實(shí)時與非實(shí)時綜合應(yīng)用在多個信號的測量

引言

在工廠或?qū)嶒?yàn)室里，實(shí)驗(yàn)人員需要實(shí)時監(jiān)測某些動態(tài)量和狀態(tài)量，或用于快速準(zhǔn)確的監(jiān)控某些關(guān)鍵的設(shè)備，或用于記錄過程，為以后系統(tǒng)的調(diào)整（如算法的修改，參數(shù)整定等）做參考。其中一個廣泛試驗(yàn)是半物理仿真，即所謂硬件在環(huán)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(jiān)測與控制。此時通常采用實(shí)時系統(tǒng)。

實(shí)時系統(tǒng)是在確定的時間間隔內(nèi)對來自外部激勵信號完成響應(yīng)，其中從輸入到輸出的每一循環(huán)抖動足夠小，而使每個循環(huán)的過程不因?yàn)楦蓴_而中斷。實(shí)時系統(tǒng)往往要求連續(xù)循環(huán)進(jìn)行準(zhǔn)確控制，這樣就對運(yùn)行實(shí)時系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境要求很高。

設(shè)計(jì)實(shí)時系統(tǒng)的關(guān)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(shí)時監(jiān)控，哪些信號只是普通的檢測。由于實(shí)時系統(tǒng)所控制的量通常很關(guān)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(shí)時測量都不需要也不應(yīng)該引入整個系統(tǒng)的實(shí)時部分，因?yàn)槎嘁粋€監(jiān)測量的引入都會影響實(shí)時性能。故在多個物理量監(jiān)測的時候，特別在有實(shí)時信號和非實(shí)時信號混合監(jiān)測時候，需要將系統(tǒng)分為實(shí)時部分和非實(shí)時部分。

實(shí)時系統(tǒng)發(fā)展很快，境著名的編寫實(shí)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(shí)時編程環(huán)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(shí)時平臺。特別在測量領(lǐng)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(fèi)額外的時間學(xué)習(xí)其他平臺就能開發(fā)很好的實(shí)時系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)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(jī)箱，pxi－8176實(shí)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l(fā)abview 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(yàn)室需要監(jiān)控室溫、濕度等環(huán)境量，同時機(jī)械運(yùn)作設(shè)備中一般都缺不了動力的核心——電動機(jī)。實(shí)時監(jiān)測電動機(jī)的運(yùn)行情況在某些情況下是急需的。如何監(jiān)控好多個信號，然后動態(tài)顯示，處理分析，數(shù)據(jù)記錄，遠(yuǎn)程共享數(shù)據(jù)等需要綜合考慮。

本文利用matlab中的simulink module 開發(fā)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(shè)備模型、直流電動機(jī)的物理模型，然后利用labview toolkit之一中的simulation interface調(diào)用物理模型，結(jié)合labview的通用采集程序，使得這些模型的輸入輸出都是真實(shí)的信號，從而來實(shí)現(xiàn)半物理仿真環(huán)境。

構(gòu)建平臺
半物理仿真平臺的實(shí)現(xiàn)
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(jī)模型

引用通用的直流電機(jī)模型建立相關(guān)的simulink程序，如圖2所示。

3.labview simulation interface toolkit

labview發(fā)行的toolkits之一中的simulation interface為在labview調(diào)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(shù)采集程序或則其他測量方面的應(yīng)用聯(lián)系simulink。鑒于simulink在仿真領(lǐng)域中的優(yōu)越性能，我們可以通過simulation interface 實(shí)現(xiàn)豐富的半物理仿真。simulation interface亦可以調(diào)用由simulink real-time workshop創(chuàng)建的dll并將其植入到rt系統(tǒng)中。

4.labview datalogging and supervisory control module

labview發(fā)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(yè)模塊如plc進(jìn)行通信提供了方便。dsc監(jiān)視并記錄server（工業(yè)網(wǎng)絡(luò)如opc）上各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，報(bào)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(shù)據(jù)的記錄功能，dsc將記錄的數(shù)據(jù)記錄在內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫中，我們可以查看歷史記錄并可以將數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出做進(jìn)一步分析。

5.采集卡完成真實(shí)信號的采集和輸出

進(jìn)行半物理仿真，需要實(shí)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(xù)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(shí)現(xiàn)

非實(shí)時控制平臺的實(shí)現(xiàn)

（1）非實(shí)時控制平臺主要完成：依據(jù)采集房屋溫度模型輸出的溫度值，算法計(jì)算，然后輸出相關(guān)值；
（2）數(shù)據(jù)（溫度設(shè)定值和當(dāng)前溫度值）通過datasocket傳送至上位機(jī)；
（3）前面板如圖4所示。

實(shí)時控制平臺的實(shí)現(xiàn)

（1）pxi rt平臺包括pxi－8176和pxi－6052e多功能采集卡；
（2）依據(jù)實(shí)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(yōu)先級最高，設(shè)定為critical；
（3）通信部分完成數(shù)據(jù)傳輸和與遠(yuǎn)程上位機(jī)的某些參數(shù)的通行，包括程序的啟動停止，pid參數(shù)的設(shè)置等；
（4）存儲部分完成數(shù)據(jù)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(jī)的實(shí)現(xiàn)

（1）具有網(wǎng)絡(luò)接口的高性能pc平臺；
（2）上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程啟動或停止實(shí)時平臺和非實(shí)時平臺；
（3）遠(yuǎn)程動態(tài)修改實(shí)時平臺和非實(shí)時平臺各參數(shù)；
（4）上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程接受從實(shí)時和非實(shí)時平臺過來的數(shù)據(jù)，顯示并保存。

結(jié)論

通過半物理仿真平臺（房屋溫度和直流電機(jī)模型）實(shí)現(xiàn)被測對象的模擬，由于對象中有非實(shí)時信號（房屋溫度）和實(shí)時信號（直流電機(jī)速度）之分，分別通過非實(shí)時平臺和實(shí)時平臺進(jìn)行監(jiān)控。而控制非實(shí)時平臺和實(shí)時平臺是通過遠(yuǎn)程的上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控的數(shù)據(jù)除本地存儲外，同時通過網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程存儲。