系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　　整個(gè)系統(tǒng)主要包含運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng),、環(huán)境參數(shù)測(cè)試子系統(tǒng)和振動(dòng)噪聲測(cè)試子系統(tǒng)三個(gè)部分。
　　運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)包含運(yùn)動(dòng)決策模塊,、分布式運(yùn)動(dòng)控制器和步進(jìn)電機(jī)。決策模塊向指定的運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送指令,，控制器根據(jù)決策模塊指令和電機(jī)反饋參量調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向,。
　　環(huán)境參數(shù)測(cè)試子系統(tǒng)負(fù)責(zé)在電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定期間采集溫度、壓力等環(huán)境參量,，并按照用戶(hù)指定的報(bào)警范圍檢測(cè)各環(huán)境參量,，判斷電機(jī)狀態(tài)是否正常，若環(huán)境參量報(bào)警,，系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字量輸出驅(qū)動(dòng)繼電器和接觸器關(guān)斷電機(jī),。
　　振動(dòng)噪聲測(cè)試子系統(tǒng)負(fù)責(zé)測(cè)量電機(jī)系統(tǒng)環(huán)境噪聲及產(chǎn)品多個(gè)位置振動(dòng)信號(hào)的同步采集,，并對(duì)聲音振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和離線(xiàn)分析,。
　　測(cè)控系統(tǒng)采用上下位機(jī)架構(gòu),。上位機(jī)為監(jiān)控終端和人機(jī)界面,，包含運(yùn)動(dòng)控制決策模塊,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及離線(xiàn)分析模塊,、通信模塊和參數(shù)顯示模塊等,。下位機(jī)包含嵌入式實(shí)時(shí)控制器、信號(hào)調(diào)理模塊,、環(huán)境參數(shù)采集模塊、報(bào)警檢測(cè)模塊,、振動(dòng)噪聲采集模塊及通信模塊。
　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)硬件包含環(huán)境參數(shù)信號(hào)調(diào)理及采集部分,、振動(dòng)噪聲采集部分,、數(shù)字I/O部分,、信號(hào)電氣連接器部分、運(yùn)動(dòng)控制部分,、嵌入式控制器及監(jiān)控終端等,。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,，總體架構(gòu)采用NI公司PXI總線(xiàn)設(shè)備,，機(jī)箱為可集成SCXI模塊的PXI-1050,，嵌入式控制器為PXI-8106,，外設(shè)模塊包括4塊動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀PXI-4472用來(lái)采集振動(dòng)噪聲信號(hào),，1塊數(shù)字I/O PXI-6528,，1塊數(shù)據(jù)采集卡PXI-6221,。環(huán)境參數(shù)信號(hào)調(diào)理部分使用SCXI模塊,，RTD溫度輸入使用SCXI-1102和SCXI-1581,，壓力輸入使用2塊SCXI-1125。數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)機(jī)箱背板總線(xiàn)控制信號(hào)調(diào)理模塊,，減少了電纜連接,，提高了系統(tǒng)的集成度和擴(kuò)展性。
?監(jiān)控終端應(yīng)用程序將用戶(hù)配置好的試驗(yàn)流程信息使用TCP/IP協(xié)議下載到PXI-8106嵌入式實(shí)時(shí)控制器,，運(yùn)行在實(shí)時(shí)控制器上的應(yīng)用程序按照自動(dòng)流程信息配置決定當(dāng)前時(shí)刻試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)該打開(kāi)的電磁閥,，由PXI-6528驅(qū)動(dòng)繼電器完成。同樣監(jiān)控終端按照流程配置通過(guò)Profibus通信卡設(shè)定直流調(diào)速器轉(zhuǎn)速,，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行,，使齒輪箱產(chǎn)品處于試驗(yàn)要求的工作狀態(tài),。工作狀態(tài)穩(wěn)定后,，對(duì)環(huán)境參數(shù)和振動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

　　實(shí)時(shí)控制器應(yīng)用程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理,，按照流程配置信息決定當(dāng)前時(shí)刻哪些環(huán)境參數(shù)需要進(jìn)行報(bào)警檢測(cè)，如發(fā)生報(bào)警按照用戶(hù)配置的報(bào)警等級(jí)決定流程執(zhí)行跳轉(zhuǎn)到不同的安全流程,，像正常停車(chē)或緊急停車(chē),；按照流程配置信息決定當(dāng)前時(shí)刻是否進(jìn)行振動(dòng)噪聲采集和實(shí)時(shí)分析；按照流程配置信息決定哪些試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要存入硬盤(pán),。
環(huán)境參數(shù)信號(hào)調(diào)理
　　由于現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電弱電環(huán)境并存,、直流調(diào)速器中變頻器的使用等，導(dǎo)致電磁環(huán)境比較復(fù)雜,，這對(duì)傳感器變送器等弱電信號(hào)的傳輸和采集提出了較高的要求,。為了保證設(shè)備及人員安全并準(zhǔn)確采集傳感器信號(hào)，首先,，將試驗(yàn)臺(tái),、數(shù)字量控制柜及測(cè)量系統(tǒng)機(jī)柜單點(diǎn)接地，避免地環(huán)干擾,；其次,，各傳感器信號(hào)線(xiàn)及激勵(lì)線(xiàn)經(jīng)過(guò)屏蔽接入測(cè)量系統(tǒng)，減小電磁干擾,；最后使用SCXI調(diào)理模塊對(duì)傳感器變送器信號(hào)進(jìn)行隔離,、放大、濾波,，最大限度地提高測(cè)量精度,。
　　在本系統(tǒng)的風(fēng)電齒輪箱產(chǎn)品測(cè)試中，溫度,、壓力等環(huán)境參數(shù)分別使用Pt100熱電阻,、壓力變送器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)SCXI-1581電流激勵(lì)模塊和SCXI-1102放大輸入模塊對(duì)鉑電阻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,，通過(guò)SCXI-1125隔離輸入模塊對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行隔離,、放大,、濾波。為消除線(xiàn)路電阻對(duì)鉑電阻信號(hào)的影響,，Pt100熱電阻使用4線(xiàn)制接入系統(tǒng),。環(huán)境參數(shù)屬于緩變信號(hào)，系統(tǒng)使用4Hz低通濾波器消除50～60Hz工頻干擾,。
　　振動(dòng)噪聲采集
　　對(duì)振動(dòng)噪聲信號(hào)的采集,，試驗(yàn)方法關(guān)心24個(gè)測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的相位關(guān)系，因此要求系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行同步采集,。系統(tǒng)采用8通道NI PXI-4472動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)噪聲和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集,，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，齒輪箱測(cè)試關(guān)心24路振動(dòng)和2路噪聲信號(hào),，需要使用4塊PXI-4472,。PXI-4472通道間可做到同步采集，為解決各模塊間的同步問(wèn)題,，如圖2所示,，使用PXI-1050背板上的10MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，將這個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)PXI時(shí)鐘觸發(fā)同步總線(xiàn)傳遞到各個(gè)模塊,。
? 要做到模塊間真正的同步,，除時(shí)鐘信號(hào)統(tǒng)一外，還需要觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)各模塊同時(shí)開(kāi)始工作,，系統(tǒng)將插在PXI-1050機(jī)箱2槽的PXI-4472作為主板卡(Master Device),，其它槽位的PXI-4472作為從板卡(Slave Device)，從主板卡發(fā)送觸發(fā)信號(hào),，該信號(hào)通過(guò)星形觸發(fā)總線(xiàn)(Star Trigger)到達(dá)各從板卡,，電路設(shè)計(jì)上保證了星形觸發(fā)線(xiàn)傳送到每個(gè)模塊的時(shí)間相等，觸發(fā)信號(hào)偏斜小于1ns,，主板卡到各從板卡之間的時(shí)延不超過(guò)5ns。利用PXI高度集成的時(shí)鐘觸發(fā)特性,，以較高的性?xún)r(jià)比,，完成了對(duì)多個(gè)振動(dòng)噪聲通道的同步數(shù)據(jù)采集。
? 以一塊主板卡,、一塊從板卡為例,，以上同步觸發(fā)工作通過(guò)LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)的代碼如圖3所示。

?

圖3 模塊間同步觸發(fā)程序

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??? 嵌入式控制器
??? 齒輪箱測(cè)試試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)過(guò)程中每隔15min進(jìn)行一次振動(dòng)噪聲信號(hào)采集和實(shí)時(shí)頻域傅立葉分析,，關(guān)心的頻率分辨率為0.5Hz,，帶寬為20kHz，16次譜平均,，對(duì)于振動(dòng)信號(hào)需要進(jìn)行頻帶能量計(jì)算,，噪聲信號(hào)需要進(jìn)行等效聲壓級(jí)計(jì)算,。這就要求每次計(jì)算對(duì)時(shí)域振動(dòng)噪聲信號(hào)以80kS/s采樣率采集2s，連續(xù)進(jìn)行16次采集及計(jì)算,。一次實(shí)時(shí)處理的程序代碼如圖4所示,。
?除上述振動(dòng)噪聲采集計(jì)算外，處理器還要同時(shí)進(jìn)行流程執(zhí)行,、環(huán)境參數(shù)采集,、運(yùn)動(dòng)控制通信及數(shù)字I/O通信等多項(xiàng)任務(wù)，這對(duì)處理器的速度和內(nèi)存提出了更高的要求,。另外由于系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控直流調(diào)速器以及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),，控制器必須連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)危險(xiǎn)狀況具備緊急決斷能力,，因此為保證控制器的時(shí)間精確性和性能可靠性,，在PXI-8106嵌入式控制器上運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)流程執(zhí)行,、數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理等時(shí)間緊急任務(wù)，使用TCP/IP協(xié)議通過(guò)千兆以太網(wǎng)卡與上位監(jiān)控終端工控機(jī)進(jìn)行通信,，將配置,、顯示、存儲(chǔ),、報(bào)表及查詢(xún)等非實(shí)時(shí)任務(wù)轉(zhuǎn)移到監(jiān)控終端程序進(jìn)行處理,。
??? 如果將監(jiān)控終端應(yīng)用程序和嵌入式實(shí)時(shí)控制器程序合并到一臺(tái)運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的PC機(jī)（配置和PXI-8106相同）上運(yùn)行，采集程序和圖4所示的計(jì)算代碼連續(xù)運(yùn)行16次需要4～5min,，計(jì)算過(guò)程中,，資源基本耗盡，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存溢出的情況,。系統(tǒng)應(yīng)用程序在實(shí)時(shí)控制器中可獨(dú)立運(yùn)行,，保證高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，而且實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)不需要外圍設(shè)備,，單任務(wù)運(yùn)行平臺(tái),，后臺(tái)程序和服務(wù)少，在這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證下,，內(nèi)存和CPU資源得到分流,，上述代碼執(zhí)行16次僅需40s，應(yīng)用程序的時(shí)間精確性和穩(wěn)定性得到提高,，另外由于運(yùn)行在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序使用多線(xiàn)程技術(shù)編程,，與監(jiān)控終端的通信在計(jì)算執(zhí)行過(guò)程中基本不受影響，系統(tǒng)的性能得到大大改善,。

圖4 振動(dòng)噪聲信號(hào)一次實(shí)時(shí)處理的程序代碼?

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??? 信號(hào)電氣連接器
??? 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及控制部分基于PXI總線(xiàn)設(shè)計(jì),，具有設(shè)備高度集成模塊化特性及隨之帶來(lái)的靈活性和擴(kuò)展性,。為了保證整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可更換性,、維修簡(jiǎn)易性,，測(cè)試系統(tǒng)到現(xiàn)場(chǎng)傳感器執(zhí)行器之間必須具備擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)的信號(hào)電氣連接器,。
??? 為實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)資源與被測(cè)件測(cè)試信號(hào)的可靠連接,，信號(hào)電氣連接器裝置必須具有測(cè)試要求的功率容率、信號(hào)頻率和使用壽命,，由電氣連接器所引入的附加信號(hào)衰減和干擾必須控制在測(cè)試所允許的范圍內(nèi),。
??? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了混裝模塊連接器實(shí)現(xiàn)到現(xiàn)場(chǎng)的電氣連接。將信號(hào)分為環(huán)境參數(shù),、數(shù)字I/O信號(hào)及噪聲振動(dòng)信號(hào)三組電氣連接,，使用DIN標(biāo)準(zhǔn)外殼和鋁制框分別封裝，接口采用線(xiàn)簧連接器,。插拔次數(shù)大于2萬(wàn)次,，具有模塊化可擴(kuò)展性強(qiáng)、接觸電阻小,、負(fù)載電流大,、抗震性能好及插拔力輕等優(yōu)點(diǎn)。使用耐高溫的高質(zhì)量屏蔽線(xiàn)纜進(jìn)行連接,。
??? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 本系統(tǒng)的軟件使用LabVIEW開(kāi)發(fā),。LabVIEW是高效圖形化應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，將簡(jiǎn)單易用的圖形化開(kāi)發(fā)方式與靈活強(qiáng)大的編程語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)合二為一,。系統(tǒng)分為監(jiān)控終端程序和嵌入式控制器程序兩部分,。
??? 為了保證程序結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性和可延續(xù)性，系統(tǒng)將整個(gè)軟件劃分為如圖5所示的層次結(jié)構(gòu),。以通信層為界,，用戶(hù)界面層和管理層在程序結(jié)構(gòu)中處于監(jiān)控終端，而測(cè)試流程控制層和硬件驅(qū)動(dòng)層屬于嵌入式控制器,。通信層為監(jiān)控終端與嵌入式控制器建立數(shù)據(jù)引擎和標(biāo)準(zhǔn)的接口,。

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??? (1)用戶(hù)界面層：負(fù)責(zé)人機(jī)對(duì)話(huà)和數(shù)據(jù)顯示等。
　　(2)管理層：包括對(duì)系統(tǒng)硬件資源,、標(biāo)定信息、試驗(yàn)流程配置,、試驗(yàn)操作以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,。
　　(3)通信層：為主控終端提供原始數(shù)據(jù)引擎和狀態(tài)數(shù)據(jù)引擎，為實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)提供配置信息和命令數(shù)據(jù)引擎,。
　　(4)測(cè)試流程控制層：這一層是執(zhí)行端層次的核心結(jié)構(gòu),，負(fù)責(zé)解析管理層的配置信息和命令參數(shù)并控制程序按照用戶(hù)配置的測(cè)試流程執(zhí)行,。同時(shí)向硬件驅(qū)動(dòng)層發(fā)送指令和提取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù),，將原始數(shù)據(jù)和處理結(jié)果傳送到通信層,。
　　(5)硬件驅(qū)動(dòng)層：為測(cè)試流程控制層和數(shù)據(jù)采集輸入設(shè)備、振動(dòng)噪聲采集設(shè)備,、數(shù)字I/O設(shè)備等建立標(biāo)準(zhǔn)接口,，從輸入設(shè)備采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到試驗(yàn)流程控制層。
????系統(tǒng)軟件可以適應(yīng)多種試驗(yàn)方法,，具有配置靈活,，功能強(qiáng)大，界面美觀(guān)等特點(diǎn),。監(jiān)控終端程序主界面及報(bào)表如圖6所示,。

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圖6 程序界面及結(jié)果報(bào)表

　　本文運(yùn)用PXI總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)利用PXI硬件,、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和LabVIEW虛擬儀器編程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)高精度同步觸發(fā)特性,，縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了系統(tǒng)測(cè)試精度及可靠性,，加快了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理的速度,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)該系統(tǒng)滿(mǎn)足風(fēng)電齒輪箱測(cè)試試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,，現(xiàn)已成功應(yīng)用于歌美颯風(fēng)電齒輪箱產(chǎn)品生產(chǎn)線(xiàn)的檢測(cè)并大大提高了生產(chǎn)效率,。