液压与气动 ２００８年第１２期 基于ＬａｂＶｌ ＥＷ的气体压力测试系统 宋瑞海，张涤新，成永军，赵澜 Ａ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｇａｓ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ ＳＯＮＧ Ｒｕｉ—ｈａｉ，ＺＨＡＮＧ Ｄｉ—ｘｉｎ，ＣＨＥＮＧ Ｙｏｎｇ－ｊｕｎ，ＺＨＡＯ Ｌａｎ （兰州物理研究所，甘肃兰州７３００００） 摘要：采用虚拟仪器技术开发了一个气体压力的自动测试系统，并用于航天项目气体微流量计中。该文 详细介绍了系统的硬件组成和软件的设计。系统的硬件部分使用ＰＣＩ一１６１０采集卡和ＩＥＥＥ一４８８数据采集卡，软 件部分采用ＬａｂＶＩＥＷ图形化编程语言创建，实现了压力的测量与控制以及数据的自动保存。该系统具有界面友 好、人机交互性强、编程简单、操作方便、控制效果好等优点。 关键词：虚拟仪器；测试；压力；ＬａｂＶＩＥＷ；气体微流量计 中图分类号：ＴＨ１３８文献标识码：Ｂ文章编号：１０００－４８５８（２００８）１２－００２８－０４ ０引言 实现各种仪器功能．虚拟仪器主要指这种方式。虚拟仪 器和传统仪器相比，特点可概括如下：性价比高、开放 系统、智能化程度高、界面友好、使用简便、误差小、具 备网络功能。 虚拟仪器的起源可以追溯到２０世纪７Ｏ年代，那 时计算机测控系统在国防航天等领域已经有了相当 的发展，ＰＣ机的出现使仪器的计算机化成为可能。所 谓虚拟仪器（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，简称ｖＩ），是基于计算 机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展 的一个重要方向。粗略地说，这种结合有两种方式。一 种方式是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓 智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体 积的日益缩小，这类仪器的功能也越来越强大，目前已 经出现含有嵌入式系统的仪器；另一种方式是将仪器 正是由于虚拟仪器具有以上特点，使得虚拟仪器 技术在航空、航天、机械、石油化工、生物医学等众多 行业得到广泛应用，从最初对设备简单的数据采集到 对设备的精密测控和工业自动化，从实验室到工厂， 虚拟仪器应用越来越多。国际上，虚拟仪器早已步入 收稿日期：２００８－０６—１７ 作者简介：宋瑞海（１９８３一），男，山东莘县人，硕士研究生，主要 装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托， 从事液体与气体测控技术、机电一体化技术研究。 ＊＊｝｝÷｝｛｝—＊｛．｝—｛ 辨识Ｋ Ｋ和 后确定下来。 以采用一个３阶线性模型来描述气压系统。采用这种 线性化模型在控制时必须考虑到参数摄动的影响。 参考文献： 【１】 Ｊ．Ｌ．Ｓｈｅａｒｅｒ．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ 根据前面的仿真结果选取，ｍ＝－１０ ｋｇ，ｃ＝１５０，Ａ＝０． ００１３ ｍ ， ＝０．１５，Ｋ＝０．０６，Ｋ＝１．８。得到系统波特图如 图６所示。 ６结论 ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ａｉｒ－Ｉ＆ＩＩ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＭＥ，１ ９５６（２）：２３３－２４９． 气缸两腔压力的动态特性直接影响着气压伺服 系统的性能。本文在研究了气缸压力与阀开口、气缸 速度和位置关系后，发现活塞在中间时系统的时间常 ［２】李建藩．气压传动系统动力学【Ｍ］．广州：华南理工大学出版 社，１９９１． 【３］杨庆俊，等．比例方向阀控气动缸动力机构建模［Ｊ】’哈尔滨 工业大学学报，２００１（４）． 数与在一侧的时间常数相比变化了２～３倍，因此位 置对系统特性影响不是非常显著的。气缸压力对阀开 口和气缸速度传递函数为一阶惯性环节。因此完全可 【４】周洪．气动伺服定位技术及其应用ｆＪ１＿液压与气动，１９９９（１）． ［５】李洪人．液压控制系统【Ｍ］．北京．国防工业出版社，１９９０． ２００８年第１２期 液压与气动 ２９ 实用阶段，我国虚拟仪器的应用才处于起步阶段，但 发展迅速，具有良好的发展前景。 据显示单元ＭＫＳ６７０，ＭＫＳ６７０上有１个４８８接口，计 算机通过ＩＥＥＥ４８８数据采集卡进行量程控制和真空 规的选择。 压力的测量和控制在众多的企业和科研单位都 是要面临的技术问题，本论文的优点在于还可以成功 磁悬浮转子规：选用ＳＲＧ一２ＣＥ，计算机接口为 的运用到对流量的测量中，特别是在西气东输的天然 气和石道的流量监控中等都能产生良好的经济 效益。 ＲＳ一２３２，测量压力范围为１０～～１０ ｌａ。 ＩＥＥＥ一４８８数据采集卡：采用ＴＮＴ４８８２高速ＧＰＩＢ Ｔａｌｋｅｒ／Ｉ』ｉｓｔｅｎｅｒ芯片，最高ＩＥＥＥ４８８．１传输速率为１．５ Ｍｂｙｔｅｓ／ｓ，该卡用来连接ＭＫＳ６７０。 １测试系统的硬件设计 在航天计量项目恒压式气体微流量标准中要对 气体压力进行ｉ贝４量，需要研制压力采集系统。实现压 力的计算机测量与控制，进一步提高该实验设备压力 的测量精度和测量范围，从而满足此项目的需求。该 系统的示意图如图１。 ＰＣＩ一１６１０串口采集卡：该卡有４个ＲＳ一２３２Ｃ端 口，带１２８字节ＦＩＦＯ的１６Ｃ９５４ ＵＲＡＴ芯片，传输速 率最高为９２１．６ Ｋｂｐｓ．该卡用来连接磁悬浮转子规。 ＲＳ一２３２串口总线与Ｐｃ计算机组成的虚拟仪器系统， 目前仍是虚拟仪器的构成方式之一，其测试系统的 Ｉ／Ｏ接口设备就是带有ＲＳ一２３２接口的测试仪器。在本 文中是磁悬浮转子规ＲＳＧ一２ＣＥ，它可以直接和计算 机上的串口相连。如果计算机串口已被其他资源占 用，则需要在计算机的ＰＣＩ插槽中插入ＰＣＩ一１６１０。 ２１硬件设计 通 由于变容室内的气体工作压力范围是８．５×１０ ～ ｌＯｑ Ｐａ，若用真空规直接测量变容室内气体的压力，要 同时保证测量的准确性和灵敏性是非常困难的。在此 设备中设计了一个参考室，测量气体流量时，将参考 室封闭，用两只满量程分别为１３３ Ｐａ、１３３ ｋＰａ的差压 式电容规（其参考端接溅射离子泵，用以维持较低工 作压力）测量参考室中的气体压力（当测量压力低于 ｌ０一Ｐａ时，打开变容室和参考室之间的阀门，使变容室 和参考室相通，并使用磁悬浮转子规ＳＲＧ一２ＣＥ测 量），用一只满量程为１３３ Ｐａ的差压式电容薄膜规（能 图１ 气体微流量计测控系统元件方框图 够灵敏测量１．３３×１０ 一１．３３×１０。Ｐａ压力差）测量参 考室与变容室之间的压力差，测控系统将此压力差控 制在零附近。这样就保证了气体压力测量的准确性和 灵敏性。３只真空规的信号通过通道输入选择器 ＭＫＳ２７４后，在信号调节器ＭＫＳ６７０中转换为数字量； ＭＫＳ６７０上有一个４８８接口，计算机通过ＩＥＥＥ４８８数 据采集卡进行量程控制和规头选择。 将ＰＣＩ一１６１０和ＩＥＥＥ一４８８均插于计算机的ＰＣＩ １）硬件介绍 个典型的虚拟仪器系统包括：工控机、ＶＩ软件、 传感器、数据采集卡、信号处理模块、硬件接口和连接 一电缆等。其中ＶＩ软件起主导作用，它使工控机具有信 号采集、控制、处理和数据输出及存储等功能。 电容薄膜规：是２Ｏ世纪６０年代后迅速发展起来 的一种性能优良的传递标准规。电容薄膜规通过薄 膜的电容变化测量压力，不改变气体成分，它具有卓越 的线性、优异的稳定性、极高的测量精度和分辨率。鉴 于本控制系统的高精度要求，选用２只满量程分别为 １３３Ｐａ、１３３ ＫＰａ的差压式电容薄膜规作为测压元件。１ 套电容薄膜规包括１台控制单元ＭＫＳ２７４和１台数 插槽中。计算机通过电容薄膜规显示单元后的４８８通 讯接口和磁悬浮转子规控制单元上的ＲＳ一２３２接口， 根据特定的指令可以完成数据的自动采集。 在流量测量过程中，参考室内的气体压力不变， 当有气体流入或流出变容室时，引起变容室的压力发 生变化，使其偏离参考室压力，在变容室与参考室之间 ３０ 液压与气动 ２００８年第１２期 前面板上显示。在流程图中各个节点的执行由数据流 驱动的，也就是说每个节点只有当在它之前的所有节 点将相应的数据传输过来后才能执行。测量单元的程 序框图分别如图３和图４所示。 图２磁悬浮转子规的仪器前面版 产生的压差Ａ Ｐ由１Ｔｏｒｔ差压式电容薄膜规测量，并 由计算机循环检测这一压差信号。计算机根据压差值 △Ｐ的大小，采用设定的控制算法规律输出电压控制 信号，电机控制卡根据该电压信号重新驱动伺服电机， 使伺服电机的转速得到了调整。电机驱动活塞运动，以 图４磁悬浮转子规系统程序框图 根据电容薄膜规说明书编写程序，并对程序结构 层次说明。 第０层：选择通道和设置参数：ｒｏｕｔｅ：ｃｌｏｓｅ（＠１） 第１层：选择测量单位Ｐａ：ｓｅｎｓｅ：ｓｃａｎ（＠１）：ｐｕｎｉ ＰＡ 改变变容室的体积，使变容室的压力得到调整，这样就 形成了一个闭环的压力自动调节系统，使变容室与参 考室之间的差压值△Ｐ维持在零附近，使得变容室的 压力Ｐ基本上保持恒定。 注意：变换量程和使用２只真空规测量参考室内 气体的压力都是为了提高测量的精度。 ２测试系统的软件设计 第２层：量程的选择为自动选择量程：ｓｅｎｓｅ：ｓｃａｎ（＠１） ｇａｉｎ Ａｕｔｏ 第３层：发送读取压力的指令为：ｓｅｎｓｅ：ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｐｒｅｓ— ＳＵｒｅ 仪器功能软件是利用ＬａｂＶＩＥＷ图形编程软件创 建的，它由前面板、流程图及图标和连接器组成，前面 板动态过程的实现由后台的框图程序支持。 第４层：接着发送读取压力的指令：ｍｅａｓｕｒｅ：ｆｕｎｃｔｉｏｎ 第５层：设置为延时２ Ｓ，否则将读取改换通道之前的 数据。 １）仪器前面板 电容薄膜规和磁悬浮转子规的仪器前面版在工 控机的显示器屏幕上显示，其中磁悬浮转子规如图２ 所示。 第６层：如图３所示。 ３）主要子模块的说明： 子ＶＩ的使用是在ＬａｂＶＩＥＷ环境下进行数据采 集系统设计的基础，只有掌握了它们的功能和使用方 法，才能设计出特定功能的程序。 采用即插即用协议的ＶＩＳＡ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）编写仪器控制程序的好处在于， 不需要了解底层的实际接口的类型是什么，无论对于 ２）总体流程图设计 流程图是整个软件模块的核心部分，它从ＤＡＱ 卡ＰＣＩ一１６１０和ＩＥＥＥ４８８数据采集卡中指定的通道中 读取数据，在对数据进行相应的处理后将其存储并在 ２００８年第１２期 液压与气动 ３１ ＧＰＩＢ、串口还是其他形式的接口，只需要掌握ＶＩＳＡ Ｉ／Ｏ这一套函数库，程序在运行时ＶＩＳＡ就会根据实际 接口类型自动调用相应的接口驱动程序例程，完成通 信操作。 在ＬａｂＶｌＥＷ里要使用ＶＩＳＡ，必须安装ＮＩ—ＶＩＳＡ 软件。所有ＶＩＳＡ函数都在Ｆｕｎｃｔｉｏｎ一＞Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｉ／Ｏ一＞ＶＩＳＡ子模板上。 ＶＩＳＡ子模板上有５个函数和１个名为ＶＩＳＡ Ａｄｖａｎｃｅｄ的子模板，在ＶＩＳＡ Ａｄｖａｎｃｅｄ模板里面还有 很多ＶＩＳＡ函数，但是通常１个ＶＩＳＡ应用程序只用到 有限的几个函数，我们用了２个函数模块。 ＶＩＳＡ Ｗｒｉｔｅ函数功能是向ＶＩＳＡ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｎａｍｅ所 代表的仪器或接口写入信息。输人参数ＶＩＳＡ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｎａｍｅ是ＶＩＳＡ Ｏｐｅｎ函数所返回的，或者“流过”其他 ＶＩＳＡ函数的，包含了会话信息的ＶＩＳＡ资源名；Ｗｒｉｔｅ ｂｕｆｆｅｒ为字符串类型的写入数据；输出参数ｄｕｐ ＶＩＳＡ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｎａｌｎｅ为输人参数ＶＩＳＡ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｎａｍｅ的一份 备份，可用于后继的ＶＩＳＡ函数调用。整型输出参数 ｒｅｔｕｒｎ ｃｏｕｎｔ返回实际写入数据的字节数。 ＶＩＳＡ Ｒｅａｄ函数功能为从ＶＩＳＡ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｎａｍｅ所 代表的仪器读取信息。输入参数ＶＩＳＡ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｎａｍｅ 为ＶＩＳＡ Ｏｐｅｎ函数所返回的，或者“流过”其他ＶＩＳＡ 函数的，包含了会话信息的资源名；整型数据ｂｙｔｅ ｃｏｕｎｔ为想要读取的字节数；输出参数ｄｕｐ ＶＩＳＡ ｒｅ— ｓｏｕｒｃｅ ｎａｍｅ为输入ＶＩＳＡ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｎａｍｅ的一份备份， 可以用于后继的ＶＩＳＡ函数调用；ｒｅａｄ ｂｕｆｆｅｒ为包含读 取结果的字符串类型数据；ｒｅｔｕｒｎ ｃｏｕｎｔ为实际读取到 的数据字节数。 最后给出微流量计压力的数据采集程序模块流 程如图５。 通过多次实验实现了变容室与参考室之间的差 压值Ａ Ｐ维持在零附近，使得变容室的压力Ｐ基本上 保持恒定，从而满足了使用要求。 ３数据采集与处理 数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感 器的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然 后送人计算机根据不同的需要由计算机进行相应的 计算处理，得出需要的数据。与此同时，将计算的数据 进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其 中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统 用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏主要 取决于精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可 丽 露 孺丐蕊 量程自动变化指令 用满量和为１３３ ｋＰａ的真空规测量变 容室内的气体的压力 。 ａ 选用满量程为１３３ ｋＰａ 的真空规 延时等待２ ｓ 用满量程为１３３Ｐａ的真空 规测量差压 图５压力的数据采集程序模块流程图 能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时 控制的要求． 采用ＮＩ的结构化询问语言数据库软件包，可以 很容易地把测试结果通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ送人网络数据库， 进行集中控制和管理。 ４结束语 本文介绍了如何使用ＬａｂＶＩＥＷ和数据采集卡开 发一套在线测量压力的虚拟仪器系统。该系统最终实 现了压力的在线测量，并将结果以曲线和数字两种方 式显示在工控机屏幕上。最后为了方便记录数据，还 扩展了数据存储功能，系统会自动将数据存人一个电 子表格文件中，实现了虚拟仪器技术构建仪器测量自 动化方案。 参考文献： ［１】Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐ．ＬａｂＶＩＥＷ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｔｉｏｎ Ｂａｓｉｃｓ Ｍａｎｕａｌ［Ｍ］．２００３． 【２】石博强，等．ＬａｂＶＩＥＷ６．１编程技术实用教程【Ｍ】．北京：中国 铁道出版社，２００２． 【３】侯国屏，等．Ｌａｂｖｉｅｗ７．１编程与虚拟仪器设计［Ｍ］．北京：清华 大学出版社，２００５：２５９—２８１． 【４】刘荣荣，等．基于ＬａｂＶＩＥＷ的气体流量计自动检定系统 ＩＪ】．仪表技术与传感器，２００７（８）：４１—４３． 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