許敏影

（杭州水表有限公司，杭州 310000）

0 引言

LabVIEW作為常見(jiàn)的圖形化編程語(yǔ)言，在測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)環(huán)境下的系統(tǒng)控制和仿真領(lǐng)域的應(yīng)用頗為廣泛。開(kāi)發(fā)流程基本分為需求收集、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試、發(fā)布與維護(hù)等。本文所開(kāi)發(fā)了測(cè)試系統(tǒng)軟件——?jiǎng)恿卧偝蓽y(cè)試系統(tǒng)，采用虛擬儀器LabVIEW 13.0設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，基于界面操作事件結(jié)構(gòu)與隊(duì)列狀態(tài)機(jī)架構(gòu)模式設(shè)計(jì)了動(dòng)力單元泵源與電動(dòng)機(jī)相關(guān)的性能測(cè)試[1]。該軟件系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)上可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)PLC在數(shù)據(jù)采集、流程控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面的需求；圖形化編程語(yǔ)言，在界面設(shè)計(jì)、邏輯控制等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

1 測(cè)試項(xiàng)目介紹

叉車(chē)系列噸位動(dòng)力單元作為供油裝置可集成控制回路、回油過(guò)濾回路，采用齒輪泵為動(dòng)力源，可集成閥塊、電動(dòng)機(jī)、油箱等，通過(guò)閥塊管路系統(tǒng)與外部液壓油缸、控制閥組等液壓元件相連，組成閉式回路控制系統(tǒng)。動(dòng)力單元可集成多元化功能平臺(tái)，模塊化設(shè)計(jì)方便采用標(biāo)準(zhǔn)元件。

動(dòng)力單元性能測(cè)試采用裝機(jī)模擬實(shí)測(cè)方式，測(cè)試項(xiàng)目主要圍繞齒輪泵電動(dòng)機(jī)組、換向閥等開(kāi)展以下測(cè)試項(xiàng)目包括負(fù)載特性試驗(yàn)、比例特性試驗(yàn)、耐久特性試驗(yàn)、油路機(jī)能試驗(yàn)等4個(gè)項(xiàng)目。

圖1 動(dòng)力單元外型與原理圖

2 LabVIEW項(xiàng)目管理設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)基于LabVIEW 13.0虛擬儀器平臺(tái)開(kāi)發(fā)，為了便于管理和配置設(shè)置，采用測(cè)試功能模塊化并基于Project工程管理程序[2]。

首先，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置放置在配置文件，供主程序Main調(diào)用。這樣可在日后關(guān)鍵參數(shù)變更時(shí)直接修改配置程序，而不必修改主程序，配置文件需放置在指定文件夾并加密。其次，完整程序必須有相應(yīng)的錯(cuò)誤處理機(jī)制。針對(duì)不同類(lèi)別的錯(cuò)誤，例如測(cè)試設(shè)備出錯(cuò)、偶然因素中斷測(cè)試、產(chǎn)品測(cè)試參數(shù)不合格等，做好有效錯(cuò)誤和無(wú)效錯(cuò)誤的分類(lèi)判斷。最后，設(shè)計(jì)者需要將功能相似的模塊編寫(xiě)為子VI形式，方便程序后期的可擴(kuò)展性等。

圖2為本項(xiàng)目的Project列表，其中，NI USB-6000系列采集卡作為數(shù)據(jù)采集硬件，軟件采用與之配合對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)NI-DAQmx[3],DAQmx函數(shù)配有VI函數(shù)和開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)者可利用面板現(xiàn)有的封裝函數(shù)編寫(xiě)底層驅(qū)動(dòng)程序，并結(jié)合DAQ采集硬件，便可實(shí)現(xiàn)多線程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集工作。

圖2 Project-項(xiàng)目樹(shù)列表

圖3中AI/AO數(shù)據(jù)采集調(diào)用了DAQmx任務(wù)形式，采集流程按照配置采集端口、開(kāi)始數(shù)據(jù)采集、讀取/寫(xiě)入數(shù)據(jù)循環(huán)及停止數(shù)據(jù)采集構(gòu)成。程序的數(shù)據(jù)流傳遞采用了For循環(huán)結(jié)合順序結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)按照配置文件要求執(zhí)行完所有程序要求讀取或?qū)懭氲乃邢到y(tǒng)模擬信號(hào)。其中AO任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓系統(tǒng)比例電磁鐵控制命令信號(hào)的輸出與控制[4]。

圖3 AI/AO數(shù)據(jù)采集與控制程序圖

3 主要功能模塊開(kāi)發(fā)

3.1 主界面設(shè)計(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)的被測(cè)對(duì)象主要是適用于不同噸位叉車(chē)的動(dòng)力單元。主界面設(shè)置如圖4所示，主要包含了儀表顯示區(qū)、主要控制參數(shù)輸入窗口區(qū)、人機(jī)交互操作區(qū)等幾部分。首欄菜單由文件、測(cè)試項(xiàng)目、表格數(shù)據(jù)及幫助組成，其中測(cè)試項(xiàng)目下拉菜單包含了負(fù)載特性試驗(yàn)、比例特性試驗(yàn)、耐久特性試驗(yàn)、油路機(jī)能試驗(yàn)。其他菜單功能便于人機(jī)交互與試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置與保存。

圖4 操作主界面示圖

主界面由Main程序控制，底層程序設(shè)計(jì)如圖5所示，數(shù)據(jù)流采用基于事件的生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式[5]。其中生產(chǎn)者循環(huán)基于用戶界面處理模式，用戶事件主要包含[0]前面板關(guān)閉、[1]菜單選擇（用戶）、[2]“打印報(bào)表”：值改變、[3]“保存”：值改變、[4]“測(cè)試結(jié)果、型號(hào)”：值改變、[5]“查詢型號(hào)”：值改變、[6]“查詢隱藏”：鼠標(biāo)進(jìn)入、[7]“查詢型號(hào)”：鼠標(biāo)離開(kāi)等等。消費(fèi)者循環(huán)基于通知器讀取數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的指令任務(wù)，例如初始化、保存、耐久特性試驗(yàn)等，并開(kāi)始在本循環(huán)內(nèi)按照程序設(shè)定執(zhí)行或調(diào)用子VI設(shè)定執(zhí)行完相應(yīng)的測(cè)試命令。以子VI2為例，在生產(chǎn)者循環(huán)內(nèi)基于用戶事件[1]菜單選擇，執(zhí)行“負(fù)載特性試驗(yàn)”；VI2為負(fù)載特性試驗(yàn)的獨(dú)立設(shè)計(jì)模塊，以子VI形式按照順序結(jié)構(gòu)調(diào)用執(zhí)行；此時(shí)的消費(fèi)者循環(huán)讀取到通知器內(nèi)“負(fù)載數(shù)據(jù)”的相關(guān)執(zhí)行命令，并在消費(fèi)者循環(huán)內(nèi)調(diào)取執(zhí)行對(duì)于負(fù)載數(shù)據(jù)如電動(dòng)機(jī)的電流、電壓，系統(tǒng)壓力、流量；負(fù)載上升、下降速度等相關(guān)測(cè)試參數(shù)的采集與顯示[6]。

圖5 Main底層程序設(shè)計(jì)框圖及部分菜單

3.2 負(fù)載特性試驗(yàn)功能模塊設(shè)計(jì)

負(fù)載特性試驗(yàn)基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者（事件）模式[7]，操作運(yùn)行界面-程序框圖設(shè)計(jì)如圖6所示。啟動(dòng)后，需要設(shè)置實(shí)驗(yàn)負(fù)載參數(shù)，系統(tǒng)與采集實(shí)際負(fù)載進(jìn)行對(duì)比，并給出相關(guān)提示。然后按照測(cè)試順序，負(fù)載上升-停止-負(fù)載下降執(zhí)行。其中“復(fù)位”是為確認(rèn)測(cè)試系統(tǒng)初始位置設(shè)置，“比例閥”用來(lái)調(diào)節(jié)上升下降速率，以測(cè)試不同工況下的負(fù)載特性參數(shù)。

圖6 負(fù)載特性操作運(yùn)行部分界面

該底層程序如圖7所示，采用常用的生產(chǎn)者/消費(fèi)者（事件）設(shè)計(jì)模式進(jìn)行編輯。生產(chǎn)者程序設(shè)計(jì)首先由“負(fù)載試驗(yàn)-初始化”開(kāi)始，循環(huán)內(nèi)基于用戶界面事件模式執(zhí)行相應(yīng)測(cè)試流程的參數(shù)設(shè)置或試驗(yàn)進(jìn)程，當(dāng)出現(xiàn)誤操作時(shí)以彈窗形式提示后續(xù)正確操作流程[8]。消費(fèi)者循環(huán)內(nèi)基于通知器讀取數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相關(guān)指令任務(wù)。各指令任務(wù)程序內(nèi)嵌套層疊順序結(jié)構(gòu)，可有序執(zhí)行“開(kāi)始測(cè)試-傳感器數(shù)據(jù)讀取-測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入顯示”。

圖7 負(fù)載特性試驗(yàn)底層程序設(shè)計(jì)框圖

3.3 耐久特性試驗(yàn)功能模塊設(shè)計(jì)

耐久特性試驗(yàn)?zāi)K為自動(dòng)測(cè)試模式，主要針對(duì)動(dòng)力單元裝機(jī)后按照預(yù)定負(fù)載，設(shè)置邊界條件如電動(dòng)機(jī)溫度上限、油溫，叉車(chē)在最低位與最高位的停止時(shí)長(zhǎng)等，進(jìn)行耐久測(cè)試。如圖8所示，主界面以曲線形式實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)壓力、流量、電流、電動(dòng)機(jī)溫度、油溫。

圖8 耐久特性試驗(yàn)主界面

底層程序框圖如圖9所示，采用隊(duì)列消息處理嵌套用戶界面事件處理器模式，并通過(guò)移位寄存器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)。最外層隊(duì)列消息處理模式按照“初始化、讀取測(cè)試序列、執(zhí)行測(cè)試序列、退出”測(cè)試流程運(yùn)行。前置的嵌套用戶界面事件處理器用于耐久測(cè)試總體參數(shù)設(shè)置，并將設(shè)置結(jié)果傳遞至順序結(jié)構(gòu)內(nèi)，以支持完整測(cè)試流程的進(jìn)行。該程序框架內(nèi)采用了屬性節(jié)點(diǎn)、全局變量的典型設(shè)置方式，以實(shí)現(xiàn)程序的簡(jiǎn)化。

圖9 樣品照片

圖9 耐久特性試驗(yàn)底層程序設(shè)計(jì)框圖

4 結(jié)論

本文基于圖形化編程方式，對(duì)叉車(chē)動(dòng)力單元總成測(cè)試系統(tǒng)軟件進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，得出以下結(jié)論：

1）程序設(shè)計(jì)按照Project項(xiàng)目管理方式進(jìn)行，主要包括主界面、DAQ數(shù)據(jù)采集、報(bào)表、文件等類(lèi)別子VI的程序設(shè)計(jì)，更有益于程序的后續(xù)擴(kuò)展和可讀性。

2）依據(jù)測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，主要包含負(fù)載特性試驗(yàn)、比例特性試驗(yàn)、耐久特性試驗(yàn)、油路機(jī)能試驗(yàn)等4個(gè)項(xiàng)目。模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯控制。

3）生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式在人機(jī)互動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中更有利于響應(yīng)用戶界面操作與數(shù)據(jù)流傳遞。

4）上位機(jī)采用圖形化編程較其他傳統(tǒng)編程語(yǔ)言工具更便捷。