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- 陳 群,
挑戰:
在50秒內測量產品超過10項的性能，期間需要和多種設備采用不同協議通信，比如CAN, Profibus, RS232等。
解決方案:
該項目主要測試汽車中某部件的多項性能，包括電流，電壓，溫度/壓力傳感器，馬達特性等。首先利用Profibus建立現場Master PLC 和Slave PXI computer通信，實現測試過程傳遞和測試結果交互，通過8461 CAN interface 實現與ECU通信， 從而通過ECU控制該汽車部件的動作，并且通過6229多功能數據采集模塊捕捉整個動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果。
引言
現代化的工廠車間批量生產裝配的產品，除了要進行各項原材料檢查外，還要在裝包發貨之前模擬成品功能進行整體性能檢查，以確保送到客戶手中的產品都是合格件。
針對特定產品，我們利用NI公司的PXI控制系統和TestStand和LabView軟件構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：
- 檢查產品內部溫度傳感器是否正確
- 檢查產品內部壓力傳感器是否正確
- 測試產品電流，電阻
- 測試產品流量
- 測試產品內部泵的工作能力
圖1 測試示意圖
系統總體設計框圖
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 系統設計框圖
該性能測試臺屬于自動化生產線的一部分，PLC（Programmable Logic Controller）作為Master，負責與前后鄰居工作臺通信，并且負責本工作臺測試前的準備工作，比如氣缸動作等，控制自動測試的起停，并將測試結果傳遞給服務器。PROFIBUS作為PLC和NI controller通信的橋梁，實現兩者的實時不間斷通信。PROFIBUS現場總線是世界上應用最廣泛的現場總線技術，既適合于自動化系統與現場信號單元的通 訊，也可用于可以直接連接帶有接口的變送器、執行器、傳動裝置和其它現場儀表及設備，對現場信號進行采集和監控，并且用一對雙絞線替代了傳統的大量的傳輸 電纜，大量節省了電纜的費用，也相應節省了施工調試以及系統投運后的維護時間和費用。
PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統的PCI擴展)）是一種由NI公司發布的堅固的基于PC的測量和自動化平臺。PXI結合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅固性、模塊化及Eurocard 機械封裝的特性發展成適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范，這使它成為測量和自動化系統的高性能、低成本運載平臺。PXI繼承了PCI的電氣信號，使得PXI擁有如PCI bus的極高傳輸數據的能力，而在軟件上是完全兼容的。另一方面，PXI采用和 CompactPCI一樣的機械外型結構，因此也能同樣享有高密度、堅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PXI系統由幾項組件所組成，包含了一個機箱、一個PXI背板（backplane）、系統控制器（System controller module）以及數個外設模塊（Peripheral modules），如圖3所示。
圖3 典型的PXI系統
ECU配合controller在測試過程中和產品內部進行通信，獲取內置溫度及壓力信號，并根據測試流程起停控制內部泵的工作。與NI controller通過CAN總線進行交互。CAN （Controller Area Network）是ISO國際標準化的串行通信協議，屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，具有突出的可靠性、實時性和靈活性，在汽車電子領域具有廣泛的應用。該項目通過使用NI公司的ECU Measurement and Calibration Toolkit，非常方便的實現了用CAN對ECU進行通信。
NI controller作為測試臺的核心部件，負責所有與測試相關的內容，并匯總顯示所有測試結果。NI PXI-8105是業界首款雙核PXI嵌入式控制器，該產品具有2.0 GHz Intel Core™ Duo處理器T2500，適用于多任務環境和多線程應用。雙核處理器配有兩個內核或稱為計算引擎，位于同一個處理器中。 雙核處理器可同時執行兩個計算任務，非常適合多任務環境，例如需要同時運行多個應用程序的Windows XP。多線程應用可充分利用雙核處理器的特性，將任務分配到不同的線程中， 雙核處理器可并行執行這些線程中的兩個線程來達到理想的性能。
多功能M系列數據采集（DAQ）板卡PXI- 6229為該項目中的多功能卡，承載著項目中的絕大部分任務，將在下節中詳細說明。
系統硬件組成
圖4 系統硬件概覽
如上節所述，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的實時通信，CAN卡用于NI controller和ECU的通信，作為核心板卡的PXI 6229為NI多功能數據采集板卡，包含AI，AO， DI，DO，CTR。6229的接線盒本項目采用SC-2345信號調理屏蔽盒。外盒中帶有SCC模塊插座以及方便與M系列和E系列的數字I/O、計數器/定時器（GPCTR）信號進行連接的螺栓端子。NI SCC是便攜式模塊化信號調理系統，可與M系列、E系列、部分B系列和便攜式多功能數據采集（DAQ）設備配合使用。SCC產品可調理各種模擬輸入和數字 I/O信號，而且可以通道為單位選擇信號調理。SCC提供了自定義的連接選項以配合感應器或信號連接的類型。
圖5 NI SC-2345及SCC模塊
AI通道采集現場的模擬量，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信號調理電流輸入模塊進行實時數據采集。SCC-CI20是雙通道模塊，接受兩個0-20 mA或4-20 mA電流回路輸入。 NI SCC-CI20的每一獨立通道都包含一個精密249ohm電阻，該電阻可以將0-20 mA信號轉換為0-5 V信號。 每一通道均包括一個儀器差動放大器和偏壓電阻器。放大器具有低阻抗輸出，可以實現多功能DAQ設備的最高掃描速率；電阻器可以處理浮動以及接地參考電流源。
AO用來控制現場可編程電源，因為不同類產品需要不同的供電電壓，并且在測試過程中不同的測試項目也需要不同的電壓，即電壓需要根據測試需要自動切換。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是一款單通道光學隔離數字輸出模塊，可處理高達24VDC的電流，還帶有一個用于確認模塊輸出狀態的LED，還配備了用于上電狀態配置的外接開關。
CTR（counter）發PWM波驅動產品內部泵工作，再根據外接的氣壓傳感器即可判斷泵及相關零件裝配是否正確。面向NI SCC平臺的計數器/定時器調理模塊，提供隔離、更廣的I/O范圍和短路保護。SCC-CTR01為SCC平臺上的通用計數器提供60V隔離和0-48VDC輸入/輸出范圍，包括TTL，可將每個載體上的2個NI SCC-CTR01模塊與多功能I/O控制設備上的2個計數器/定時器配合使用。
系統軟件構架
為了與NI硬件無縫連接，我們采用TestStand和LabView進行編程。所有的具體任務由LabView編程實現，比如數據采集，數據通信等。 測試流程則由TestStand 實現控制，如圖6示意。TestStand是可立即執行的測試執行管理軟件，用于組織、控制和執行自動化原型設計、驗證或制造測試系統。TestStand與所有主流測試編程環境兼容，如NI LabVIEW, NI Measurement Studio組件，微軟Visual Basic和Visual C++等，能調用任何編譯過的動態鏈接庫（DLLs），ActiveX自動化服務器，.exe運行程序，甚至傳統開發語言如HTBasic，HP-VEE。利用TestStand特別強大的兼容性，可以方便的在一個系統中將傳統和現代測試編程序環境結合起來，工程師可將精力集中在更重要的開發任務上，如為產品建立測試策略，再考慮如何利用這個策略開發出應用程序等；而相對簡單的工作，如運行順序，執行和報告生成等，將由TestStand處理完成。
圖6 本項目軟件構架
本項目中的測試報告即由TestStand自動生成，只需在report options做一些簡單的設置即可，如圖7所示。
圖7 TestStand中Report Options設置
另外，由于測試項目較多，哪些測試項目的結果需要保存到報告中，是否影響全局結果，也無需工程師編程實現，只需要在各項測試步驟的屬性中進行相應的勾選即可，如圖8所示。
圖8 TestStand Run Options
LabVIEW是一種圖形化的編程語言，與儀器系統的數據采集、分析、顯示部分一起協調工作，是簡化了而又易于使用的基于圖形化的編程語言G的開發環境，目前在自動化測試工程師中非常流行。流程圖式的程序設計與科技工程人員較為熟悉的數據流和方塊圖的概念是一致的，而且由于流程圖與傳統程序設計語言的語法細節無關，構建和測試程序就可以少費時間。使用流程圖方法可以實現內部的自我復制，可以隨時改變虛擬儀器來滿足自己的需要。與傳統的編程方式相比，使用LabVIEW設計虛擬儀器，可以提高效率4～10倍。
現場成果
圖9和圖10展示了項目的最終運行成果。LabView面板實時顯示測試過程中各項目的結果，以及重要信號的曲線。還沒測試的項目默認值為1000，背景為紅色，已經測試過的項目顯示當前測試結果，并根據規定的上下限背景自動調為綠色或者紅色。TestStand面板供專業人士使用，可以實時查看目前測試進行到哪一步，結果如何等等。
圖9 現場成果——Labview面板
圖10現場成果——TestStand
結論
通過NI公司先進的PXI技術，能夠準確而快速地對硬件進行控制和數據采集；同時PXI驅動庫 DAQmx與LabVIEW軟件開發平臺的無縫連接，利用PXI構建的功能測試臺，雖然結構復雜，信號量較多，但是結構合理，功能強大，易于修改。利用TestStand特別強大的兼容性，可以方便的在一個系統中將傳統和現代測試編程序環境結合起來，工程師可將精力集中在更重要的開發任務上。相信NI的產品在自動化行業中會有更加深入的應用。
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