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1、S C B - 1 0 0P X I 总 线P X I - 8 3 3 0（ M X I 3 ）S C X I - 1 5 2 0P X I - 1 0 0 1P X I - 1 0 0 0电 压 信 号加 速 度 信 号主 控计 算 机传感器应 变 信 号S C X I - 1 5 3 1P X I -6 0 7 1 EP X I -6 0 7 0 E图 1 系统硬件架构基于 LabVIEW 和 PXI 的城市轨道车辆转向架测试系统摘要：为了能够快速准确地实现对城市轨道车辆转向架的性能测试，搭建了基于虚拟仪器编程语言LabVIEW 和 PXI 总线测试技术的城市轨道车辆转向架测试平台。应 用
2、单线程多卡耦合循环软件架构和错误跟踪方法，保证 了多数据采集卡的 协调运行和测试系统的可靠性；采用双字节整数保存法优化实时数据的存储，消除了硬 盘存储瓶颈。 实际应 用证明，该测试系统适应性强、可靠性高，使用方便、灵活，能够充分满足城市轨道车辆转向架的测试要求。关键词：LabVIEW；PXI；虚拟仪器；城市轨道车辆；转向架；单线程引言随 着 城 市 轨 道 车 辆 的 迅 猛 发 展 ， 对 其 转 向 架 的 性 能 也 要 求 越 来 越 高 。 如 何 能 够 快 速准 确 地 测 试 转 向 架 的 性 能 成 为 城 市 轨 道 车 辆 发 展 的 重 要 环 节 。 在 转 向 架
3、 测 试 中 ， 需 要 测试 的 参 数 多 达 几 十 个 甚 至 上 百 个 。 采 用 传 统 的 测 试 技 术 不 仅 成 本 高 昂 、 操 作 复 杂 ， 而 且在 系 统 扩 展 、 数 据 处 理 和 信 息 分 析 与 共 享 等 方 面 存 在 明 显 的 缺 陷 。 目 前 ， 基 于 微 机 硬 件平 台 的 虚 拟 仪 器 技 术 为 解 决 上 述 问 题 开 辟 了 新 途 径 ， 并 且 得 到 了 越 来 越 广 泛 的 应 用 。 城市 轨 道 车 辆 转 向 架 测 试 平 台 采 用 PXI 总 线 系 统 ， 使 用 LabVIEW 编 程 语 言
4、 ， 快 速 搭 建的 基 于 虚 拟 仪 器 技 术 的 测 试 平 台 。1 系 统 硬 件 架 构在 城 市 轨 道 车 辆 转 向 架 测 试 过 程 中 ， 需 要 对 64 通 道 加 速 度 、 32 通 道 应 变 和 32 通道 电 压 信 号 进 行 实 时 高 速 采 集 。 采 用 美 国 NI 公 司 的 PXI 系 列 设 备 ， 构 建 如 图 1 所 示的 系 统 硬 件 架 构 。 这 是 一 个 由 信 号 采 集 与 调 理 模 块 （ SCXI-1531、 SCXI-1520、 SCB-100， PXI-1001 为 信 号 调 理 机 箱 ） 、 PX
5、I 数 据 采 集 卡 （ PXI-6070E、 PXI-6071E， PXI-1000 为PXI 机 箱 ） 和 PXI 接 口 卡 （ PXI-8330， 采 用 MXI-3 技 术 ） 组 成 的 数 据 实 时 采 集 系 统 。被 测 信 号 由 信 号 采 集 与 调 理 模 块 进 行 滤 波 、 放 大 后 送 至 PXI 数 据 采 集 卡 ， 经 A/D 转 换后 ， 通 过 PXI 接 口 卡 传 送 至 主 控 计 算 机 。采 用 PXI 总 线 测 试 设 备 搭 建 测 试 系 统 的 硬 件 架 构 ， 主 要 考 虑 其 具 有 以 下 特 点 ：信 号 调
6、理 机 箱 与 PXI 机 箱 的 分 体 式 结 构 可 以 有 效 地 保 证 信 号 传 输 的 可 靠 性 。 由 于 信 号调 理 机 箱 可 以 最 大 限 度 地 靠 近 信 号 源 ， 能 够 及 时 地 对 被 测 信 号 进 行 滤 波 和 放 大 ， 因 此 可将 现 场 干 扰 对 被 测 信 号 的 影 响 降 到 最 小 ， 保 证 信 号 的 真 实 性 。采 用 基 于 PXI 和 MXI-3 总 线 技 术 的 测 试 设 备 ， 能 够 充 分 保 证 实 时 数 据 采 样 时 的 带宽 要 求 。 PXI 总 线 具 有 最 高 可 达 132MB/s(
7、32-bit， 33MHz) 和 264MB/s(64-bit， 66MHz)的峰 值 数 据 吞 吐 率 1； 而 MXI-3 技 术 是 一 种 高 性 能 的 最 高 可 达 1.5Gbits/s 串 行 数 据 传 送率 的 PCI 总 线 之 间 的 软 硬 件 透 明 连 接 技 术 2。 可 以 增 加 测 试 系 统 的 灵 活 性 和 通 用 性 。 由 于 PXI 设 备 采 用 了 标 准 模 块 化 设 计 方 法 ，可 以 使 该 测 试 系 统 能 够 根 据 不 同 的 测 试 对 象 和 测 试 要 求 进 行 方 便 地 安 装 和 拆 卸 ， 快 速 灵活
8、地 配 置 和 搭 建 测 试 平 台 。提 高 了 测 试 系 统 的 适 应 性 。 PXI 机 箱 和 设 备 都 具 有 牢 固 的 接 插 端 3， 可 以 抵 抗 撞击 与 振 动 ， 能 够 满 足 各 种 测 试 环 境 对 设 备 的 要 求 。2 系 统 的 软 件 设 计“软 件 就 是 仪 器 ”， 软 件 设 计 已 经 成 为 了 基 于 虚 拟 仪 器 技 术 的 测 试 系 统 的 关 键 环 节 。当 信 号 以 二 进 制 数 据 传 送 至 计 算 机 后 ， 需 要 对 其 进 行 分 析 和 处 理 ， 实 现 “仪 器 ”的 功能 。 在 该 测 试
9、 系 统 的 软 件 开 发 中 ， 采 用 LabVIEW 作 为 编 程 语 言 。 它 具 有 简 单 易 用 、功 能 强 大 等 优 点 ， 特 别 是 它 能 与 NI 公 司 的 硬 件 设 备 达 到 无 缝 结 合 ， 简 化 了 对 底 层 硬 件的 设 置 。转 向 架 实 时 测 试 系 统 需 要 具 有 以 下 几 个 基 本 功 能 ：（ 1） 数 据 采 集 。 即 能 够 对 被 测 信 号 进 行 实 时 准 确 的 数 据 采 集 。（ 2） 分 析 与 控 制 。 即 能 够 对 实 时 对 被 测 数 据 进 行 转 换 和 分 析 ， 监 视 各 个
10、 传 感 器 的工 作 状 态 ， 保 证 试 验 正 确 运 行 ； 能 够 对 诸 如 传 感 器 脱 落 等 异 常 情 况 进 行 报 警 。（ 3） 数 据 存 储 。 即 能 够 及 时 准 确 地 将 数 据 保 存 到 硬 盘 ， 为 实 时 测 试 之 后 更 详 尽 的数 据 分 析 和 被 测 对 象 评 定 的 提 供 依 据 。（ 4） 数 据 显 示 。 即 能 实 时 显 示 各 个 被 测 信 号 的 数 值 ， 可 让 测 试 人 员 更 加 详 细 地 了解 被 测 各 参 量 的 信 息 。3 软 件 整 体 架 构 的 确 立该 转 向 架 实 时 测
11、试 系 统 采 用 了 如 图 2 所 示 的 单 线 程 循 环 软 件 架 构 。 由 于 LabVIEW可 为 PXI 设 备 在 内 存 中 开 辟 了 一 块 缓 存 4， 二 进 制 数 据 可 不 经 CPU 直 接 存 入 内 存 ， 所以 该 测 试 系 统 采 用 了 循 环 结 构 ， 将 数 据 从 缓 存 中 分 块 读 出 并 加 以 处 理 。停 止 测 试结 束开 始测 试 准 备数 据 读 取采 样 速 率 控 制测 试 停 止数 据 分 析 与 控 制否是数 据 显 示数 据 存 储图 2 系统软件架构转 向 架 实 时 测 试 系 统 是 一 个 以 数
12、据 采 集 为 核 心 的 实 时 系 统 ， 除 了 数 据 显 示 重 要 性 稍 低外 ， 其 他 各 项 任 务 （ 数 据 读 取 、 分 析 与 控 制 和 数 据 存 储 ） 对 于 测 试 成 功 都 起 到 非 常 重 要的 作 用 。 采 用 单 线 程 结 构 可 以 保 证 每 个 任 务 在 一 次 数 据 采 集 循 环 中 都 能 得 到 有 效 执 行 ，既 能 满 足 数 据 的 实 时 采 集 又 能 保 证 数 据 的 完 整 存 储 ， 增 强 了 测 试 的 可 靠 性 。 与 此 同 时 ，采 用 单 线 程 结 构 也 简 化 了 流 程 控 制
13、， 避 免 了 多 线 程 结 构 中 各 个 任 务 之 间 的 调 度 与 控 制 的复 杂 问 题 。单 线 程 循 环 结 构 也 有 利 于 动 态 调 节 数 据 采 样 频 率 。 当 信 号 采 样 速率 （ 此 速 率 通 常 由 测 试 人 员 设 定 的 ） 大 于 计 算 机 所 能 达 到 的 数据 处 理 能 力 （ 数 据 分 析 和 数 据 存 储 能 力 ） 时 ， 通 过 采 样 速 率 控制 模 块 ， 可 以 自 动 调 节 实 时 采 样 速 率 ， 使 其 能 够 与 计 算 机 的 处理 能 力 相 适 应 ； 另 一 方 面 ， 当 被 设 定
14、的 信 号 采 样 速 率 大 于 硬 件设 备 所 能 达 到 的 最 高 采 样 数 据 率 时 ， 也 能 够 自 动 降 低 采 样 速 率 ，与 硬 件 设 备 所 能 达 到 的 最 高 采 样 数 据 率 保 持 一 致 。 从 而 保 证 实时 数 据 采 集 和 处 理 的 可 靠 运 行 ， 提 高 了 测 试 系 统 的 准 确 性 和 可靠 性 。4 采 样 速 率 控 制采 样 速 率 控 制 指 当 测 试 系 统 无 法 满 足 测 试 设 置 要 求 时 ， 动 态调 节 实 时 采 样 速 率 ， 以 发 挥 出 测 试 系 统 最 大 效 能 的 一 种 自
15、 动 调节 方 法 。 它 对 解 决 数 据 采 样 频 率 与 测 试 系 统 整 体 性 能 的 一 致 性问 题 ， 实 现 测 试 系 统 的 通 用 性 和 适 应 性 具 有 重 要 意 义 。采 样 速 率 控 制 模 块 是 实 施 采 样 速 率 控 制 的 主 体 ， 它 采 用 错 误 跟 踪 方 式 来 实 现 对 数 据采 样 频 率 的 动 态 调 节 。 当 信 号 采 样 速 率 大 于 计 算 机 所 能 达 到 的 数 据 处 理 能 力 时 ， 从 数 据缓 存 读 入 的 测 试 数 据 将 在 数 据 分 析 与 控 制 模 块 和 数 据 存 储
16、模 块 中 占 用 更 多 的 处 理 时 间 ，无 形 中 增 大 了 数 据 采 集 循 环 的 运 行 周 期 ； 而 与 此 同 时 ， 实 时 采 样 数 据 却 不 断 地 的 直 接 涌入 数 据 缓 存 ， 根 据 单 线 程 循 环 软 件 架 构 的 特 点 ， 这 将 导 致 数 据 读 取 模 块 无 法 及 时 将 采 样数 据 从 缓 存 中 读 出 ， 最 终 产 生 数 据 缓 存 覆 盖 （ 旧 数 据 未 来 得 及 读 取 就 被 新 采 样 数 据 覆 盖 ）错 误 （ 错 误 码 为 -108465） 。 另 一 方 面 ， 当 被 设 定 的 信 号 采 集 速 率 大 于 硬 件 设 备 所 能 达到 的 最 高 采 样 速 率 时 ， 将 导 致 非 正 常 采 样 速 率 错 误 （ 错 误 码 为 -10694 和 -10697） 。 通 过对 以 上 错 误 码 进 行 捕 捉 和 处 理 ， 就 可 动 态 调 整 数 据 采 样 频 率 了 。是 否 为 采
