基于LabVIEW和PXI的测控平台

　　前言
　　工程设计和研究开发需要大量复杂的试验，常常需要把各种设备组合在一起构成统一的测试平台。在实验室热工水力学测控平台中不但需要许多设备，而且需要模拟和仿真许多设备。这样做不但可减少投资和运行成本，也为加快试验进度提供了必要条件，计算机和虚拟仪器技术在构建这种平台过程中发挥了巨大作用。

　　测控平台的结构
　　根据虚拟仪器和对等网络的思想，采用NI公司的LabVIEW和PXI系列产品组建成了热工水力学测控平台，平台的结构如图1所示。这是一个由PXI数据采集系统、PCI板卡数据采集系统、PCMCIA板卡数采系统和GPIB仪器系统组成的网络化测控系统，系统内各个子系统可以单独使用，也可以组合使用，非常适合于各类实验室。
 　
　　热工水力学实验大厅内有四个大型热工实验台架，每个台架都有大量的温度、压力、流量等热工参数，还有辅助的电压、电流、功率等信号。采用PXI和MXI技术，形成图2所示的测量系统。PXI系统靠近实验台架，通过MXI光缆将实验现场的PXI系统和控制室的PC主控机连接起来，所以大量的信号传输线都位于实验现场，虽然数量很多，但长度很短，这样既节约了大量费用，又有利于抗干扰。四个实验台架共用一套便携式PXI－MXI系统。实际应用证明，该系统配置合理、成本低、利用率高，大大地提高了实验水平和效率。

　　先进的热工测量技术
 　　依托LabVIEW软件包强大的信号处理功能，开发了基于频率信号流量计的流量测量和仿真分析系统、自然循环两相流不稳定测量和仿真系统、相关技术测量流量和仿真系统，以及基于G Web服务器的热电偶校验监控系统。

　　实验室中大量使用涡街和涡轮流量计，流量信号是近似正弦波的频率信号，频率大小代表了流量的大小。由于实验室中电场、磁场相互影响和50Hz电网干扰，其测量精度受到很大影响，往往达不到流量传感器本身的精度。利用LabVIEW信号处理包中Super Resolution Spectral Est的PCAR Power Spectrum等模块，开发出基于频率信号的流量计流量测量和仿真分析系统。该系统既可作流量测量用，又可作为仿真分析用，达到优化测量方法，实现了高精度流量测量，具有所需采样点数少、分辨率高和抗噪声能力强等优点。

　　两相流特性和两相流不稳定研究是热工水力学学科的研究前沿，采用LabVIEW信号处理包中Super Resolution Spectral Est的PCAR Power Spectrum等模块，开发出自然循环两相流不稳定性测量和仿真分析系统，为深入研究两相流不稳定性问题提供了先进的测量和分析工具。

　　应用相关技术测量流量是先进的流量测量技术，它利用流体携带的某种特征信号，对载流管道相距L位置上的检测信号X(t)和Y(t)作相关处理来确定流体的运动速度，即流体的流量。

　　利用LabVIEW软件库中Signal Processing的Cross Correlation等模块，即可容易地开发出相关技术流量测量分析系统。在热工实验中，流体的温度和电导等信号都可作特征信号用，由相关函数Rxy最大值可知，信号Y(t)比信号X(t)延迟时间τ，根据两个测点之间的距离L,即可得到流体的流速W=L/τ。

　　用LabVIEW软件库中G Web服务器等模块，开发出远程控制的热电偶校验系统，用户可以通过浏览器对现场的校验监控程序进行操作，例如设定恒温温度，采集设备和通道号等参数。

　　基于LabVIEW的热工仿真技术
　　热工仿真技术主要是指应用计算机技术、热工水力学原理、数值计算方法和虚拟热工仪表技术，进行传热学和流体力学方面的数值模拟，即用计算机进行热工实验，达到（或基本达到）与热工水力学过程一致的结果和高可视化的数据表达，用来进行工程性实验预测和估计，达到优化实验，提高水平和效率，提高工程建设的可行性和经济性的目的。
 

　　“模块化与组合”的方法是用LabVIEW开发热工仿真程序的基本方法之一。所谓“模块化”就是对基本的热工对象的特征属性以及其热工过程的计算方法进行封装，形成一个独立的、可复用的基本模块，此模块既可以独立运行，也可以通过合理的联接与其他基本模块组合运行；所谓“组合”就是根据各个基本模块输入参数的类型以及相互关系对其进行联接，前一个模块的输出数据经过合理的处理后，作为后一个模块的输入参数，通过数据流驱动整个程序的运行，从而完成由简单的基本模块组成复杂仿真系统的过程，如图3所示。

　　1．模块化
 　　热工对象模块是LabVIEW开发热工仿真程序系统结构的基础，其结构示意图如图4所示。要搭建一个具有基础模块结构的基本热工对象模块，首先需要对一个热工对象的特征及属性的进行总结、提炼，抽取其中的共同属性作为模块的输入参数、中间隐含参数或是输出参数，然后建立这些参数的物理关系，并以数学模型表达这些关系；必要的时候再根据需要辅以适当的辅助计算模块和对象的特性参数，从而形成一个完整且可以复用的基础热工对象模块。当模块应用于仿真程序时，它就成为程序框图中的一个“节点”。



　　2．组合
　　LabVIEW的运行是由数据流驱动的。简单地说，就是只有当所有输入参数的数据都已经准备好的时候，一个“节点”才能执行其功能，当“节点”的流程执行完后， 其所有的输出端都会产生一个数据值，传给下一个“节点”的输入端。

　　这种数据流驱动的执行方式使用户“组合”各个基本热工对象模块的过程变得更加容易，因为用户可以将实际的物理过程中的能量、质量的流动映射成数学模型中相应的数据流动，所以用户在编程过程中就可以根据实际的物理过程中各个热工对象之间的关系来联接各个基本的热工对象模块。

　　其仿真程序的框图如图5所示，为了清晰的显示上面所述的组合结构，这里隐去了程序框图中的一些模块的部分参数。

　　3．热工仿真程序系统的结构
　　根据“模块化与组合”这个基本思想，所设计的基于LabVIEW开发热工仿真程序系统的框架结构如图6所示。

　　结论
　　应用美国NI公司的LabVIEW和PXI等先进的虚拟仪器技术，将虚拟仪器和对等网络技术应用于热工水力学实验热工参数的测量和控制，开发成功了多项先进的热工测量技术和热工仿真技术，拓宽了热工测控平台的功能。