基于​NI PXI​的​汽车​零​部件​多​性能​测试

陈 群,

"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。

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

 

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。

 

 

 

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。

 

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

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。

 

 

 

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。

 

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。

 

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。

 

 

 

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。

 

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

 

图​3 ​典型​的​PXI​系统
图​1 ​测试​示意​图
图​2 ​系统​设计​框​图
图​4 ​系统​硬件​概​览
图​5 ​NI SC-2345​及​SCC​模​块
图​6 ​本​项目​软件​构​架
图​7 ​TestStand​中​Report Options​设置
图​8 ​TestStand Run Options
图​9 ​现场​成果​——​Labview​面板