|
作者：
趙志巍1 何琴2 楊禮壇3
1 杭州九陽小家電有限公司；2 西子奧的斯電梯有限公司；3 杭州九陽歐南多小家電有限公司
應(yīng)用領(lǐng)域：產(chǎn)品測(cè)試
挑戰(zhàn)：使用成熟的高集成度測(cè)控方案實(shí)現(xiàn)小家電智能測(cè)試及遠(yuǎn)程監(jiān)控。
應(yīng)用方案：采用 NI公司的 PXI模塊化儀器架構(gòu)和虛擬儀器技術(shù)，使用 NI LabVIEW 平臺(tái)開發(fā)了一套智能型網(wǎng)絡(luò)化小家電測(cè)控平臺(tái)。本系統(tǒng)利用 LabVIEW 易學(xué)易用的特點(diǎn)并結(jié)合 PXI 硬件輸入輸出模塊，實(shí)現(xiàn)了小家電智能測(cè)試和遠(yuǎn)程監(jiān)控。經(jīng)過實(shí)踐證明此 PXI測(cè)試平臺(tái)可大大提高測(cè)試效率，降低測(cè)試成本。
使用的產(chǎn)品：
LabVIEW 8.2
PXI-1042 8-Slot 3U PXI機(jī)箱
PXI-8196 嵌入式控制器
PXI-8106 雙核 2.16GHz嵌入式實(shí)時(shí)控制器
PXI-6052E E系列數(shù)據(jù)采集器
PXI-6704 16位模擬量輸出卡
SCXI-1125 8通道電壓隔離衰減模塊
SCXI-1166+ SCXI1366 繼電器輸出模塊
介紹:
當(dāng)今在競爭日益激烈的小家電領(lǐng)域，產(chǎn)品開發(fā)上市周期直接影響產(chǎn)品的市場占有率，然而在產(chǎn)品開發(fā)中常規(guī)測(cè)試和壽命測(cè)試環(huán)節(jié)占了 70%以上的時(shí)間。本設(shè)計(jì)采用 NI 的數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW 軟件搭建集成化測(cè)試平臺(tái)。通過硬件采集卡采集電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)到 PXI控制器自動(dòng)保存測(cè)試記錄，并通過控制器輸出信號(hào)控制測(cè)試電壓、測(cè)試溫度、濕度等參數(shù)。最終實(shí)現(xiàn)在無需人員干預(yù)的情況下完成樣機(jī)不同環(huán)境的功能和性能測(cè)試，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告，并具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。
圖 1 高溫高濕壽命測(cè)試室
正文：
一、 新一代與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對(duì)比
1、測(cè)試儀器
改善前測(cè)試儀器如圖2所示由數(shù)字電參數(shù)測(cè)試儀、濕度計(jì)、水銀溫度計(jì)、萬用表、電子溫度計(jì)等分立儀器組成，改善后測(cè)試儀器為基于PXI硬件平臺(tái)和LabVIEW軟件的集成化測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。從兩幅圖對(duì)比中可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)改善后的集成度大幅提高，從而帶來測(cè)試精度的提升，結(jié)合軟件平臺(tái)使測(cè)試效率有了質(zhì)的飛躍。
2、系統(tǒng)組成
改善前測(cè)試系統(tǒng)組成如圖4所示，測(cè)試中電壓、電流、功率因數(shù)等測(cè)試參數(shù)以及溫度、濕度等測(cè)試環(huán)境參數(shù)采用分離測(cè)試儀器人工控制、手工記錄、手動(dòng)上傳到以太網(wǎng)的方式進(jìn)行。圖5改善后系統(tǒng)中電壓、電流、功率因數(shù)、溫度、濕度等參數(shù)通過傳感器及隔離模塊SCXI-1125傳到PXI6052E，PXI6052E連接控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行記錄和分析，分析后的信號(hào)通過PXI6704和PXI1166 、SCXI1366分別輸出模擬量和數(shù)字量來控制相關(guān)測(cè)試參數(shù)從而形成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，測(cè)試參數(shù)智能控制。PXI背板具有人接口和以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試遠(yuǎn)程監(jiān)控。
圖4改善前測(cè)試系統(tǒng)的組成
圖5改善后測(cè)試系統(tǒng)的組成
二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1、 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示：每個(gè)測(cè)試室有一臺(tái)PXI總線計(jì)算機(jī)，可根據(jù)具體監(jiān)控對(duì)象的數(shù)量配置相應(yīng)的PXI數(shù)據(jù)采集卡，由PXI背板的網(wǎng)絡(luò)接口接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和遠(yuǎn)程控制命令的傳送，從而實(shí)現(xiàn)總監(jiān)控臺(tái)對(duì)每個(gè)測(cè)試室各測(cè)試工位的測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、瀏覽歷史曲線、并生成報(bào)單存儲(chǔ)、上傳以太網(wǎng)共享等功能。
2、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵
1)信號(hào)調(diào)理
本系統(tǒng)要對(duì)電壓、電流（mV級(jí)）信號(hào)，溫濕度變送器的4-20mA電流信號(hào)，煙霧/粒子探測(cè)器（mV級(jí)）信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。我們選擇NI公司的信號(hào)調(diào)理（SCXI）模塊，其可與PXI緊密結(jié)合，提供高通道數(shù)、多種類型信號(hào)的調(diào)理。采用SCXI-1125模塊對(duì)各測(cè)試信號(hào)進(jìn)行隔離放大和濾波，利用自帶的熱敏電阻和IC敏感器進(jìn)行冷端補(bǔ)償，信號(hào)調(diào)整后使之變成適合采集卡量程的電壓信號(hào)，同時(shí)對(duì)采集卡進(jìn)行高壓隔離保護(hù)。
2)數(shù)據(jù)采集和控制
對(duì)于本系統(tǒng)中的環(huán)境溫度、濕度變量我們選擇PXI-6052E采集卡實(shí)現(xiàn)多通道的采集，采樣時(shí)差對(duì)信號(hào)特征的影響很小。采集上來的信號(hào)在上位機(jī)做運(yùn)算。使用LabVIEW 8.2為平臺(tái)，配合Control Design Toolkit工具包來實(shí)現(xiàn)溫濕度變量的PID算法。其中PID整定參數(shù)在上位機(jī)設(shè)定，運(yùn)算后的控制參數(shù)通過PXI-6704 16位多通道模擬輸出卡輸出到相應(yīng)的溫濕度調(diào)節(jié)器，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試溫度、濕度閉環(huán)控制。 對(duì)于本設(shè)計(jì)中的測(cè)試電源電壓信號(hào)通過PXI-6052E采集上來的數(shù)據(jù)在上位機(jī)與給定的參數(shù)進(jìn)行比較來調(diào)節(jié)最終的輸出是否達(dá)到設(shè)定值，進(jìn)過比較后的輸出調(diào)節(jié)信號(hào)通過PXI-6704模擬輸出卡傳送到相應(yīng)的程控電源，從而形成測(cè)試電源的閉環(huán)控制。
對(duì)于本設(shè)計(jì)中的環(huán)境煙霧參數(shù)，煙霧/粒子探測(cè)器將模擬信號(hào)傳遞給PXI-6052E采集卡采集到上位 機(jī)，與給定信號(hào)進(jìn)行比對(duì)輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)通過SCXI-1166和SCXI1366 繼電器輸出模塊控制排風(fēng)系統(tǒng)工作。
對(duì)于本設(shè)計(jì)中的電流、元器件溫升、功率、功率因數(shù)等測(cè)試變量通過PXI-6052E采集卡傳入上位機(jī)進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄、分析、保存等操作，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)刷新記錄，保存歷史數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告的功能。
3、 系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件開發(fā)是以LabVIEW 8.2為平臺(tái)，配合Control Design Toolkit工具包進(jìn)行結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì),主要有以下功能:
1)用戶可以自己定義系統(tǒng)界面的功能
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)保存和打開等功能。使用LabVIEW圖形化開發(fā)平臺(tái)大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間，而且為以后界面的修改以及功能的增加提供了靈活、方便的解決方案。圖7為測(cè)試總監(jiān)控平臺(tái)界面，圖8為測(cè)試室監(jiān)控界面，圖9為測(cè)試歷史數(shù)據(jù)界面。
圖7 測(cè)試總監(jiān)控平臺(tái)界面
圖8 常規(guī)測(cè)試室1監(jiān)控界面
圖9 測(cè)試歷史數(shù)據(jù)界面
2)數(shù)據(jù)采集功能
利用LabVIEW中提供的數(shù)據(jù)采集PAC模塊以及NI公司提供的眾多程序?qū)嵗奖阌脩舻拈_發(fā)，快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣和存盤。
3)PID算法實(shí)現(xiàn)
PID的基本算法為控制器的輸出和控制器的輸入（誤差）成正比，與積分導(dǎo)數(shù)成正比且為這3個(gè)分量之和。U=Kc[e+(1/t)∫e*dt+Td *de/dt]其中e是測(cè)量值與給定值之間的偏差；Ti是積分時(shí)間；Td是微分時(shí)間；Kc是控制器的放大系數(shù)。LabVIEW中內(nèi)置了PID等控制算法的VI，以此為基礎(chǔ)可以快速的開發(fā)智能PID的控制。圖10是智能PID控制器部分LabVIEW程序。
圖10 PID控制器部分LabVIEW程序
4)以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)
LabVIEW 8.2為我們提供了豐富的例子供用戶參考和使用，在以太網(wǎng)方面LabVIEW基于TCP/IP協(xié)議方面有大量的例程代碼可以供我們參考和借鑒。
三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
新舊系統(tǒng)在測(cè)試對(duì)象、測(cè)試參數(shù)、控制變量方面沒有改變，但數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有很大的改變，經(jīng)過近半年的系統(tǒng)運(yùn)行與原有操作方法對(duì)比如下：
1 系統(tǒng)應(yīng)用前后情況對(duì)比
圖11 系統(tǒng)應(yīng)用前后對(duì)比
2 效果分析
1) 測(cè)試周期
傳統(tǒng)的測(cè)試方式需人工改變參數(shù)、記錄分析數(shù)據(jù)單款產(chǎn)品的測(cè)試周期為25天，新系統(tǒng)通過虛擬儀器軟硬件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試記錄數(shù)據(jù)，測(cè)試周期可縮短為12天。為產(chǎn)品上市贏得寶貴的時(shí)間。
2) 集成度與準(zhǔn)確性
傳統(tǒng)系統(tǒng)由多套分立的測(cè)試儀器組成，測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和對(duì)應(yīng)性難以保障。新的系統(tǒng)是基于PXI總線的模塊化儀器，使系統(tǒng)的集成度提高，從而帶來精準(zhǔn)度、實(shí)時(shí)性、誤差率有了質(zhì)的飛躍。
3) 操作性與可維護(hù)性
由于改善前測(cè)試儀器是從不同廠家購置的，各儀器互相獨(dú)立且需要定期單獨(dú)校準(zhǔn)，使用中各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)不能共享和調(diào)用。新的系統(tǒng)在軟硬件中可以解決以上問題，操作性和可維護(hù)性較強(qiáng)。
4) 測(cè)試成本
綜上因素改善后的系統(tǒng)在測(cè)試周期、測(cè)試精度、測(cè)試人員、儀器校準(zhǔn)、設(shè)備管理等方面均優(yōu)于改善前系統(tǒng)，帶來測(cè)試綜合成本的降低。
5)系統(tǒng)開發(fā)周期
NI的PAC產(chǎn)品可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用靈活搭建與軟件結(jié)合，LabVIEW圖形化編程環(huán)境容易上手，編程方便，易于移植。整個(gè)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)搭建項(xiàng)目在45天完成。系統(tǒng)開發(fā)周期短且開發(fā)成本低。
四、結(jié)論
本設(shè)計(jì)借助計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能采用了PXI總線硬件平臺(tái)，使用模塊化的數(shù)據(jù)采集卡，在LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)出的智能型網(wǎng)絡(luò)化小家電測(cè)控平臺(tái)。該系統(tǒng)已經(jīng)成功的應(yīng)用于小家電測(cè)試系統(tǒng)中，且通過半年的應(yīng)用結(jié)果顯示完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，效益已凸顯。總之，虛擬儀器技術(shù)使現(xiàn)代的測(cè)量系統(tǒng)更高效，更靈活，功能更強(qiáng)大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)將會(huì)在各領(lǐng)域中發(fā)揮更重要的作用。
|
