基于LabVIEW和PXI的測控平臺

工程設(shè)計(jì)和研究開發(fā)需要大量復(fù)雜的試驗(yàn)，常常需要把各種設(shè)備組合在一起構(gòu)成統(tǒng)一的測試平臺。在實(shí)驗(yàn)室熱工水力學(xué)測控平臺中不但需要許多設(shè)備，而且需要模擬和仿真許多設(shè)備。這樣做不但可減少投資和運(yùn)行成本，也為加快試驗(yàn)進(jìn)度提供了必要條件，計(jì)算機(jī)和虛擬儀器技術(shù)在構(gòu)建這種平臺過程中發(fā)揮了巨大作用。

二、測控平臺的結(jié)構(gòu)

根據(jù)虛擬儀器和對等網(wǎng)絡(luò)的思想，采用NI公司的LabVIEW和PXI系列產(chǎn)品組建成了熱工水力學(xué)測控平臺，平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。這是一個由PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PCI板卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PCMCIA板卡數(shù)采系統(tǒng)和GPIB儀器系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)各個子系統(tǒng)可以單獨(dú)使用，也可以組合使用，非常適合于各類實(shí)驗(yàn)室。

熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)有四個大型熱工實(shí)驗(yàn)臺架，每個臺架都有大量的溫度、壓力、流量等熱工參數(shù)，還有輔助的電壓、電流、功率等信號。采用PXI和MXI技術(shù)，形成圖2所示的測量系統(tǒng)。PXI系統(tǒng)靠近實(shí)驗(yàn)臺架，通過MXI光纜將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的PXI系統(tǒng)和控制室的PC主控機(jī)連接起來，所以大量的信號傳輸線都位于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，雖然數(shù)量很多，但長度很短，這樣既節(jié)約了大量費(fèi)用，又有利于抗干擾。四個實(shí)驗(yàn)臺架共用一套便攜式PXI－MXI系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)配置合理、成本低、利用率高，大大地提高了實(shí)驗(yàn)水平和效率。

三、*的熱工測量技術(shù)

依托LabVIEW軟件包強(qiáng)大的信號處理功能，開發(fā)了基于頻率信號流量計(jì)的流量測量和仿真分析系統(tǒng)、自然循環(huán)兩相流不穩(wěn)定測量和仿真系統(tǒng)、相關(guān)技術(shù)測量流量和仿真系統(tǒng)，以及基于G Web服務(wù)器的熱電偶校驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)室中大量使用渦街和渦輪流量計(jì)，流量信號是近似正弦波的頻率信號，頻率大小代表了流量的大小。由于實(shí)驗(yàn)室中電場、磁場相互影響和50Hz電網(wǎng)干擾，其測量精度受到很大影響，往往達(dá)不到流量傳感器本身的精度。利用LabVIEW信號處理包中Super Resolution Spectral Est的PCAR Power Spectrum等模塊，開發(fā)出基于頻率信號的流量計(jì)流量測量和仿真分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可作流量測量用，又可作為仿真分析用，達(dá)到優(yōu)化測量方法，實(shí)現(xiàn)了高精度流量測量，具有所需采樣點(diǎn)數(shù)少、分辨率高和抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

兩相流特性和兩相流不穩(wěn)定研究是熱工水力學(xué)學(xué)科的研究前沿，采用LabVIEW信號處理包中Super Resolution Spectral Est的PCAR Power Spectrum等模塊，開發(fā)出自然循環(huán)兩相流不穩(wěn)定性測量和仿真分析系統(tǒng)，為深入研究兩相流不穩(wěn)定性問題提供了*的測量和分析工具。

應(yīng)用相關(guān)技術(shù)測量流量是*的流量測量技術(shù)，它利用流體攜帶的某種特征信號，對載流管道相距L位置上的檢測信號X(t)和Y(t)作相關(guān)處理來確定流體的運(yùn)動速度，即流體的流量。

利用LabVIEW軟件庫中Signal Processing的Cross Correlation等模塊，即可容易地開發(fā)出相關(guān)技術(shù)流量測量分析系統(tǒng)。在熱工實(shí)驗(yàn)中，流體的溫度和電導(dǎo)等信號都可作特征信號用，由相關(guān)函數(shù)Rxy最大值可知，信號Y(t)比信號X(t)延遲時間τ，根據(jù)兩個測點(diǎn)之間的距離L,即可得到流體的流速W=L/τ。

用LabVIEW軟件庫中G Web服務(wù)器等模塊，開發(fā)出遠(yuǎn)程控制的熱電偶校驗(yàn)系統(tǒng)，用戶可以通過瀏覽器對現(xiàn)場的校驗(yàn)監(jiān)控程序進(jìn)行操作，例如設(shè)定恒溫溫度，采集設(shè)備和通道號等參數(shù)。

四、基于LabVIEW的熱工仿真技術(shù)

熱工仿真技術(shù)主要是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、熱工水力學(xué)原理、數(shù)值計(jì)算方法和虛擬熱工儀表技術(shù)，進(jìn)行傳熱學(xué)和流體力學(xué)方面的數(shù)值模擬，即用計(jì)算機(jī)進(jìn)行熱工實(shí)驗(yàn)，達(dá)到（或基本達(dá)到）與熱工水力學(xué)過程一致的結(jié)果和高可視化的數(shù)據(jù)表達(dá)，用來進(jìn)行工程性實(shí)驗(yàn)預(yù)測和估計(jì)，達(dá)到優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，提高水平和效率，提高工程建設(shè)的可行性和經(jīng)濟(jì)性的目的。

“模塊化與組合”的方法是用LabVIEW開發(fā)熱工仿真程序的基本方法之一。所謂“模塊化”就是對基本的熱工對象的特征屬性以及其熱工過程的計(jì)算方法進(jìn)行封裝，形成一個獨(dú)立的、可復(fù)用的基本模塊，此模塊既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以通過合理的聯(lián)接與其他基本模塊組合運(yùn)行；所謂“組合”就是根據(jù)各個基本模塊輸入?yún)?shù)的類型以及相互關(guān)系對其進(jìn)行聯(lián)接，前一個模塊的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過合理的處理后，作為后一個模塊的輸入?yún)?shù)，通過數(shù)據(jù)流驅(qū)動整個程序的運(yùn)行，從而完成由簡單的基本模塊組成復(fù)雜仿真系統(tǒng)的過程，如圖3所示。

1、模塊化

熱工對象模塊是LabVIEW開發(fā)熱工仿真程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。要搭建一個具有基礎(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)的基本熱工對象模塊，首先需要對一個熱工對象的特征及屬性的進(jìn)行總結(jié)、提煉，抽取其中的共同屬性作為模塊的輸入?yún)?shù)、中間隱含參數(shù)或是輸出參數(shù)，然后建立這些參數(shù)的物理關(guān)系，并以數(shù)學(xué)模型表達(dá)這些關(guān)系；必要的時候再根據(jù)需要輔以適當(dāng)?shù)妮o助計(jì)算模塊和對象的特性參數(shù)，從而形成一個完整且可以復(fù)用的基礎(chǔ)熱工對象模塊。當(dāng)模塊應(yīng)用于仿真程序時，它就成為程序框圖中的一個“節(jié)點(diǎn)”。

2、組合

LabVIEW的運(yùn)行是由數(shù)據(jù)流驅(qū)動的。簡單地說，就是只有當(dāng)所有輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)都已經(jīng)準(zhǔn)備好的時候，一個“節(jié)點(diǎn)”才能執(zhí)行其功能，當(dāng)“節(jié)點(diǎn)”的流程執(zhí)行完后，其所有的輸出端都會產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)值，傳給下一個“節(jié)點(diǎn)”的輸入端。

這種數(shù)據(jù)流驅(qū)動的執(zhí)行方式使用戶“組合”各個基本熱工對象模塊的過程變得更加容易，因?yàn)橛脩艨梢詫?shí)際的物理過程中的能量、質(zhì)量的流動映射成數(shù)學(xué)模型中相應(yīng)的數(shù)據(jù)流動，所以用戶在編程過程中就可以根據(jù)實(shí)際的物理過程中各個熱工對象之間的關(guān)系來聯(lián)接各個基本的熱工對象模塊。

其仿真程序的框圖如圖5所示，為了清晰的顯示上面所述的組合結(jié)構(gòu)，這里隱去了程序框圖中的一些模塊的部分參數(shù)。

3、熱工仿真程序系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)“模塊化與組合”這個基本思想，所設(shè)計(jì)的基于LabVIEW開發(fā)熱工仿真程序系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖6所示。