基于LabVIEW和PXI的城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架測試系統(tǒng)摘要：為了能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架的性能測試，搭建了基于虛擬儀器編程語言LabVIEW和PXI總線測試技術(shù)的城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架測試平臺(tái)。應(yīng)用單線程多卡耦合循環(huán)軟件架構(gòu)和錯(cuò)誤跟蹤方法，保證了多數(shù)據(jù)采集卡的協(xié)調(diào)運(yùn)行和測試系統(tǒng)的可靠性；采用雙字節(jié)整數(shù)保存法優(yōu)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，消除了硬盤存儲(chǔ)瓶頸。實(shí)際應(yīng)用證明，該測試系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高，使用方便、靈活，能夠充分滿足城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架的測試要求。關(guān)鍵詞：LabVIEW；PXI；虛擬儀器；城市軌道車輛；轉(zhuǎn)向架；單線程引言隨著城市軌道車輛的迅猛發(fā)展，對其轉(zhuǎn)向架的性能也要求越來越高。如何能夠快速準(zhǔn)確地測試轉(zhuǎn)向架的性能成為城市軌道車輛發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。在轉(zhuǎn)向架測試中，需要測試的參數(shù)多達(dá)幾十個(gè)甚至上百個(gè)。采用傳統(tǒng)的測試技術(shù)不僅成本高昂、操作復(fù)雜，而且在系統(tǒng)擴(kuò)展、數(shù)據(jù)處理和信息分析與共享等方面存在明顯的缺陷。目前，基于微機(jī)硬件平臺(tái)的虛擬儀器技術(shù)為解決上述問題開辟了新途徑，并且得到了越來越廣泛的應(yīng)用。城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架測試平臺(tái)采用PXI總線系統(tǒng)，使用LabVIEW編程語言，快速搭建的基于虛擬儀器技術(shù)的測試平臺(tái)。1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)在城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架測試過程中，需要對64通道加速度、32通道應(yīng)變和32通道電壓信號進(jìn)行實(shí)時(shí)高速采集。采用美國NI公司的PXI系列設(shè)備，構(gòu)建如圖1所示的系統(tǒng)硬件架構(gòu)。這是一個(gè)由信號采集與調(diào)理模塊（SCXI-1531、 SCXI-1520、SCB-100， PXI-1001為信號調(diào)理機(jī)箱）、PXI 數(shù)據(jù)采集卡（PXI-6070E、PXI-6071E，PXI-1000為PXI機(jī)箱）和PXI接口卡（PXI-8330，采用MXI-3技術(shù)）組成的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。被測信號由信號采集與調(diào)理模塊進(jìn)行濾波、放大后送至PXI數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，通過PXI接口卡傳送至主控計(jì)算機(jī)。采用PXI總線測試設(shè)備搭建測試系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，主要考慮其具有以下特點(diǎn)：信號調(diào)理機(jī)箱與PXI機(jī)箱的分體式結(jié)構(gòu)可以有效地保證信號傳輸?shù)目煽啃浴Ｓ捎谛盘栒{(diào)理機(jī)箱可以最大限度地靠近信號源，能夠及時(shí)地對被測信號進(jìn)行濾波和放大，因此可將現(xiàn)場干擾對被測信號的影響降到最小，保證信號的真實(shí)性。采用基于PXI和MXI-3總線技術(shù)的測試設(shè)備，能夠充分保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣時(shí)的帶寬要求。PXI總線具有最高可達(dá)132MB/s(32-bit，33MHz) 和264MB/s(64-bit，66MHz)的峰值數(shù)據(jù)吞吐率1；而MXI-3技術(shù)是一種高性能的最高可達(dá)1.5Gbits/s串行數(shù)據(jù)傳送率的PCI總線之間的軟硬件透明連接技術(shù)2。 可以增加測試系統(tǒng)的靈活性和通用性。由于PXI設(shè)備采用了標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)方法，可以使該測試系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的測試對象和測試要求進(jìn)行方便地安裝和拆卸，快速靈活地配置和搭建測試平臺(tái)。提高了測試系統(tǒng)的適應(yīng)性。PXI機(jī)箱和設(shè)備都具有牢固的接插端3，可以抵抗撞擊與振動(dòng)，能夠滿足各種測試環(huán)境對設(shè)備的要求。2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)“軟件就是儀器”，軟件設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了基于虛擬儀器技術(shù)的測試系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)信號以二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)后，需要對其進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)“儀器”的功能。在該測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)中，采用LabVIEW作為編程語言。它具有簡單易用、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，特別是它能與NI公司的硬件設(shè)備達(dá)到無縫結(jié)合，簡化了對底層硬件的設(shè)置。轉(zhuǎn)向架實(shí)時(shí)測試系統(tǒng)需要具有以下幾個(gè)基本功能：（1）數(shù)據(jù)采集。即能夠?qū)Ρ粶y信號進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集。（2）分析與控制。即能夠?qū)?shí)時(shí)對被測數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分析，監(jiān)視各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)，保證試驗(yàn)正確運(yùn)行；能夠?qū)χT如傳感器脫落等異常情況進(jìn)行報(bào)警。（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。即能夠及時(shí)準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)保存到硬盤，為實(shí)時(shí)測試之后更詳盡的數(shù)據(jù)分析和被測對象評定的提供依據(jù)。（4）數(shù)據(jù)顯示。即能實(shí)時(shí)顯示各個(gè)被測信號的數(shù)值，可讓測試人員更加詳細(xì)地了解被測各參量的信息。3 軟件整體架構(gòu)的確立該轉(zhuǎn)向架實(shí)時(shí)測試系統(tǒng)采用了如圖2所示的單線程循環(huán)軟件架構(gòu)。由于LabVIEW可為PXI設(shè)備在內(nèi)存中開辟了一塊緩存4，二進(jìn)制數(shù)據(jù)可不經(jīng)CPU直接存入內(nèi)存，所以該測試系統(tǒng)采用了循環(huán)結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)從緩存中分塊讀出并加以處理。圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)轉(zhuǎn)向架實(shí)時(shí)測試系統(tǒng)是一個(gè)以數(shù)據(jù)采集為核心的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，除了數(shù)據(jù)顯示重要性稍低外，其他各項(xiàng)任務(wù)（數(shù)據(jù)讀取、分析與控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）對于測試成功都起到非常重要的作用。采用單線程結(jié)構(gòu)可以保證每個(gè)任務(wù)在一次數(shù)據(jù)采集循環(huán)中都能得到有效執(zhí)行，既能滿足數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集又能保證數(shù)據(jù)的完整存儲(chǔ)，增強(qiáng)了測試的可靠性。與此同時(shí)，采用單線程結(jié)構(gòu)也簡化了流程控制，避免了多線程結(jié)構(gòu)中各個(gè)任務(wù)之間的調(diào)度與控制的復(fù)雜問題。單線程循環(huán)結(jié)構(gòu)也有利于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采樣頻率。當(dāng)信號采樣速率（此速率通常由測試人員設(shè)定的）大于計(jì)算機(jī)所能達(dá)到的數(shù)據(jù)處理能力（數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力）時(shí)，通過采樣速率控制模塊，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)采樣速率，使其能夠與計(jì)算機(jī)的處理能力相適應(yīng)；另一方面，當(dāng)被設(shè)定的信號采樣速率大于硬件設(shè)備所能達(dá)到的最高采樣數(shù)據(jù)率時(shí)，也能夠自動(dòng)降低采樣速率，與硬件設(shè)備所能達(dá)到的最高采樣數(shù)據(jù)率保持一致。從而保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理的可靠運(yùn)行，提高了測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。4 采樣速率控制采樣速率控制指當(dāng)測試系統(tǒng)無法滿足測試設(shè)置要求時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)采樣速率，以發(fā)揮出測試系統(tǒng)最大效能的一種自動(dòng)調(diào)節(jié)方法。它對解決數(shù)據(jù)采樣頻率與測試系統(tǒng)整體性能的一致性問題，實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的通用性和適應(yīng)性具有重要意義。采樣速率控制模塊是實(shí)施采樣速率控制的主體，它采用錯(cuò)誤跟蹤方式來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采樣頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。當(dāng)信號采樣速率大于計(jì)算機(jī)所能達(dá)到的數(shù)據(jù)處理能力時(shí)，從數(shù)據(jù)緩存讀入的測試數(shù)據(jù)將在數(shù)據(jù)分析與控制模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中占用更多的處理時(shí)間，無形中增大了數(shù)據(jù)采集循環(huán)的運(yùn)行周期；而與此同時(shí)，實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)卻不斷地的直接涌入數(shù)據(jù)緩存，根據(jù)單線程循環(huán)軟件架構(gòu)的特點(diǎn)，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取模塊無法及時(shí)將采樣數(shù)據(jù)從緩存中讀出，最終產(chǎn)生數(shù)據(jù)緩存覆蓋（舊數(shù)據(jù)未來得及讀取就被新采樣數(shù)據(jù)覆蓋）錯(cuò)誤（錯(cuò)誤碼為-108465）。另一方面，當(dāng)被設(shè)定的信號采集速率大于硬件設(shè)備所能達(dá)到的最高采樣速率時(shí)，將導(dǎo)致非正常采樣速率錯(cuò)誤（錯(cuò)誤碼為-10694和-10697）。通過對以上錯(cuò)誤碼進(jìn)行捕捉和處理，就可動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)采樣頻率了。圖3為采樣速率控制模塊流程圖。首先判斷是否出現(xiàn)采樣速率錯(cuò)誤，即檢測錯(cuò)誤碼是否為-10846、-10694和-10697。若出現(xiàn)以上錯(cuò)誤之一，那么首先停止測試，然后對圖3 采樣速率控制流程圖采樣速率進(jìn)行調(diào)整，最后再重新開始測試。在采樣速率調(diào)整中，可根據(jù)制定好的算法適當(dāng)降低采樣速率。當(dāng)然，經(jīng)過一次調(diào)整后，采樣速率未必能于測試系統(tǒng)的性能保持一致，有可能再次出現(xiàn)采樣速率錯(cuò)誤，不過由于采用了循環(huán)式軟件架構(gòu)（如圖2所示），可以多次不斷地調(diào)整采樣速率，最終能達(dá)到或接近系統(tǒng)的最大采樣速率。需要注意的是，有時(shí)操作系統(tǒng)某個(gè)臨時(shí)任務(wù)有可能在較短的時(shí)間內(nèi)占用了過多的系統(tǒng)資源，導(dǎo)致測試系統(tǒng)無法及時(shí)從緩存中讀取數(shù)據(jù)而出現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存覆蓋錯(cuò)誤，這時(shí)采樣速率將被自動(dòng)調(diào)整；當(dāng)臨時(shí)任務(wù)結(jié)束后，測試系統(tǒng)取回被占用的資源，但采樣速率卻無法回到原先的狀態(tài)上。這不但造成數(shù)據(jù)采樣頻率的不穩(wěn)定，而且也無法發(fā)揮出測試系統(tǒng)的最大效能，有可能影響到整個(gè)測試任務(wù)。為了解決上述問題，需要將數(shù)據(jù)緩存設(shè)置得較大一些，一般為采集速率的45倍，以此來最大限度地減緩各種不確定因素對測試系統(tǒng)資源的沖擊，保持?jǐn)?shù)據(jù)采樣頻率的穩(wěn)定。5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用LabVIEW提供的Profile VIs工具（位于菜單ToolsAdvancedProfile VIs）對如圖2所示的各個(gè)模塊運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測6，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊占用了50%以上的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間（使用筆記本電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)會(huì)更高）。這說明了該測試系統(tǒng)主要的運(yùn)行瓶頸在于硬盤的存儲(chǔ)速度較慢，因此對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化將大大提高測試系統(tǒng)的整體性能。在一般測試中，數(shù)據(jù)多被以單精度（Single）類型保存到文件。這種存儲(chǔ)方式的優(yōu)點(diǎn)是：由于將應(yīng)變、加速度等被測量值直接存儲(chǔ)到硬盤文件，存儲(chǔ)過程簡單，同時(shí)也方便了測試后數(shù)據(jù)分析和被測對象評定；這種存儲(chǔ)方式也帶來了相應(yīng)的問題：由于每個(gè)測試數(shù)據(jù)都被以4字節(jié)單精度類型存儲(chǔ)，在測試數(shù)據(jù)量較大時(shí)，無疑加大了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)負(fù)荷，占用了過多的系統(tǒng)時(shí)間。為了優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在該測試系統(tǒng)中，每個(gè)測試數(shù)據(jù)被采用以雙字節(jié)整數(shù)的方式存儲(chǔ)到硬盤文件，這樣將比上面采用的4字節(jié)實(shí)數(shù)方法減少一半的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)負(fù)荷。當(dāng)然，這種存儲(chǔ)方式也相應(yīng)地要求保存每個(gè)通道的配置信息，如增益、電橋電壓等，以便事后能真實(shí)地還原出的被測信號的量值。在如圖2所示的軟件架構(gòu)中，測試準(zhǔn)備模塊負(fù)責(zé)將所有通道的各種配置信息保存到一個(gè)測試配置文件。在數(shù)據(jù)讀取模塊中（圖4），數(shù)據(jù)讀取VI（AI Read.vi）的輸出數(shù)據(jù)類型被選擇為Binary Array型，也就是說，讀出的數(shù)據(jù)將是由12位數(shù)據(jù)采集卡傳送過來的雙字節(jié)整數(shù)數(shù)組。這樣，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，只要將此雙字節(jié)整數(shù)數(shù)組直接存儲(chǔ)到文件就可以了。實(shí)踐證明，這種方法將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)的硬盤存儲(chǔ)負(fù)荷減少了將近50%，大大提高了系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。6 多數(shù)據(jù)采集卡的協(xié)調(diào)運(yùn)行圖4 數(shù)據(jù)讀取模塊框圖程序如圖1所示，系統(tǒng)有PXI-6070E和PXI-6071E兩塊數(shù)據(jù)采集卡。不同的測試任務(wù)采用的板卡也不同，有時(shí)只用其中一塊就夠了，而有時(shí)兩塊板卡必須同時(shí)使用。如何實(shí)現(xiàn)多塊板卡的協(xié)調(diào)運(yùn)行是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和提高測試通用性的關(guān)鍵。在該測試系統(tǒng)中，采用多卡耦合循環(huán)處理的方式解決板卡間的協(xié)調(diào)運(yùn)行問題，即在如圖2 所示的各個(gè)模塊中采用循環(huán)來分別對各個(gè)板卡進(jìn)行操作和處理。圖4所示為數(shù)據(jù)讀取模塊的框圖程序，其以循環(huán)方式分別讀取任務(wù)號數(shù)組（TaskIDsIn）所指定的各個(gè)板卡的數(shù)據(jù)緩存，實(shí)現(xiàn)多卡的數(shù)據(jù)讀取耦合。這里的任務(wù)號數(shù)組是由測試準(zhǔn)備模塊中的與此類似的循環(huán)結(jié)構(gòu)生成的，每個(gè)任務(wù)號（TaskID）對應(yīng)于一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡。值得注意的是，此程序中的循環(huán)次數(shù)N沒有在編程時(shí)設(shè)定，而是由任務(wù)號數(shù)組的長度來動(dòng)態(tài)決定的，因此循環(huán)是動(dòng)態(tài)可控的；也就是說，在單采集卡時(shí)任務(wù)號數(shù)組的長度為1，雙采集卡時(shí)任務(wù)號數(shù)組的長度為2，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)次數(shù)與工作板卡數(shù)目的一致性。在其他測試模塊中也都引用了這種動(dòng)態(tài)循環(huán)處理模式，使得該測試軟件在單采集卡、雙采集卡和多采集卡下均能運(yùn)行，從而極大提高該測試系統(tǒng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。多采集卡協(xié)調(diào)的另一個(gè)關(guān)鍵問題是確定每次讀取緩存的掃描數(shù)（scans）（一次掃描指對所有通道采集一次數(shù)據(jù)），即圖4中的NumbersToRead。由于不同采集卡使用不同的采樣速率，如果NumbersToRead設(shè)置不當(dāng)，將導(dǎo)致部分采集卡的緩存覆蓋，系統(tǒng)將無法正常工作。在該系統(tǒng)中，用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)讀取間隔時(shí)間與板卡采樣速率的乘積作為NumbersToRead的值（這里的數(shù)據(jù)讀取間隔時(shí)間是指兩次讀取數(shù)據(jù)緩存的最小時(shí)間間隔，它可由測試人員設(shè)定）。由于數(shù)據(jù)讀取間隔時(shí)間相同，那么采樣速率就與每次讀取的掃描數(shù)嚴(yán)格成正比關(guān)系，也就是說，采樣速率高的板卡對應(yīng)的NumbersToRead值也相應(yīng)的較大，因此有效地避免了采集卡的數(shù)據(jù)緩存覆蓋，保證了測試系統(tǒng)的正常進(jìn)行。7 數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示為了既節(jié)約系統(tǒng)資源又能動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)及其變化趨勢，該測試系統(tǒng)采用了如圖5所示的顯示界面：上半部為被選通道的時(shí)域波形及其功率譜的動(dòng)態(tài)顯示；下半部為所有通道在TabControl控件上的分類柱狀顯示。在柱狀顯示下面，每個(gè)通道都有一個(gè)選通按鈕，如要查看此通道的數(shù)據(jù)變化趨勢則可按下其選通按鈕，則此通道的動(dòng)態(tài)波形就會(huì)在界面上半部顯示出來。圖5 動(dòng)態(tài)顯示界面8 結(jié)束語在城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架的性能測試中，測試參數(shù)眾多，數(shù)據(jù)采集量大。利用LabVIEW開發(fā)的基于PXI體系的城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架測試系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)踐證明，性能優(yōu)越、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架測試提供了一個(gè)快速、準(zhǔn)確、可靠的工具。參考文獻(xiàn)1 PXI Specification M. PXI Systems Alliance, 2000.2 PXI-PCI 8330 Series User Manual M. National Instruments C