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基于NI PXI的汽车零部件多性能测试

2018-02-27 15:21:52·  
　
完美集成了超过10种NI软硬件- 陈 群,挑战:在50秒内测量产品超过10项的性能，期间需要和多种设备采用不同协议通信，比如CAN, Profibus, RS232等。解决方案:该项目主要测试汽车中某部件的多项性能，包括电流，电压，温度/压力传感器，马达特性等。首先利用Profibus建立现场Master PLC 和Slave PXI computer通信，实现测试过程
"完美集成了超过10种NI软硬件"- 陈 群,
 
挑战:

在50秒内测量产品超过10项的性能，期间需要和多种设备采用不同协议通信，比如CAN, Profibus, RS232等。
 
解决方案:

该项目主要测试汽车中某部件的多项性能，包括电流，电压，温度/压力传感器，马达特性等。首先利用Profibus建立现场Master PLC 和Slave PXI computer通信，实现测试过程传递和测试结果交互，通过8461 CAN interface 实现与ECU通信， 从而通过ECU控制该汽车部件的动作，并且通过6229多功能数据采集模块捕捉整个动作过程中需要测量的物理量。采用TestStand可以非常方便的搭 建测试流程及保留各步骤测试结果。
 
作者:

陈 群 -
 
引言
 
现代化的工厂车间批量生产装配的产品，除了要进行各项原材料检查外，还要在装包发货之前模拟成品功能进行整体性能检查，以确保送到客户手中的产品都是合格件。
 
针对特定产品，我们利用NI公司的PXI控制系统和TestStand和LabView软件构建了一套完整的包含电压，电流，电阻，温度，气压等综合性全自动测试平台。
 
测试平台示意图如图1所示，包含如下测试功能：
  1. 检查产品内部温度传感器是否正确
  2. 检查产品内部压力传感器是否正确
  3. 测试产品电流，电阻
  4. 测试产品流量
  5. 测试产品内部泵的工作能力

图1 测试示意图
 
系统总体设计框图
 
该测试平台主要包括：PLC, PXI controller, ECU, 待测件，以及外围的测试电路及气路。整体框架示意图如图2所示。
 

图2 系统设计框图
 
该性能测试台属于自动化生产线的一部分，PLC（Programmable Logic Controller）作为Master，负责与前后邻居工作台通信，并且负责本工作台测试前的准备工作，比如气缸动作等，控制自动测试的起停，并将测试结果传递给服务器。PROFIBUS作为PLC和NI controller通信的桥梁，实现两者的实时不间断通信。PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术，既适合于自动化系统与现场信号单元的通 讯，也可用于可以直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表及设备，对现场信号进行采集和监控，并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输 电缆，大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。
 
PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)）是一种由NI公司发布的坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard 机械封装的特性发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。PXI继承了PCI的电气信号，使得PXI拥有如PCI bus的极高传输数据的能力，而在软件上是完全兼容的。另一方面，PXI采用和 CompactPCI一样的机械外型结构，因此也能同样享有高密度、坚固外壳及高性能连接器的特性，目前已成为一种主流的虚拟仪器测试平台。一个PXI系统由几项组件所组成，包含了一个机箱、一个PXI背板（backplane）、系统控制器（System controller module）以及数个外设模块（Peripheral modules），如图3所示。
 

图3 典型的PXI系统
 
ECU配合controller在测试过程中和产品内部进行通信，获取内置温度及压力信号，并根据测试流程起停控制内部泵的工作。与NI controller通过CAN总线进行交互。CAN （Controller Area Network）是ISO国际标准化的串行通信协议，属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，在汽车电子领域具有广泛的应用。该项目通过使用NI公司的ECU Measurement and Calibration Toolkit，非常方便的实现了用CAN对ECU进行通信。
 
NI controller作为测试台的核心部件，负责所有与测试相关的内容，并汇总显示所有测试结果。NI PXI-8105是业界首款双核PXI嵌入式控制器，该产品具有2.0 GHz Intel Core™ Duo处理器T2500，适用于多任务环境和多线程应用。双核处理器配有两个内核或称为计算引擎，位于同一个处理器中。 双核处理器可同时执行两个计算任务，非常适合多任务环境，例如需要同时运行多个应用程序的Windows XP。多线程应用可充分利用双核处理器的特性，将任务分配到不同的线程中， 双核处理器可并行执行这些线程中的两个线程来达到理想的性能。
 
多功能M系列数据采集（DAQ）板卡PXI- 6229为该项目中的多功能卡，承载着项目中的绝大部分任务，将在下节中详细说明。

系统硬件组成
 

图4 系统硬件概览
 
如上节所述，我们的测试平台总共包含4张PXI硬件板卡：PXI 8105 controller，PXI PROFIBUS master/slave interface，PXI 6229，PXI CAN interface 8461。PROFIBUS用于PLC和NI controller的实时通信，CAN卡用于NI controller和ECU的通信，作为核心板卡的PXI 6229为NI多功能数据采集板卡，包含AI，AO， DI，DO，CTR。6229的接线盒本项目采用SC-2345信号调理屏蔽盒。外盒中带有SCC模块插座以及方便与M系列和E系列的数字I/O、计数器/定时器（GPCTR）信号进行连接的螺栓端子。NI SCC是便携式模块化信号调理系统，可与M系列、E系列、部分B系列和便携式多功能数据采集（DAQ）设备配合使用。SCC产品可调理各种模拟输入和数字 I/O信号，而且可以通道为单位选择信号调理。SCC提供了自定义的连接选项以配合感应器或信号连接的类型。
 

图5 NI SC-2345及SCC模块
 
AI通道采集现场的模拟量，包括电压，温度，气压信号，考虑到电流信号的抗干扰性能要优于电压信号，我们选用的传感器均为4-20mA电流输出，再采用NI的SCC CI20信号调理电流输入模块进行实时数据采集。SCC-CI20是双通道模块，接受两个0-20 mA或4-20 mA电流回路输入。 NI SCC-CI20的每一独立通道都包含一个精密249ohm电阻，该电阻可以将0-20 mA信号转换为0-5 V信号。 每一通道均包括一个仪器差动放大器和偏压电阻器。放大器具有低阻抗输出，可以实现多功能DAQ设备的最高扫描速率；电阻器可以处理浮动以及接地参考电流源。
 
AO用来控制现场可编程电源，因为不同类产品需要不同的供电电压，并且在测试过程中不同的测试项目也需要不同的电压，即电压需要根据测试需要自动切换。SCC-AO10是输出范围为±10 V的单通道隔离电压输出模块，以自己的隔离接地为参考。
 
DO控制各种继电器。不同的测试步骤需要不同的继电器配合电或气的回路通断。SCC-DO01是一款单通道光学隔离数字输出模块，可处理高达24VDC的电流，还带有一个用于确认模块输出状态的LED，还配备了用于上电状态配置的外接开关。
 
CTR（counter）发PWM波驱动产品内部泵工作，再根据外接的气压传感器即可判断泵及相关零件装配是否正确。面向NI SCC平台的计数器/定时器调理模块，提供隔离、更广的I/O范围和短路保护。SCC-CTR01为SCC平台上的通用计数器提供60V隔离和0-48VDC输入/输出范围，包括TTL，可将每个载体上的2个NI SCC-CTR01模块与多功能I/O控制设备上的2个计数器/定时器配合使用。
 
系统软件构架
 
为了与NI硬件无缝连接，我们采用TestStand和LabView进行编程。所有的具体任务由LabView编程实现，比如数据采集，数据通信等。 测试流程则由TestStand 实现控制，如图6示意。TestStand是可立即执行的测试执行管理软件，用于组织、控制和执行自动化原型设计、验证或制造测试系统。TestStand与所有主流测试编程环境兼容，如NI LabVIEW, NI Measurement Studio组件，微软Visual Basic和Visual C++等，能调用任何编译过的动态链接库（DLLs），ActiveX自动化服务器，.exe运行程序，甚至传统开发语言如HTBasic，HP-VEE。利用TestStand特别强大的兼容性，可以方便的在一个系统中将传统和现代测试编程序环境结合起来，工程师可将精力集中在更重要的开发任务上，如为产品建立测试策略，再考虑如何利用这个策略开发出应用程序等；而相对简单的工作，如运行顺序，执行和报告生成等，将由TestStand处理完成。
 

图6 本项目软件构架
 
本项目中的测试报告即由TestStand自动生成，只需在report options做一些简单的设置即可，如图7所示。
 

图7 TestStand中Report Options设置
 
另外，由于测试项目较多，哪些测试项目的结果需要保存到报告中，是否影响全局结果，也无需工程师编程实现，只需要在各项测试步骤的属性中进行相应的勾选即可，如图8所示。
 

图8 TestStand Run Options
 
LabVIEW是一种图形化的编程语言，与仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作，是简化了而又易于使用的基于图形化的编程语言G的开发环境，目前在自动化测试工程师中非常流行。流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致的，而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关，构建和测试程序就可以少费时间。使用流程图方法可以实现内部的自我复制，可以随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。与传统的编程方式相比，使用LabVIEW设计虚拟仪器，可以提高效率4～10倍。
 
现场成果
 
图9和图10展示了项目的最终运行成果。LabView面板实时显示测试过程中各项目的结果，以及重要信号的曲线。还没测试的项目默认值为1000，背景为红色，已经测试过的项目显示当前测试结果，并根据规定的上下限背景自动调为绿色或者红色。TestStand面板供专业人士使用，可以实时查看目前测试进行到哪一步，结果如何等等。
 

图9 现场成果——Labview面板

结论
 
通过NI公司先进的PXI技术，能够准确而快速地对硬件进行控制和数据采集；同时PXI驱动库 DAQmx与LabVIEW软件开发平台的无缝连接，利用PXI构建的功能测试台，虽然结构复杂，信号量较多，但是结构合理，功能强大，易于修改。利用TestStand特别强大的兼容性，可以方便的在一个系统中将传统和现代测试编程序环境结合起来，工程师可将精力集中在更重要的开发任务上。相信NI的产品在自动化行业中会有更加深入的应用。
 
作者信息:
陈 群  
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