基于LabVIEW的多任务测控系统设计与实现

电子测试

EL ECTRON IC TEST

J ul.2009No.8

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基于LabVIEW 的多任务测控系统设计与实现

蒲凤萍1,吕迪波2

(1四川省信息工程学校成都610000;2内蒙古自治区气象局呼和浩特010051)

摘　要:本论文介绍了多任务实时测控系统。系统采用分布式控制系统结构,将人机交互、数据采集等任务和控制任务分别交由测试计算机和控制计算机完成。该测控系统计算机应用软件是在LabVIEW 平台上开发,提出了测控系统的两级多任务调度策略,按照软件工程学的观点对实时多任务测控系统进行了方案设计和实现,提高了测控系统的性能。

关键词:LabV IEW ;测控系统;多任务中图法分类:TN911.7　　文献标识码:B

Design and realization of multi 2task measurement and control system

based on LabVIEW

Pu Fengping 1,Lv Dibo 2

(1Sichuan Information and Engineering School ,Chengdu ,610000,china ;2Inner Mongolia Autonomous Region

Meteoro log ical Administration ,Huhhot 010051,China )

Abstract :Multi 2task real 2time measurement and control system is introduced in this paper.The system ,which con 2sists of a measure computer and a control computer ,is established by the use of distributed control structure.The computers software developed based on LabV IEW platform ,a two 2level multi 2task scheduling for a measurement and control system is presented.According to the view of software engineering ,the design and realization of Multi 2task real 2time measurement and control system is given ,these techno log ies enhance the performance of measure 2ment and control system.

K eyw ords :LabV IEW ;measurement and control system ;multi 2task

0　引　　言

当前工业的发展对测控系统提出的要求越来越高,要求仪器能够完成在线的实时测试,能够适应多种多样的使用要求,完成不同测试任务的测控系统。针对这种需求,LabV IEW 已经成为用于测试测量领域的工业标准化开发工具,它是一套

专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的一种图形化编程软件,建立了众多的过程控制和工业自动化应用系统。在LabV IEW 平台下,可以实现高速、多通道的测量和控制,对于大型复杂的工业自动化和控制系统,有专门的LabV IEW 数据记录和监控模块,用于监控多通道I/O 、与工业控制器和网络进行通信,以及提供基

于PC 机的控制。从目前国内的现状来看,大多

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Virtu al Instrument T echnology

数的用户没有用到LabV IEW 强大的数据采集和控制功能,特别是基于PC 的实时控制,本测控系统的突出特点是利用该软件的测控功能来建立一个多任务的测控系统。

1　系统的硬件结构

在LabV IEW 平台上构建一个实时系统是本设计的基本要求,如何在实时系统中实现多任务是设计的关键问题。本套系统的任务可以分为下位机任务和上位机时任务两大类。硬件结构图如图1所示

。

图1　系统硬件结构图

下位机任务包括:

(1)整点制表任务系统分别在0点、8点、16点制表,完成规定时间的电压、电流等测量数据存储或结果的输出,便于以后对历史数据的查找,这也是测控系统的常规工作。

(2)周期任务每100ms 对所有的模拟量采集一次,每2ms 对所有的开关量采集一次。每250ms 和500ms 分别对不同的直流电动机调整

一次。

(3)数据通信任务将采集的数据实时传送至上位机或局域网上的观测点。

上位机实时任务包括:

(1)周期任务每250ms 对直流电动机的转速信号采集一次。每500ms 对温度信号采集一次。因为这两个系统的惯性比较大,所以实时性的要求不是太严格。

(2)控制任务根据对直流电动机和温度测控系统的采样,来对系统进行调节以保持其转速和温度在一个适当的范围内。

(3)动态显示任务对整个系统的各种数据实现动态的显示,便于管理者掌握系统的状态。动态显示对系统资源的消耗较大,所以从下位机任务中分离出来。

(4)数据通信任务与下位机之间的通信和将系统的动态数据发布到其它控制台,通过局域网实现远程监控。

2　系统的软件结构

建立应用程序的结构是进行程序设计的必由之路。在LabV IEW 中的应用程序通常采用递进式结构,该结构可以划分为二个层次。第一层称为“主程序层”,由用户界面和测试执行部分构成;第二层是“测试层”或者“逻辑层”、“中间层”,负责逻辑关系的验证以及相关决策的制定;最底层叫做“驱动层”,负责与仪器、被测试设备以及其它应用程序之间的通信。如图2所示

。

图2　系统软件结构图

三层递进式结构有较其它结构明显的优势。

首先,严格划分各个层次及其功能可以实现程序重用性的最大化。由于每一个V I 都对应明确的应用范围,所以某一具体功能或程序可以在系统的不同地方被重用。其次,采用三层递进式结构的另一个好处是可以实现程序维护时间的最小化。当应用程序完成后,维护和修改工作常常是必要的。由于三层递进式结构的各个层次不同,所以可以容易地识别和定位需要修改的V I 。再者,严格分层和三层递进式方法的另一个显著优点就是实现了应用程序的抽象化,其中的每一层都能够为下一层次提供抽象信息。

虚拟仪器技术

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2.1　多任务的调度策略

由于算机是严格的串行设备,不可能真正的并行执行任务。CPU 是单入口资源,任何时刻只有一个任务得到CPU 的控制权,即多个任务只能互斥使用CPU 。而整个CPU 时间是以分片方式提交给用户使用的。因此,探讨CPU 时间是如何在控制系统中分片,以及各任务是以什么策略轮流使用CPU ,成为确保系统正常工作的关键。2.2　LabVIEW 通信方案

由于LabV IEW 的网络通信有配置简单、实时性高等诸多优点,我们用其实现了测控系统的远程通信部分。该部分可以把测试结果和测量数据通过Internet 实时地发布和共享,并使用Remote Panels 远程控制现场的测试仪器和对象,打破了在同一地点进行采集、分析和显示的传统模式,增强了分工合作能力,使工作人员对系统的运行情况了如指掌,大大提高了工作效率。结构如图3所示

。

图3　系统通信结构

3　实时测控方案设计和实现

在一般的实时系统中,先在LabV IEW R T 软件开发环境下编写应用程序,然后将代码下载到实时板卡的处理器内。这样由运行的处理器执行硬实时控制任务,而其它对实时性要求较低的动态画面显示等其它功能就留给主机去处理。因为LabV IEW R T 代码在实时板卡上运行,即使主机

崩溃,实时板卡部分仍能工作。

本系统中LabV IEW R T 实时测控程序采用分布式结构。在这种结构中,上位机运用LabV IEW 提供界面,对实时性要求不高的系统任务可以放在

上位机中,对时间要求严格的系统任务交给下位机

R T 引擎来处理。

上位机与下位机的通信可以利用内置通信功能和软件调用两种方式。一般而言,实时系统的运行不需要图形界面,但有时在不影响系统实时运行的前提下,也可通过前面板监视系统的运行状况。此时,V I 程序与前面板之间的联系就是通过利用R T 开发系统内置的通信功能实现的。这种通信在R T 引擎和R T 开发系统之间是透明的,无需用户

编程,缺点是主机被独占,不能做其它事情。因此我们在系统中通过软件编程的方式实现二者之间的通信。

开发LabV IEW 实时测控程序,在一定程度上,类似于开发普通的LabV IEW 程序,但也有其特别之处,其步骤如下:

(1)开发。在LabV IEW 环境下编写实时测抓“程序”。

(2)下载。实时程序下载到R T 引擎内运行。

(3)调试。尽管程序在R T 引擎内运行,但在LabV IEW 开发环境中可以对其进行调试,如设置

断点、单步运行、数据监视等,这些通信过程是在R T 开发系统和R T 引擎之间自动完成的。

(4)二次开发对实时测试配套程序进行开发。

作为实时测试程序,它往往是一个大型测控系统的

一部分,上位机还需要运行配套的任务,如实时采集数据的网络通信、数据记录以及相关数据库的开发等。

由于采用了实时控制器和R T 系列的软件,使多个控制任务得到了很好的协调和运行,控制精确度和速度完全满足设计要求,温度控制的动态最大偏差为±1.5℃,静态最大偏差为±0.2℃,如图4所示。

该多任务实时测控系统,在实时部分节省了对硬件的投资,并且达到了理想的运行效果。采用LabV IEW 做为用户程序的开发工具,一方面节省了开发时间,并能做出漂亮友好的人机界面,同时LabVl EW 有着强大的网络功能以及便捷的数据处理功能,大大节省了后续程序开发时间。

图4　实时测试系统实现结果图

4　结　　论

本文设计的基于LabV IEW的测控系统,加入了传统仪器不具备的数据分析与处理的能力。由于LabV IEW开放式开发环境的灵活性,使得用户可以根据实际测量系统的情况方便地改变和添加系统的功能。同时采用基于LabV IEW平台的复杂多任务应用程序两级多任务调度策略,通过平台级任务调度和用户级任务调度实现了测控系统多任务的合理调度。利用LabV IEW7.1的R T模块,突破了实时系统必须配备专用处理器的,实现了基于普通PC机的实时测控系统,系统的任务循环周期达毫秒级,循环时间的波动为微秒级,完全可以满足系统对实时性的要求。

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作者简介

蒲凤萍,四川省信息工程学校教师,工程师,研究方向为网络通信。

E2mail:jingpuyijia@yahoo.cn