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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)品測試
挑戰(zhàn)：使用成熟的高集成度測控方案實現(xiàn)小家電智能測試及遠程監(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 平臺開發(fā)了一套智能型網(wǎng)絡(luò)化小家電測控平臺。本系統(tǒng)利用 LabVIEW 易學(xué)易用的特點并結(jié)合 PXI 硬件輸入輸出模塊，實現(xiàn)了小家電智能測試和遠程監(jiān)控。經(jīng)過實踐證明此 PXI測試平臺可大大提高測試效率，降低測試成本。
使用的產(chǎn)品：
LabVIEW 8.2
PXI-1042 8-Slot 3U PXI機箱
PXI-8196 嵌入式控制器
PXI-8106 雙核 2.16GHz嵌入式實時控制器
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)測試和壽命測試環(huán)節(jié)占了 70%以上的時間。本設(shè)計采用 NI 的數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW 軟件搭建集成化測試平臺。通過硬件采集卡采集電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)到 PXI控制器自動保存測試記錄，并通過控制器輸出信號控制測試電壓、測試溫度、濕度等參數(shù)。最終實現(xiàn)在無需人員干預(yù)的情況下完成樣機不同環(huán)境的功能和性能測試，自動生成測試報告，并具有遠程監(jiān)控功能。
圖 1 高溫高濕壽命測試室
正文：
一、 新一代與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對比
1、測試儀器
改善前測試儀器如圖2所示由數(shù)字電參數(shù)測試儀、濕度計、水銀溫度計、萬用表、電子溫度計等分立儀器組成，改善后測試儀器為基于PXI硬件平臺和LabVIEW軟件的集成化測試系統(tǒng)如圖4所示。從兩幅圖對比中可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)改善后的集成度大幅提高，從而帶來測試精度的提升，結(jié)合軟件平臺使測試效率有了質(zhì)的飛躍。
2、系統(tǒng)組成
改善前測試系統(tǒng)組成如圖4所示，測試中電壓、電流、功率因數(shù)等測試參數(shù)以及溫度、濕度等測試環(huán)境參數(shù)采用分離測試儀器人工控制、手工記錄、手動上傳到以太網(wǎng)的方式進行。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連接控制器對信號進行記錄和分析，分析后的信號通過PXI6704和PXI1166 、SCXI1366分別輸出模擬量和數(shù)字量來控制相關(guān)測試參數(shù)從而形成閉環(huán)，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)自動記錄，測試參數(shù)智能控制。PXI背板具有人接口和以太網(wǎng)接口，可實現(xiàn)測試遠程監(jiān)控。
圖4改善前測試系統(tǒng)的組成
圖5改善后測試系統(tǒng)的組成
二、系統(tǒng)設(shè)計與實現(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：每個測試室有一臺PXI總線計算機，可根據(jù)具體監(jiān)控對象的數(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)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和遠程控制命令的傳送，從而實現(xiàn)總監(jiān)控臺對每個測試室各測試工位的測試數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、瀏覽歷史曲線、并生成報單存儲、上傳以太網(wǎng)共享等功能。
2、 系統(tǒng)硬件設(shè)計關(guān)鍵
1)信號調(diào)理
本系統(tǒng)要對電壓、電流（mV級）信號，溫濕度變送器的4-20mA電流信號，煙霧/粒子探測器（mV級）信號進行調(diào)理。我們選擇NI公司的信號調(diào)理（SCXI）模塊，其可與PXI緊密結(jié)合，提供高通道數(shù)、多種類型信號的調(diào)理。采用SCXI-1125模塊對各測試信號進行隔離放大和濾波，利用自帶的熱敏電阻和IC敏感器進行冷端補償，信號調(diào)整后使之變成適合采集卡量程的電壓信號，同時對采集卡進行高壓隔離保護。
2)數(shù)據(jù)采集和控制
對于本系統(tǒng)中的環(huán)境溫度、濕度變量我們選擇PXI-6052E采集卡實現(xiàn)多通道的采集，采樣時差對信號特征的影響很小。采集上來的信號在上位機做運算。使用LabVIEW 8.2為平臺，配合Control Design Toolkit工具包來實現(xiàn)溫濕度變量的PID算法。其中PID整定參數(shù)在上位機設(shè)定，運算后的控制參數(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，從而實現(xiàn)測試溫度、濕度閉環(huán)控制。 對于本設(shè)計中的測試電源電壓信號通過PXI-6052E采集上來的數(shù)據(jù)在上位機與給定的參數(shù)進行比較來調(diào)節(jié)最終的輸出是否達到設(shè)定值，進過比較后的輸出調(diào)節(jié)信號通過PXI-6704模擬輸出卡傳送到相應(yīng)的程控電源，從而形成測試電源的閉環(huán)控制。
對于本設(shè)計中的環(huán)境煙霧參數(shù)，煙霧/粒子探測器將模擬信號傳遞給PXI-6052E采集卡采集到上位 機，與給定信號進行比對輸出控制信號，控制信號通過SCXI-1166和SCXI1366 繼電器輸出模塊控制排風(fēng)系統(tǒng)工作。
對于本設(shè)計中的電流、元器件溫升、功率、功率因數(shù)等測試變量通過PXI-6052E采集卡傳入上位機進行測試數(shù)據(jù)的記錄、分析、保存等操作，從而實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的實時刷新記錄，保存歷史數(shù)據(jù)，自動生成測試報告的功能。
3、 系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件開發(fā)是以LabVIEW 8.2為平臺，配合Control Design Toolkit工具包進行結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計,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)平臺大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)的時間，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為測試總監(jiān)控平臺界面，圖8為測試室監(jiān)控界面，圖9為測試歷史數(shù)據(jù)界面。
圖7 測試總監(jiān)控平臺界面
圖8 常規(guī)測試室1監(jiān)控界面
圖9 測試歷史數(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)，快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣和存盤。
3)PID算法實現(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個分量之和。U=Kc[e+(1/t)∫e*dt+Td *de/dt]其中e是測量值與給定值之間的偏差；Ti是積分時間；Td是微分時間；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、實驗結(jié)果及分析
新舊系統(tǒng)在測試對象、測試參數(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)運行與原有操作方法對比如下：
1 系統(tǒng)應(yīng)用前后情況對比
圖11 系統(tǒng)應(yīng)用前后對比
2 效果分析
1) 測試周期
傳統(tǒng)的測試方式需人工改變參數(shù)、記錄分析數(shù)據(jù)單款產(chǎn)品的測試周期為25天，新系統(tǒng)通過虛擬儀器軟硬件實現(xiàn)自動測試記錄數(shù)據(jù)，測試周期可縮短為12天。為產(chǎn)品上市贏得寶貴的時間。
2) 集成度與準確性
傳統(tǒng)系統(tǒng)由多套分立的測試儀器組成，測試數(shù)據(jù)的實時性和對應(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，從而帶來精準度、實時性、誤差率有了質(zhì)的飛躍。
3) 操作性與可維護性
由于改善前測試儀器是從不同廠家購置的，各儀器互相獨立且需要定期單獨校準，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，操作性和可維護性較強。
4) 測試成本
綜上因素改善后的系統(tǒng)在測試周期、測試精度、測試人員、儀器校準、設(shè)備管理等方面均優(yōu)于改善前系統(tǒng)，帶來測試綜合成本的降低。
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。整個測試平臺設(shè)計搭建項目在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)計借助計算機的強大功能采用了PXI總線硬件平臺，使用模塊化的數(shù)據(jù)采集卡，在LabVIEW平臺上開發(fā)出的智能型網(wǎng)絡(luò)化小家電測控平臺。該系統(tǒng)已經(jīng)成功的應(yīng)用于小家電測試系統(tǒng)中，且通過半年的應(yīng)用結(jié)果顯示完全達到設(shè)計要求，效益已凸顯。總之，虛擬儀器技術(shù)使現(xiàn)代的測量系統(tǒng)更高效，更靈活，功能更強大。隨著計算機技術(shù)和測控技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)將會在各領(lǐng)域中發(fā)揮更重要的作用。
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