信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著裝甲車自動(dòng)化性能的不斷提高，虛擬儀表系統(tǒng)將成為裝甲的重要組成部分。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已取得成功。下一步將繼續(xù)擴(kuò)充顯示和控制信息種類：對(duì)車載空調(diào)、娛樂(lè)等舒適性設(shè)備進(jìn)行控制；將一些重要原始數(shù)據(jù)保存到單獨(dú)可靠性較高的存儲(chǔ)器中，以實(shí)現(xiàn)黑匣子功能； 跟車載其他智能設(shè)備（如滅火系統(tǒng)）進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)整車信息共享、一體化管理功能等；加強(qiáng)通信功能，實(shí)現(xiàn)和其他車輛的協(xié)同工作，以提高整車的協(xié)同作戰(zhàn)能力和生存能力。

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[3]胡文江,江杰,李杰.全數(shù)字化車輛儀表的應(yīng)用研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(12-2)：220-222.

[4]NI PXI-8115- National Instruments [DB/OL]，http：//sine.ni.com/nips/cds/print/p/lang/zhs/nid/210273.

[5]唐進(jìn)元,李松,邵文.基于LabVIEW 生產(chǎn)者—消費(fèi)者模式的齒輪傳動(dòng)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[J].機(jī)械傳動(dòng),2011,25(1)：5-7.

[6]馮曉婷,李杏華,樊玉銘.基于LabVIEW及NI DAQmx的壓延機(jī)在線測(cè)厚系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓,2010,38(5)：73-76.