基于PXI总线的远程测控系统设计

摘要：网络技术的发展大大增强了虚拟仪器的功能。本文介绍了一套基于虚拟仪器的远程测控系统，系统以多功能转子实验台作为被测对象，通过PXI采集平台和DataSocket技术实现数据的采集和远程通讯。整个系统柔性好，适应性强，不但可以用于实验室教学，还可以更广泛地应用到工业现场。
关键词：PXI总线；虚拟仪器；DataSocket

1  引言
随着计算机技术和通讯技术的不断发展，网络技术已经渗透到仪器领域。虚拟仪器和网络化测控技术是现代化测量的重要标志。虚拟仪器以PC机为核心，由测量功能软件支持，使用虚拟控制面板模拟传统仪器仪表操作方式，利用丰富的软件实现对数据的采集、处理、传送、存储、显示和打印等功能；通过与Internet技术的结合，基于计算机技术的虚拟仪器系统技术正以不可逆转的力量推动着测控技术的革命。
本系统采用NI公司的PXI－1010采集平台和DataSocket通讯技术，在LabVIEW环境下进行编程，实现对数据的采集、分析和远程通讯。整个系统开放性好，具有很强的适应性，能够提高测控水平和效率，同时实现信息资源的共享。
虚拟仪器是将现有的计算机主流技术与革新的灵活易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立起功能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统来替代传统仪器（价格昂贵，功能单一）的功能。NI公司的软件工具由测量驱动程序和仪器驱动软件、应用开发环境（如LabVIEW, LabWindows/CVI, 和Measurement Studio）和高阶测试与数据管理工具三部分共同组成。通过使用隶属于该架构的简单易用的开发环境，如LabVIEW，可以在很短的时间内完成测量与控制系统的模拟，原型建立，设计，配置和修改等任务。

2 系统的硬件组成
   PXI简介［１］
PXI是一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，具备机械、电气与软件等多方面的专业特性。PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准结构——PCI，是CompactPCI规范的扩展。CompactPCI定义了封装坚固的工业版PCI总线架构，在硬件模块易于装卸的前提下提供优秀的机械整合性。 因此，PXI产品具有级别更高、定义更严谨的环境一致性指标，符合工业环境下振动、撞击、温度与湿度的极限条件。PXI在CompactPCI的机械规范上强制增加了环境性能测试与主动冷却装置，以简化系统集成并确保不同厂商产品之间的互用性。此外，PXI还在高速PCI总线的基础上补充了测量与自动化系统专用的定时与触发特性。
PXI的技术特点主要有两个：首先是基于CPCI,并兼容CPCI；其次是面向测试和测量应用设计。PXI的规格也有两种：3U和6U。3U的PXI主要应用方向将是组成便携或小型的测试、SCADA、监视与控制以及工业自动化系统；6U的PXI主要向高采样速度、高带宽、高精度、多通道容量的中、大型ATE应用发展。
2.2  系统硬件组成 
考虑工业生产中涉及到多种传感器的数据采集和仪器驱动，同时也存在着对传感器参数的调整和生产现场恶劣等因素，因此整个测控系统的硬件结构必须充分体现该系统的柔性特点，要求有很强的适应性。本系统在实验室以东方振动和噪声技术研究所研制的多功能转子实验台为测控对象。系统硬件组成框图如图1所示。
系统测试机箱选用NI公司的PXI-1010，它是PXI/SCXI组合式机箱，有8个PXI/Compact模块插槽和4个SCXI模块插槽。这种标准的3U机箱可方便地安装在现场设置地控制机箱内。
采集平台主机内部配置的PXI-6040E模块是12位的多功能采集卡，它将模拟信号转化为数字信号，有16路模拟输入通道，最高采样频率能达500KS/s，输入电压范围为±0.05to±10V，有8位数字输出通道，输出电压范围为±10V,输出率可高达1MS/s.这样完全可以利用该模块进行有效地数据采集和对现场控制器的控制工作。
主机内部的PXI-8176嵌入式控制器有RS-232和GPIB接口，能够很方便的实现不同总线类型数据之间的转换并且可以控制别的测量仪器；另外该控制器还有扩展的USB 24X CD-ROM，通过USB接口连接CD-ROM，这样就可以方便的进行软件安装和升级。控制器里面还装有集成网卡，为远程测试提供了服务。
主机内部还配置了SCXI-1102信号调理模块和SCXI-1125信号输入调理模块。其中SCXI-1102配合SCXI-1303端子，有32个通道，每通道的输入电压可以在±100mV－±10V之间，可以以333K/s的速度输出经过硬件信号去噪放大的信号，确保了输出信号的可靠性；SCXI-1125配合SCXI-1138端子，有8个独立的模拟输入通道，每个通道的工作电压可高达300V，输入电压范围为±2.5Mv－±1000VDC。这样可以方便我们处理大范围的数据，提高了系统的柔性。
这样整个系统就可以实现对数据的采集、处理以及网络之间数据的传送。

3  系统的软件组成
现在的应用开发平台很多，主要有NI公司的LabVIEW图形化开发平台和测量软件工作组件，NI公司的LabWindows/CVI可视化开发平台，Agilent公司的HP-VEE图形化开发平台，Microsoft公司的Visual C++及Visual Basic可视化开发组件等［２］。本系统我们选用LabVIEW系统作为系统开发软件平台。
LabVIEW是一个具有革命性的图形化开发环境，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环境中。从数据采集到仪器控制，图像采集到运动控制，LabVIEW都可以提供各种工具以迅速完成数据采集系统的开发。LabVIEW内带400 多个分析处理工具，专门用于从采集到的原始数据中提取有用的信息，或用于测量数据分析并进行信号处理。诸如快速傅立叶变换（FFT）与频率分析、信号发生、数学运算、曲线拟和、数据差补及时频分析等工具的功能都可以从原始数据中获得有意义的信息。数据显示部分根据不同功能分成几个不同的方面棗数据显示、报告生成、数据库管理与联接。
用LabVIEW开发的虚拟仪器由三部分组成：操作前面板（Front Panel），结构化流程图（Block diagram）和图标及联接边界定义（Icon and connector pane）。它们分别完成人机接口工作、定义整个虚拟仪器的内部功能和对完成某一特定功能的虚拟仪器软件包进行封装［２］。本测控系统的软件结构如图2所示。

3 基于DataSocket技术网络测控
的实现
网络化远程测控工程应用的关键技术问题之一就是测控数据在网上的发布和共享。NI公司推出的DataSocket技术是一种基于TCP/IP协议、面向测量和自动化工程的网上实时高速数据交换的编程新技术。采用DataSocket可以方便地实现在网络或本机上的各种应用程序之间对现场数据（live data）的共享。DataSocket整合了各种已有的用于测量或自动化的通讯协议，可以提供比TCP/IP更高层的编程接口［３］。DataSocket通过内部的数据自描述格式提供自由的数据传输格式，可以直接传送字符串形式、数据量化形式、布尔值形式的数据或者直接对采集到的波形进行传输，省去了数据转换的大量工作。
DataSocket由两个主要部分组成，即DataSocket API和DataSocket Sever。DataSocket API提供独立的接口，用于不同语言平台内部多种数据类型通读；DataSocket Sever通过自己内部对TCP/IP的优化和管理简化了Internet通讯方式。DataSocket封装了网络底层通信协议，对外提供资源定位接口和功能调用接口，通过资源定位符（URL）对数据的传输目的地进行定位，读数据时为源地址，写数据时为目的地址。在资源定位符中标明了数据的传输协议、网络计算机标识和数据缓冲区变量。其结构示意图如图3所示［4］。
DataSocket支持的数据传输协议包括：
（1）DSTP(DataSocket Transport Protocol)传送方式: DataSocket局部连接和数据传输的协议。在这种方式下，DataSocket与本地DataSocket服务器通讯，识别附属在URL地址后面的目标数据源，然后再从服务器上面接收与这个数据源有关的数据项目。
（2）HTTP传送方式：通常采用的标准TCP/IP网络数据传送方式。
（3）FTP传送方式：通常采用的标准TCP/IP网络文件传送方式。
（4）OPC（Windows OLE for Process Control）传送方式：专门设计用于共享实时采集的数据的传送协议。通过OPC服务器可以保证数据的实时操作特性。
（5）Windows logos传送方式：NI公司内置网络数据传送协议，可以在网络和本地计算机之间传送数据。
（6）Local file传送方式：通过这种方式虚拟仪器可以从本地计算机的存储器上直接读取数据文件。［２］
DataSocket在读数据文件时支持Text、txt、wave和dsd格式；在写数据文件时仅支持Text和dsd格式，它支持的数据结构有字符型、整型、布尔型及数组型等［4］。
本测控系统采用DSTP协议方式，这是DataSocket技术专门支持的通信协议，可以传输各种类型的数据，同时满足了实时性和安全性的指标要求。

5  试验
    以多功能转子实验台为监测对象，用加速度传感器提取轴承的振动信号，经调理电路调理后，利用NI公司的PXI－6040E数据采集模块进行数据采集，进入由PXI－8176控制器构成的服务器里，存储原始数据。将编写的网络通信程序（DataSocketWrite、DataSocketRead）分别装入现场计算机和远程数据服务器，通过校园局域网实现互联。具体的采集程序和通信程序如下：
 
图4  数据采集程序
 
图5  写端程序                     图6  读端程序

6  结束语
网络化的测控系统是未来测控技术的必然发展方向，它的灵活性、实时性和开放性对测控技术的发展产生极大的推动作用。本文利用LabVIEW开发的基于PXI总线的远程测控系统具有很强的适应性。随着计算机技术的发展和信息技术的的深入，基于虚拟仪器和网络技术的测量网络挥发会得到越来越广泛的应用。