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引言 在工廠或實驗室里，實驗人員需要實時監測某些動態量和狀態量，或用于快速準確的監控某些關鍵的設備，或用于記錄過程，為以后系統的調整（如算法的修改，參數整定等）做參考。其中一個廣泛試驗是半物理仿真，即所謂硬件在環仿真，配合硬件的輸入輸出，往往要求在確定的時間里完成確定的監測與控制。此時通常采用實時系統。 實時系統是在確定的時間間隔內對來自外部激勵信號完成響應，其中從輸入到輸出的每一循環抖動足夠小，而使每個循環的過程不因為干擾而中斷。實時系統往往要求連續循環進行準確控制，這樣就對運行實時系統的軟硬件環境要求很高。 設計實時系統的關鍵之一在于待測信號的特性分析，即合理分布被測對象。哪些信號需要實時監控，哪些信號只是普通的檢測。由于實時系統所控制的量通常很關鍵或者影響到全局，被測量都是某些特定或者必需的，所以某些非實時測量都不需要也不應該引入整個系統的實時部分，因為多一個監測量的引入都會影響實時性能。故在多個物理量監測的時候，特別在有實時信號和非實時信號混合監測時候，需要將系統分為實時部分和非實時部分。 實時系統發展很快，境著名的編寫實時測試程序的軟件有QNX、VxWorks等，LabVIEW RT是National Instrument 公司在基于LabVIEW的Real-Time Module的實時編程環境，其利用LabVIEW的圖形化語言，使得我們能夠快速編寫程序并方便地移植到實時平臺。特別在測量領域，很多工程師都很熟悉LabVIEW編寫測控程序，利用NI LabVIEW Module使得工程師不需要再花費額外的時間學習其他平臺就能開發很好的實時系統。 設計平臺 1.本文所用的硬件平臺包括NI的PXI平臺、通用PC平臺及筆記本平臺，采集輸出卡包括基于PXI、PCI和DAQCard的多功能采集卡。PXI平臺是PXI－1002機箱，PXI－8176實時控制器，PXI－6052多功能采集卡；PC平臺是通用PC和PCI－6014采集卡；筆記本平臺是IBM系列和DAQCard-6062多功能采集卡。 2.本文中的軟件平臺是美國國家儀器（NI）推行的LabVIEW7.0及LabVIEW Real-time 7.0 Module，其中所采用的LabVIEW工具包為Simulation Interface 2.0和Datalogging and Supervisory Module 7.0，同時還采用Mathswork 的Matlab6.5。 模型介紹 在很多情況下，工廠或者試驗室需要監控室溫、濕度等環境量，同時機械運作設備中一般都缺不了動力的核心——電動機。實時監測電動機的運行情況在某些情況下是急需的。如何監控好多個信號，然后動態顯示，處理分析，數據記錄，遠程共享數據等需要綜合考慮。 本文利用Matlab中的Simulink Module 開發物理模型來模擬控制對象，模型包括房屋的溫度和供暖氣設備模型、直流電動機的物理模型，然后利用LabVIEW Toolkit之一中的Simulation Interface調用物理模型，結合LabVIEW的通用采集程序，使得這些模型的輸入輸出都是真實的信號，從而來實現半物理仿真環境。 構建平臺 半物理仿真平臺的實現 1.房屋室溫模型 引用Matlab Simulink Module 中自帶的模型，模型的建立不再贅述。 2.直流電機模型 引用通用的直流電機模型建立相關的simulink程序，如圖2所示。 3.LabVIEW Simulation Interface Toolkit LabVIEW發行的Toolkits之一中的Simulation Interface為在LabVIEW調用matlab的simulink提供了很方便的工具。我們可以利用LabVIEW的豐富界面作為Simulink的輸入輸出，同時可以利用LabVIEW的無數采集程序或則其他測量方面的應用聯系Simulink。鑒于simulink在仿真領域中的優越性能，我們可以通過simulation interface 實現豐富的半物理仿真。Simulation Interface亦可以調用由simulink real-time workshop創建的dll并將其植入到RT系統中。 4.LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module LabVIEW發行的toolkits之一中的DSC（datalogging and supervisory control）為編寫基于LabVIEW的測試程序與通用的工業模塊如PLC進行通信提供了方便。DSC監視并記錄server（工業網絡如OPC）上各節點的數據，報警事件以及其他功能。本文中利用DSC目的在于利用其歷史數據的記錄功能，DSC將記錄的數據記錄在內置的數據庫中，我們可以查看歷史記錄并可以將數據庫導出做進一步分析。 5.采集卡完成真實信號的采集和輸出 進行半物理仿真，需要實際信號的參與，在這里信號的采集和輸出有PCI－6014多功能采集卡完成。采集輸出程序是連續的硬件控制采樣刷新率的緩沖型的普通程序。 6.半物理仿真平臺的實現 非實時控制平臺的實現 （1）非實時控制平臺主要完成：依據采集房屋溫度模型輸出的溫度值，算法計算，然后輸出相關值； （2）數據（溫度設定值和當前溫度值）通過datasocket傳送至上位機； （3）前面板如圖4所示。 實時控制平臺的實現 （1）PXI RT平臺包括PXI－8176和PXI－6052E多功能采集卡； （2）依據實時程序的一般編程方法，將線程分為采集算法輸出部分和通信存儲部分，其中前者的優先級最高，設定為critical； （3）通信部分完成數據傳輸和與遠程上位機的某些參數的通行，包括程序的啟動停止，PID參數的設置等； （4）存儲部分完成數據的本地存盤； （5）采集算法輸出部分為硬件定時采樣，PID算法和硬件定時輸出； （6）通信存儲部分與采集算法輸出部分之間通過FIFO通信。 上位機的實現 （1）具有網絡接口的高性能PC平臺； （2）上位機通過網絡遠程啟動或停止實時平臺和非實時平臺； （3）遠程動態修改實時平臺和非實時平臺各參數； （4）上位機通過網絡遠程接受從實時和非實時平臺過來的數據，顯示并保存。 結論 通過半物理仿真平臺（房屋溫度和直流電機模型）實現被測對象的模擬，由于對象中有非實時信號（房屋溫度）和實時信號（直流電機速度）之分，分別通過非實時平臺和實時平臺進行監控。而控制非實時平臺和實時平臺是通過遠程的上位機進行監控。監控的數據除本地存儲外，同時通過網絡上傳到遠程上位機進行遠程存儲。 |
