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- 陳 群,
挑戰(zhàn):
在50秒內(nèi)測量產(chǎn)品超過10項(xiàng)的性能，期間需要和多種設(shè)備采用不同協(xié)議通信，比如CAN, Profibus, RS232等。
解決方案:
該項(xiàng)目主要測試汽車中某部件的多項(xiàng)性能，包括電流，電壓，溫度/壓力傳感器，馬達(dá)特性等。首先利用Profibus建立現(xiàn)場Master PLC 和Slave PXI computer通信，實(shí)現(xiàn)測試過程傳遞和測試結(jié)果交互，通過8461 CAN interface 實(shí)現(xiàn)與ECU通信， 從而通過ECU控制該汽車部件的動(dòng)作，并且通過6229多功能數(shù)據(jù)采集模塊捕捉整個(gè)動(dòng)作過程中需要測量的物理量。采用TestStand可以非常方便的搭 建測試流程及保留各步驟測試結(jié)果。
引言
現(xiàn)代化的工廠車間批量生產(chǎn)裝配的產(chǎn)品，除了要進(jìn)行各項(xiàng)原材料檢查外，還要在裝包發(fā)貨之前模擬成品功能進(jìn)行整體性能檢查，以確保送到客戶手中的產(chǎn)品都是合格件。
針對特定產(chǎn)品，我們利用NI公司的PXI控制系統(tǒng)和TestStand和LabView軟件構(gòu)建了一套完整的包含電壓，電流，電阻，溫度，氣壓等綜合性全自動(dòng)測試平臺。
測試平臺示意圖如圖1所示，包含如下測試功能：
- 檢查產(chǎn)品內(nèi)部溫度傳感器是否正確
- 檢查產(chǎn)品內(nèi)部壓力傳感器是否正確
- 測試產(chǎn)品電流，電阻
- 測試產(chǎn)品流量
- 測試產(chǎn)品內(nèi)部泵的工作能力
圖1 測試示意圖
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
該測試平臺主要包括：PLC, PXI controller, ECU, 待測件，以及外圍的測試電路及氣路。整體框架示意圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
該性能測試臺屬于自動(dòng)化生產(chǎn)線的一部分，PLC（Programmable Logic Controller）作為Master，負(fù)責(zé)與前后鄰居工作臺通信，并且負(fù)責(zé)本工作臺測試前的準(zhǔn)備工作，比如氣缸動(dòng)作等，控制自動(dòng)測試的起停，并將測試結(jié)果傳遞給服務(wù)器。PROFIBUS作為PLC和NI controller通信的橋梁，實(shí)現(xiàn)兩者的實(shí)時(shí)不間斷通信。PROFIBUS現(xiàn)場總線是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)，既適合于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場信號單元的通 訊，也可用于可以直接連接帶有接口的變送器、執(zhí)行器、傳動(dòng)裝置和其它現(xiàn)場儀表及設(shè)備，對現(xiàn)場信號進(jìn)行采集和監(jiān)控，并且用一對雙絞線替代了傳統(tǒng)的大量的傳輸 電纜，大量節(jié)省了電纜的費(fèi)用，也相應(yīng)節(jié)省了施工調(diào)試以及系統(tǒng)投運(yùn)后的維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。
PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展)）是一種由NI公司發(fā)布的堅(jiān)固的基于PC的測量和自動(dòng)化平臺。PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard 機(jī)械封裝的特性發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，這使它成為測量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺。PXI繼承了PCI的電氣信號，使得PXI擁有如PCI bus的極高傳輸數(shù)據(jù)的能力，而在軟件上是完全兼容的。另一方面，PXI采用和 CompactPCI一樣的機(jī)械外型結(jié)構(gòu)，因此也能同樣享有高密度、堅(jiān)固外殼及高性能連接器的特性，目前已成為一種主流的虛擬儀器測試平臺。一個(gè)PXI系統(tǒng)由幾項(xiàng)組件所組成，包含了一個(gè)機(jī)箱、一個(gè)PXI背板（backplane）、系統(tǒng)控制器（System controller module）以及數(shù)個(gè)外設(shè)模塊（Peripheral modules），如圖3所示。
圖3 典型的PXI系統(tǒng)
ECU配合controller在測試過程中和產(chǎn)品內(nèi)部進(jìn)行通信，獲取內(nèi)置溫度及壓力信號，并根據(jù)測試流程起停控制內(nèi)部泵的工作。與NI controller通過CAN總線進(jìn)行交互。CAN （Controller Area Network）是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，在汽車電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。該項(xiàng)目通過使用NI公司的ECU Measurement and Calibration Toolkit，非常方便的實(shí)現(xiàn)了用CAN對ECU進(jìn)行通信。
NI controller作為測試臺的核心部件，負(fù)責(zé)所有與測試相關(guān)的內(nèi)容，并匯總顯示所有測試結(jié)果。NI PXI-8105是業(yè)界首款雙核PXI嵌入式控制器，該產(chǎn)品具有2.0 GHz Intel Core™ Duo處理器T2500，適用于多任務(wù)環(huán)境和多線程應(yīng)用。雙核處理器配有兩個(gè)內(nèi)核或稱為計(jì)算引擎，位于同一個(gè)處理器中。 雙核處理器可同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)計(jì)算任務(wù)，非常適合多任務(wù)環(huán)境，例如需要同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序的Windows XP。多線程應(yīng)用可充分利用雙核處理器的特性，將任務(wù)分配到不同的線程中， 雙核處理器可并行執(zhí)行這些線程中的兩個(gè)線程來達(dá)到理想的性能。
多功能M系列數(shù)據(jù)采集（DAQ）板卡PXI- 6229為該項(xiàng)目中的多功能卡，承載著項(xiàng)目中的絕大部分任務(wù)，將在下節(jié)中詳細(xì)說明。
系統(tǒng)硬件組成
圖4 系統(tǒng)硬件概覽
如上節(jié)所述，我們的測試平臺總共包含4張PXI硬件板卡：PXI 8105 controller，PXI PROFIBUS master/slave interface，PXI 6229，PXI CAN interface 8461。PROFIBUS用于PLC和NI controller的實(shí)時(shí)通信，CAN卡用于NI controller和ECU的通信，作為核心板卡的PXI 6229為NI多功能數(shù)據(jù)采集板卡，包含AI，AO， DI，DO，CTR。6229的接線盒本項(xiàng)目采用SC-2345信號調(diào)理屏蔽盒。外盒中帶有SCC模塊插座以及方便與M系列和E系列的數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器（GPCTR）信號進(jìn)行連接的螺栓端子。NI SCC是便攜式模塊化信號調(diào)理系統(tǒng)，可與M系列、E系列、部分B系列和便攜式多功能數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備配合使用。SCC產(chǎn)品可調(diào)理各種模擬輸入和數(shù)字 I/O信號，而且可以通道為單位選擇信號調(diào)理。SCC提供了自定義的連接選項(xiàng)以配合感應(yīng)器或信號連接的類型。
圖5 NI SC-2345及SCC模塊
AI通道采集現(xiàn)場的模擬量，包括電壓，溫度，氣壓信號，考慮到電流信號的抗干擾性能要優(yōu)于電壓信號，我們選用的傳感器均為4-20mA電流輸出，再采用NI的SCC CI20信號調(diào)理電流輸入模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。SCC-CI20是雙通道模塊，接受兩個(gè)0-20 mA或4-20 mA電流回路輸入。 NI SCC-CI20的每一獨(dú)立通道都包含一個(gè)精密249ohm電阻，該電阻可以將0-20 mA信號轉(zhuǎn)換為0-5 V信號。 每一通道均包括一個(gè)儀器差動(dòng)放大器和偏壓電阻器。放大器具有低阻抗輸出，可以實(shí)現(xiàn)多功能DAQ設(shè)備的最高掃描速率；電阻器可以處理浮動(dòng)以及接地參考電流源。
AO用來控制現(xiàn)場可編程電源，因?yàn)椴煌惍a(chǎn)品需要不同的供電電壓，并且在測試過程中不同的測試項(xiàng)目也需要不同的電壓，即電壓需要根據(jù)測試需要自動(dòng)切換。SCC-AO10是輸出范圍為±10 V的單通道隔離電壓輸出模塊，以自己的隔離接地為參考。
DO控制各種繼電器。不同的測試步驟需要不同的繼電器配合電或氣的回路通斷。SCC-DO01是一款單通道光學(xué)隔離數(shù)字輸出模塊，可處理高達(dá)24VDC的電流，還帶有一個(gè)用于確認(rèn)模塊輸出狀態(tài)的LED，還配備了用于上電狀態(tài)配置的外接開關(guān)。
CTR（counter）發(fā)PWM波驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品內(nèi)部泵工作，再根據(jù)外接的氣壓傳感器即可判斷泵及相關(guān)零件裝配是否正確。面向NI SCC平臺的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器調(diào)理模塊，提供隔離、更廣的I/O范圍和短路保護(hù)。SCC-CTR01為SCC平臺上的通用計(jì)數(shù)器提供60V隔離和0-48VDC輸入/輸出范圍，包括TTL，可將每個(gè)載體上的2個(gè)NI SCC-CTR01模塊與多功能I/O控制設(shè)備上的2個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器配合使用。
系統(tǒng)軟件構(gòu)架
為了與NI硬件無縫連接，我們采用TestStand和LabView進(jìn)行編程。所有的具體任務(wù)由LabView編程實(shí)現(xiàn)，比如數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通信等。 測試流程則由TestStand 實(shí)現(xiàn)控制，如圖6示意。TestStand是可立即執(zhí)行的測試執(zhí)行管理軟件，用于組織、控制和執(zhí)行自動(dòng)化原型設(shè)計(jì)、驗(yàn)證或制造測試系統(tǒng)。TestStand與所有主流測試編程環(huán)境兼容，如NI LabVIEW, NI Measurement Studio組件，微軟Visual Basic和Visual C++等，能調(diào)用任何編譯過的動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLLs），ActiveX自動(dòng)化服務(wù)器，.exe運(yùn)行程序，甚至傳統(tǒng)開發(fā)語言如HTBasic，HP-VEE。利用TestStand特別強(qiáng)大的兼容性，可以方便的在一個(gè)系統(tǒng)中將傳統(tǒng)和現(xiàn)代測試編程序環(huán)境結(jié)合起來，工程師可將精力集中在更重要的開發(fā)任務(wù)上，如為產(chǎn)品建立測試策略，再考慮如何利用這個(gè)策略開發(fā)出應(yīng)用程序等；而相對簡單的工作，如運(yùn)行順序，執(zhí)行和報(bào)告生成等，將由TestStand處理完成。
圖6 本項(xiàng)目軟件構(gòu)架
本項(xiàng)目中的測試報(bào)告即由TestStand自動(dòng)生成，只需在report options做一些簡單的設(shè)置即可，如圖7所示。
圖7 TestStand中Report Options設(shè)置
另外，由于測試項(xiàng)目較多，哪些測試項(xiàng)目的結(jié)果需要保存到報(bào)告中，是否影響全局結(jié)果，也無需工程師編程實(shí)現(xiàn)，只需要在各項(xiàng)測試步驟的屬性中進(jìn)行相應(yīng)的勾選即可，如圖8所示。
圖8 TestStand Run Options
LabVIEW是一種圖形化的編程語言，與儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示部分一起協(xié)調(diào)工作，是簡化了而又易于使用的基于圖形化的編程語言G的開發(fā)環(huán)境，目前在自動(dòng)化測試工程師中非常流行。流程圖式的程序設(shè)計(jì)與科技工程人員較為熟悉的數(shù)據(jù)流和方塊圖的概念是一致的，而且由于流程圖與傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語言的語法細(xì)節(jié)無關(guān)，構(gòu)建和測試程序就可以少費(fèi)時(shí)間。使用流程圖方法可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的自我復(fù)制，可以隨時(shí)改變虛擬儀器來滿足自己的需要。與傳統(tǒng)的編程方式相比，使用LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器，可以提高效率4～10倍。
現(xiàn)場成果
圖9和圖10展示了項(xiàng)目的最終運(yùn)行成果。LabView面板實(shí)時(shí)顯示測試過程中各項(xiàng)目的結(jié)果，以及重要信號的曲線。還沒測試的項(xiàng)目默認(rèn)值為1000，背景為紅色，已經(jīng)測試過的項(xiàng)目顯示當(dāng)前測試結(jié)果，并根據(jù)規(guī)定的上下限背景自動(dòng)調(diào)為綠色或者紅色。TestStand面板供專業(yè)人士使用，可以實(shí)時(shí)查看目前測試進(jìn)行到哪一步，結(jié)果如何等等。
圖9 現(xiàn)場成果——Labview面板
圖10現(xiàn)場成果——TestStand
結(jié)論
通過NI公司先進(jìn)的PXI技術(shù)，能夠準(zhǔn)確而快速地對硬件進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集；同時(shí)PXI驅(qū)動(dòng)庫 DAQmx與LabVIEW軟件開發(fā)平臺的無縫連接，利用PXI構(gòu)建的功能測試臺，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號量較多，但是結(jié)構(gòu)合理，功能強(qiáng)大，易于修改。利用TestStand特別強(qiáng)大的兼容性，可以方便的在一個(gè)系統(tǒng)中將傳統(tǒng)和現(xiàn)代測試編程序環(huán)境結(jié)合起來，工程師可將精力集中在更重要的開發(fā)任務(wù)上。相信NI的產(chǎn)品在自動(dòng)化行業(yè)中會(huì)有更加深入的應(yīng)用。
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