高精度傳感器自動化測試系統(tǒng)的設計

張 勇

(天津電子信息職業(yè)技術學院，天津 300350)

隨著工業(yè)自動化的快速發(fā)展，不斷地促進經(jīng)濟的快速發(fā)展，提高了生產(chǎn)效率，提升了經(jīng)濟效益，但傳統(tǒng)的工業(yè)自動化在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字化等新形勢下正面臨嚴峻考驗。因此，基于虛擬儀器技術的自動化測試，在智能制造發(fā)展的大好時機下得到了快速發(fā)展。該虛擬儀器可以快速建立起測試與控制平臺，同時攻破了傳統(tǒng)測試設備不能更換硬件功能的難題，能夠很好地結合模塊化設備，完成各種測試需求，為下一代工業(yè)自動化在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)打下了良好的基礎。

本系統(tǒng)采用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺，應用狀態(tài)機的控制方式對整個系統(tǒng)進行控制，使整個測試系統(tǒng)的性能更優(yōu)異，通過PXI總線的模塊化儀器，使系統(tǒng)可靠性、擴展性更強。

本系統(tǒng)應用虛擬儀器技術使測試系統(tǒng)的功能進行軟件化，拓展了該測試系統(tǒng)硬件不能擴展的需求，使測量系統(tǒng)發(fā)生了質的改變，同時應用PXI總線的模塊化儀器使整個測量系統(tǒng)性能更優(yōu)異、擴展性更強。在前面板設計中，應用了LabVIEW的動態(tài)程序控制技術，當實現(xiàn)不同的功能時，就將相應的VI調(diào)入內(nèi)存，通過動態(tài)調(diào)入VI，可以使運行的VI程序達到最優(yōu)化，進而減少內(nèi)存的使用，提高整個測試系統(tǒng)的性能。在程序框圖設計中，應用隊列技術將數(shù)據(jù)放入到隊列中，采用多線程、多任務方式同時進行管理，這樣不僅增強了程序的可讀性，降低編程復雜性，而且也方便維護。在生成報表設計中，采用了Activex技術，labview作為客戶端通過Excel提供的Activex自動化對象在labview中操作Excel。此軟件極大地提高了工作效率，在實際當中取得了很好的效果。

一、高精度傳感器自動化測試系統(tǒng)硬件總體設計

由于本高精度傳感器自動化測試系統(tǒng)要實現(xiàn)44路高精度測量，且要保證具有一定的同步性，因此整個硬件系統(tǒng)是基于PXI平臺架構，由高精度數(shù)字表卡4071和掃描開關2530B等模塊化儀器組成，高精度數(shù)字表卡4071采集來自44路鉑電阻PT100的電阻信號，并產(chǎn)生觸發(fā)信號，通知掃描開關2530B切換到掃描列表的下一項，在采集周期內(nèi)，由掃描開關2530B快速切換44個通道進行采集，采集完成后產(chǎn)生觸發(fā)信號再通知高精度數(shù)字表卡4071繼續(xù)采集測量。

由于本測試系統(tǒng)采用的是高精度的數(shù)字表卡4071，為了保證整體性能，需要在硬件和上層軟件之間建立起高速通道，因此總線的選擇就至關重要，不僅能夠快速地傳輸數(shù)據(jù)，還決定著測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以本高精度測試系統(tǒng)硬件還需進行以下工作。

(一)總線的選擇

在本測量系統(tǒng)中，是以數(shù)字萬用表/掃描開關為主的高精度自動化測試系統(tǒng)，時延相對這種單點操作較為重要。由于本系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)流形式的LabVIEW平臺進行開發(fā)，所以帶寬對于數(shù)據(jù)流應用同樣較為重要。因此選擇一個正確的總線，對于系統(tǒng)的性能至關重要。

基于PC機/PXI的虛擬儀器系統(tǒng)，能很好地解決以上兩個問題，在PXI背板上保留了PCI電氣總線，并設置了各類插槽，使各類儀器具有模塊化的特性，根據(jù)設計的功能插入不同的功能模塊，同時進行Eurocard機械封裝，使PXI成為一個具有不同信號組合的平臺架構，也使它繼承了PCI的電氣信號特性，具有非常高的數(shù)據(jù)傳輸能力，數(shù)據(jù)處理速度達到從132Mbyte/s到528Mbyte/s的傳輸能力?；赑XI總線的系統(tǒng)由PXI機箱、系統(tǒng)控制處理器、PXI背板和數(shù)個外設模塊組成，使其在可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾方面得到大幅提升。

(二)模塊化儀器的選擇

在本PC機/PXI的虛擬儀器系統(tǒng)中，對于整個性能來說另一個重要指標是模塊化儀器的選擇，在本PXI機箱中設置不同的插槽，用于放置不同的模塊化儀器，這些儀器可以在同一個機箱內(nèi)使用相同的設備電源和控制器，而對于分立儀器設備需要在每一個設備中都配置同樣的設備，這就大大地增加了產(chǎn)品的成本和外圍尺寸，也降低了產(chǎn)品的可靠性。同時，在PXI機箱中控制器使用的都是G赫茲PC處理器，其測量速度吞吐量是傳統(tǒng)儀器的十到百倍，這就使模塊化儀器具有高帶寬、低時延的總線特性，可快速地實現(xiàn)從模塊化儀器到共享處理器的連接。

而對于本系統(tǒng)來說，由模塊化儀器PXI 2530B開關卡配置成64×1的2線制測量，配合7位M半模塊化儀器4071實現(xiàn)兩線制測量44路鉑電阻，并產(chǎn)生觸發(fā)信號通過和4071萬用表的互相觸發(fā)，實現(xiàn)多路測試，如圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件模塊化儀器工作原理

在整個系統(tǒng)中，采用了模塊化儀器進行硬件系統(tǒng)的搭建，相對于傳統(tǒng)儀器來說，這種基于軟件化的模塊化儀器更具有靈活性，方便系統(tǒng)功能的擴展和二次開發(fā)。由于傳統(tǒng)儀器功能固化，而模塊化儀器可以自由地添加新的功能和屬性，賦予用戶更多的自主權，使自動化測試更加完善，更加智能。因此如果需要對測試系統(tǒng)重新進行配置，來滿足多種不同任務的需要時，可以配置不同的板卡，這樣使整個系統(tǒng)可以根據(jù)需求的變化調(diào)整原系統(tǒng)，靈活性更強。

(三)驅動程序的選擇

由于上層軟件要控制模塊化儀器，就必須保證它們之間能夠進行通信。目前投入市場的儀器設備，都會由設備制造商提供儀器驅動程序，他們將這些底層語言編制的指令封裝程子VI的形式來進行調(diào)用，只保留輸入輸出及參數(shù)設置，在使用時配置好相應參數(shù)，就可以輕松地實現(xiàn)儀器的功能。

本高精度測試系統(tǒng)的測量程序中采用的是高精度數(shù)字表4071儀器驅動程序的子VI，這樣就可以設置所需要的功能，本4071采集模塊最高精度可設置成7位半精度，由于本項目產(chǎn)品的精度要求不是太高，所以本項目設置為5位半精度；同樣對掃描開關2530B也調(diào)用了驅動程序，并對掃描開關的觸發(fā)方式、循環(huán)方式、掃描清單進行了設置，矩陣配置采用64×1(2線)，掃描清單通道設置為ch0:43->com0，同時為了保證高精度分別在4071和2530B的采集流采用毫米級定時器，在進入生產(chǎn)者消費者循環(huán)后采用時間計時器進行毫秒同步計時，由于使用了封裝好的驅動程序，可快速方便地搭建軟件和硬件之間的聯(lián)系，提高了工作效率。

二、高精度傳感器自動化測試系統(tǒng)軟件總體設計

本測試系統(tǒng)軟件總體主要對前面板和程序框圖進行了設計。當實現(xiàn)不同的功能時，就將相應的VI調(diào)入內(nèi)存，通過動態(tài)調(diào)入VI，可以使運行的VI程序達到最優(yōu)化，進而減少內(nèi)存的使用，提高整個測試系統(tǒng)的性能。同時，整體架構采用的是狀態(tài)機的控制方式，對整個測試系統(tǒng)進行控制，可有效地避免輪詢導致的CPU浪費，而在數(shù)據(jù)采集子VI中，為了避免數(shù)據(jù)重復和丟失，應用隊列技術將數(shù)據(jù)放入到隊列中，采用多線程、多任務方式同時進行管理，保證了數(shù)據(jù)的準確性。

(一)前面板設計

在前面板設計中，對每個控件設置事件響應類型，保證在調(diào)用該VI時能將需要的VI進行運行，其他VI不放入內(nèi)存，這樣就實現(xiàn)了動態(tài)控制VI，由于在調(diào)用目標VI時，沒有把全部的VI都調(diào)入內(nèi)存，使軟件占有內(nèi)存大大減少，提高了軟件的系統(tǒng)性能。

為了提高傳感器測試的自動化程度，在創(chuàng)建可靠性的環(huán)境試驗中，先讓測試軟件進行自動巡檢，當檢測的溫度持續(xù)在設定范圍內(nèi)10分鐘時，方可進行產(chǎn)品測試。在數(shù)據(jù)采集子VI中，數(shù)據(jù)采集主界面可將設置的所有信息進行顯示，同時波形圖表可對產(chǎn)品的試驗過程進行直觀地監(jiān)控，如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集顯示界面

同時為了直接顯示被測的溫度信息，對鉑電阻傳感器的信號進行了二次轉化，利用PT100鉑電阻分度表中的溫度和阻值對應關系，并根據(jù)本產(chǎn)品實驗的溫度范圍從-70℃到300℃內(nèi)進行線性細分插值，并封裝成子VI，在進行報表輸出時，直接進行調(diào)用轉化，方可直接輸出溫度值，為了保證該測試系統(tǒng)對其他類型傳感器的通用性，對PT500和PT1000兩種類型的傳感器，也在實驗溫度范圍內(nèi)進行了線性細分插值和封裝，保證了測量精度和測試產(chǎn)品的廣泛性。

該軟件運行步驟如下：

1.按下開始運行按鈕后，程序按選擇順序自上而下的執(zhí)行測試程序。

2.在參數(shù)配置過程中，按照要求進行配置，完成后自動關閉。

3.若環(huán)境試驗條件達到了試驗的要求時，可直接進行數(shù)據(jù)采集，若沒有達到時，可讓測試系統(tǒng)進行自動巡檢，當達到要求時會有聲光報警提醒使用人進行下一步工作。

4.點擊完成后開始進行產(chǎn)品測試。

(二)程序框圖設計

在整個系統(tǒng)程序框圖中，采用狀態(tài)機的控制方式，通過生產(chǎn)者——消費者模式，應用隊列技術將數(shù)據(jù)放入到隊列中，采用多線程、多任務方式同時進行管理，這樣不僅增強了程序的可讀性，降低編程復雜性，而且可以方便維護，使程序框圖更加清晰，同時可以避免大量的重復編程，如圖3。

圖3 狀態(tài)機控制結構框圖

本系統(tǒng)軟件部分，在狀態(tài)機的架構下，采用的是事件控件，觸發(fā)源來自前面板上的控件按鈕，如果用戶點擊相應按鈕時，該控件按鈕的程序框圖中的VI就可以根據(jù)事件結構自帶的控件引用，來建立該控件的Label.Text屬性，并獲取控件的中文名稱，接線來用Open VI Refernece函數(shù)來獲取該控件的引用，再利用屬性節(jié)點Exec.State得到目前軟件的工作狀態(tài)，若軟件處于Idle狀態(tài)(即不運行狀態(tài))，則使用Run VI屬性運行該VI，最后利用Subpanel實現(xiàn)動態(tài)加載界面。

對于本系統(tǒng)來說數(shù)據(jù)采集周期為人為設置，可以設置的很高，這就要求普通的數(shù)據(jù)流方式顯然不行，為了保證程序在數(shù)據(jù)采集過程中不出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復和丟失的現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)的準確性。本軟件在狀態(tài)機的架構下設置了隊列程序，將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析放入到不同的循環(huán)中，當數(shù)據(jù)采集的時間周期和數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)周期不同時，就將采集的數(shù)據(jù)放入到隊列中進行排隊，防止數(shù)據(jù)的溢出，若隊列中沒有數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)分析程序就進入等待狀態(tài)，通過此隊列技術的應用，保證了數(shù)據(jù)采集的真實可靠，防止了數(shù)據(jù)的重復和丟失，如圖4所示。

圖4 隊列程序框圖

在測試系統(tǒng)的軟件編制過程中，整體采用項目樹來進行管理的，由于除了有非常多的子VI，還有一些表格文檔，為了修改其中某項信息，相關能夠進行同步更新，必須建立起他們之間的依賴關系，防止出現(xiàn)前后不匹配問題，同時在項目管理中，可以將所有程序文檔打包進行發(fā)布，在沒有LABview運行平臺的計算機中，使用起來非常方便。

(三)生成報表設計

LabVIEW本身沒有數(shù)據(jù)庫子VI，這就要求必須通過外部程序接口來調(diào)用，進而對Excel進行訪問管理。

ActiveX是由微軟公司提出的一種建立在OLE標準之上的規(guī)范和公共框架，通過ActiveX技術，可以將一些其他的軟件組裝到應用程序或者服務程序中去，并在客戶端執(zhí)行，由于在LabVIEW中無法直接操作Microsoft Excel，因此，可以把它當成一個ActiveX Automation服務器，把LabVIEW應用程序當成客戶端，通過ActiveX去控制Microsoft Excel的屬性，對它的屬性節(jié)點和調(diào)用節(jié)點進行操作，從而完成生成報表、打印報表的功能。

在報表程序模塊中，現(xiàn)在Microsoft Excel編制好符合要求的報表形式，之后通過ActiveX技術實現(xiàn)Excel與LabVIEW進行通訊，將采集好的數(shù)據(jù)傳遞給Excel，并通過調(diào)用節(jié)點放置在預先規(guī)定好的位置，最后再設置Excel屬性格式，釋放資源，完成報表的打印輸出。通過這種方式，ActiveX Automation服務器等待LabVIEW應用程序客戶端向它發(fā)出命令，然后根據(jù)客戶端的命令進行執(zhí)行某項功能或接收來自客戶端的數(shù)據(jù)，即LabVIEW客戶端通過ActiveX Automation服務器向Microsoft Excel發(fā)出數(shù)據(jù)填寫的請求，接下來由Microsoft Excel響應客戶端的請求，并接收采集的有效數(shù)據(jù)，進而逐步更新報表內(nèi)容，來實現(xiàn)報表的生成，圖5是本測試軟件的報表程序框圖。

圖5 本測試軟件的報表程序框圖

三、結語

高精度傳感器自動化測試系統(tǒng)的設計。在當今快速發(fā)展的社會中，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，工業(yè)自動化測試在各行各業(yè)中都得到了廣泛應用，提高了生產(chǎn)效率，加快了經(jīng)濟發(fā)展，但同時對自動化測量精度和功能的要求也越來越高?；谔摂M儀器和PXI技術的測試系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)測試系統(tǒng)硬件固化的限制，實現(xiàn)了測試系統(tǒng)定制化、軟件化和模塊化，同時客戶可以在本測試系統(tǒng)架構上進行二次開發(fā)添加或刪減部分功能，獲取想要的數(shù)據(jù)，使測試更為智能。

本項目分別完成了對某航空單位的飛機風擋玻璃測試和C919項目中MGQ-62溫度傳感器的測試，通過了環(huán)篩通電監(jiān)測和0n-off循環(huán)目擊實驗驗證，由于采用自動采集，智能監(jiān)控及聲光報警設置，方便了監(jiān)管部門的過程監(jiān)督，由于采用了隊列技術，也保證了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的準確性，防止出現(xiàn)虛假數(shù)據(jù)的情況，在實際的應用中，得到了客戶的滿意和相關單位的認可。