基于 LabVIEW和 PXI的智能型网络化小家电测控平台

发布日期：2023/6/22来源：网络

作者：
赵志巍1 何琴2 杨礼坛3
1 杭州九阳小家电有限公司；2 西子奥的斯电梯有限公司；3 杭州九阳欧南多小家电有限公司

应用领域：产品测试

挑战：使用成熟的高集成度测控方案实现小家电智能测试及远程监控。

应用方案：采用 NI公司的 PXI模块化仪器架构和虚拟仪器技术，使用 NI LabVIEW 平台开发了一套智能型网络化小家电测控平台。本系统利用 LabVIEW 易学易用的特点并结合 PXI 硬件输入输出模块，实现了小家电智能测试和远程监控。经过实践证明此 PXI测试平台可大大提高测试效率，降低测试成本。

使用的产品：
LabVIEW 8.2
PXI-1042 8-Slot 3U PXI机箱
PXI-8196 嵌入式控制器
PXI-8106 双核 2.16GHz嵌入式实时控制器
PXI-6052E E系列数据采集器
PXI-6704 16位模拟量输出卡
SCXI-1125 8通道电压隔离衰减模块
SCXI-1166+ SCXI1366 继电器输出模块

介绍:
当今在竞争日益激烈的小家电领域，产品开发上市周期直接影响产品的市场占有率，然而在产品开发中常规测试和寿命测试环节占了 70%以上的时间。本设计采用 NI 的数据采集卡和LabVIEW 软件搭建集成化测试平台。通过硬件采集卡采集电压、电流、温度等数据到 PXI控制器自动保存测试记录，并通过控制器输出信号控制测试电压、测试温度、湿度等参数。最终实现在无需人员干预的情况下完成样机不同环境的功能和性能测试，自动生成测试报告，并具有远程监控功能。

图 1 高温高湿寿命测试室

正文：
一、新一代与传统控制系统对比
1、测试仪器
改善前测试仪器如图2所示由数字电参数测试仪、湿度计、水银温度计、万用表、电子温度计等分立仪器组成，改善后测试仪器为基于PXI硬件平台和LabVIEW软件的集成化测试系统如图4所示。从两幅图对比中可发现系统改善后的集成度大幅提高，从而带来测试精度的提升，结合软件平台使测试效率有了质的飞跃。

2、系统组成
改善前测试系统组成如图4所示，测试中电压、电流、功率因数等测试参数以及温度、湿度等测试环境参数采用分离测试仪器人工控制、手工记录、手动上传到以太网的方式进行。图5改善后系统中电压、电流、功率因数、温度、湿度等参数通过传感器及隔离模块SCXI-1125传到PXI6052E，PXI6052E连接控制器对信号进行记录和分析，分析后的信号通过PXI6704和PXI1166 、SCXI1366分别输出模拟量和数字量来控制相关测试参数从而形成闭环，实现测试数据自动记录，测试参数智能控制。PXI背板具有人接口和以太网接口，可实现测试远程监控。

图4改善前测试系统的组成

图5改善后测试系统的组成

二、系统设计与实现
1、系统网络结构
系统网络结构如图6所示：每个测试室有一台PXI总线计算机，可根据具体监控对象的数量配置相应的PXI数据采集卡，由PXI背板的网络接口接入以太网，实现数据的交换和远程控制命令的传送，从而实现总监控台对每个测试室各测试工位的测试数据实时监控、浏览历史曲线、并生成报单存储、上传以太网共享等功能。

2、系统硬件设计关键
    1)信号调理
    本系统要对电压、电流（mV级）信号，温湿度变送器的4-20mA电流信号，烟雾/粒子探测器（mV级）信号进行调理。我们选择NI公司的信号调理（SCXI）模块，其可与PXI紧密结合，提供高通道数、多种类型信号的调理。采用SCXI-1125模块对各测试信号进行隔离放大和滤波，利用自带的热敏电阻和IC敏感器进行冷端补偿，信号调整后使之变成适合采集卡量程的电压信号，同时对采集卡进行高压隔离保护。
    2)数据采集和控制
    对于本系统中的环境温度、湿度变量我们选择PXI-6052E采集卡实现多通道的采集，采样时差对信号特征的影响很小。采集上来的信号在上位机做运算。使用LabVIEW 8.2为平台，配合Control Design Toolkit工具包来实现温湿度变量的PID算法。其中PID整定参数在上位机设定，运算后的控制参数通过PXI-6704 16位多通道模拟输出卡输出到相应的温湿度调节器，从而实现测试温度、湿度闭环控制。对于本设计中的测试电源电压信号通过PXI-6052E采集上来的数据在上位机与给定的参数进行比较来调节最终的输出是否达到设定值，进过比较后的输出调节信号通过PXI-6704模拟输出卡传送到相应的程控电源，从而形成测试电源的闭环控制。
    对于本设计中的环境烟雾参数，烟雾/粒子探测器将模拟信号传递给PXI-6052E采集卡采集到上位机，与给定信号进行比对输出控制信号，控制信号通过SCXI-1166和SCXI1366 继电器输出模块控制排风系统工作。
    对于本设计中的电流、元器件温升、功率、功率因数等测试变量通过PXI-6052E采集卡传入上位机进行测试数据的记录、分析、保存等操作，从而实现测试数据的实时刷新记录，保存历史数据，自动生成测试报告的功能。
3、系统软件
    系统软件开发是以LabVIEW 8.2为平台，配合Control Design Toolkit工具包进行结构模块化设计,主要有以下功能:
    1)用户可以自己定义系统界面的功能
    本系统实现了数据采集、参数设置、数据保存和打开等功能。使用LabVIEW图形化开发平台大大缩短了系统开发的时间，而且为以后界面的修改以及功能的增加提供了灵活、方便的解决方案。图7为测试总监控平台界面，图8为测试室监控界面，图9为测试历史数据界面。

图7 测试总监控平台界面

图8 常规测试室1监控界面

图9 测试历史数据界面

    2)数据采集功能
    利用LabVIEW中提供的数据采集PAC模块以及NI公司提供的众多程序实例，方便用户的开发，快速实现数据的连续采样和存盘。
    3)PID算法实现
    PID的基本算法为控制器的输出和控制器的输入（误差）成正比，与积分导数成正比且为这3个分量之和。U=Kc[e+(1/t)∫e*dt+Td *de/dt]其中e是测量值与给定值之间的偏差；Ti是积分时间；Td是微分时间；Kc是控制器的放大系数。LabVIEW中内置了PID等控制算法的VI，以此为基础可以快速的开发智能PID的控制。图10是智能PID控制器部分LabVIEW程序。

图10 PID控制器部分LabVIEW程序

    4)以太网的实现
    LabVIEW 8.2为我们提供了丰富的例子供用户参考和使用，在以太网方面LabVIEW基于TCP/IP协议方面有大量的例程代码可以供我们参考和借鉴。

三、实验结果及分析
   新旧系统在测试对象、测试参数、控制变量方面没有改变，但数据采集系统有很大的改变，经过近半年的系统运行与原有操作方法对比如下：
1 系统应用前后情况对比

图11 系统应用前后对比

2 效果分析
    1) 测试周期
    传统的测试方式需人工改变参数、记录分析数据单款产品的测试周期为25天，新系统通过虚拟仪器软硬件实现自动测试记录数据，测试周期可缩短为12天。为产品上市赢得宝贵的时间。
    2) 集成度与准确性
    传统系统由多套分立的测试仪器组成，测试数据的实时性和对应性难以保障。新的系统是基于PXI总线的模块化仪器，使系统的集成度提高，从而带来精准度、实时性、误差率有了质的飞跃。
    3) 操作性与可维护性
    由于改善前测试仪器是从不同厂家购置的，各仪器互相独立且需要定期单独校准，使用中各系统之间的数据不能共享和调用。新的系统在软硬件中可以解决以上问题，操作性和可维护性较强。
    4) 测试成本
    综上因素改善后的系统在测试周期、测试精度、测试人员、仪器校准、设备管理等方面均优于改善前系统，带来测试综合成本的降低。
    5)系统开发周期
    NI的PAC产品可根据实际应用灵活搭建与软件结合，LabVIEW图形化编程环境容易上手，编程方便，易于移植。整个测试平台设计搭建项目在45天完成。系统开发周期短且开发成本低。

四、结论
    本设计借助计算机的强大功能采用了PXI总线硬件平台，使用模块化的数据采集卡，在LabVIEW平台上开发出的智能型网络化小家电测控平台。该系统已经成功的应用于小家电测试系统中，且通过半年的应用结果显示完全达到设计要求，效益已凸显。总之，虚拟仪器技术使现代的测量系统更高效，更灵活，功能更强大。随着计算机技术和测控技术的发展，虚拟仪器技术将会在各领域中发挥更重要的作用。

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