0 引言

　　近年來虛擬儀器技術憑借其性能高、擴展性強、開發(fā)時間短、出色的集成性等特點[1]，在各個領域的測量、測試和自動化控制等方面得到了廣泛應用。虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)是以硬件設計的模塊化為基礎，用戶可以高效、靈活地構建自己的界面。傳統(tǒng)儀器的硬件被軟件代替，用戶通過軟件來構造和更改儀器功能，使得一些實時性要求很高，原本由硬件甚至許多用硬件完成的功能，可以通過軟件來實現(xiàn)[2]。本文以NI公司的LabWindows/CVI為開發(fā)環(huán)境設計上位機程序，配合高速數(shù)據(jù)采集卡實時采集發(fā)電機功率，以指定的控制規(guī)律向下位機發(fā)送加載命令，進而實現(xiàn)對發(fā)電機功率的消耗。由于飛機其他設備消耗功率是實時動態(tài)變化的，電負載系統(tǒng)需要根據(jù)功率的動態(tài)變化即時控制電負載加載量。

1 系統(tǒng)組成與總體設計

　　電負載系統(tǒng)主要由控制、負載和補水排水3個子系統(tǒng)組成。分別將左交流發(fā)電機和APU交流發(fā)電機的滿載、超載電能經(jīng)控制子系統(tǒng)加載到負載子系統(tǒng)，負載單元將電能轉(zhuǎn)化為熱能，將水加熱成水蒸氣，排出機外。系統(tǒng)整個工作過程中，控制子系統(tǒng)主要完成電負載的加載、數(shù)據(jù)采集、緊急狀況處理及系統(tǒng)自檢等功能，補水排水子系統(tǒng)根據(jù)蒸發(fā)罐組液位實現(xiàn)自動/手動補水。

　　控制子系統(tǒng)主要由控制計算機、采集板、接觸器、繼電器以及濾波器等組成，這些控制器件統(tǒng)一安裝在客艙的控制柜內(nèi)。控制系統(tǒng)以計算機作為中心控制單元，采集壓力、溫度、電流、電壓等各個傳感器的實時數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，判斷整個系統(tǒng)的實時狀態(tài)；接收用戶命令；實現(xiàn)開關量、模擬量控制等功能。系統(tǒng)總體結(jié)構如圖1所示。

2 系統(tǒng)設計原理

　　發(fā)電機發(fā)出電功率輸出到匯流條，在匯流條上掛載各類用電設備。其中一部分功率被飛機各類用電設備與測試設備所消耗，剩余功率通過電負載系統(tǒng)消耗。電負載系統(tǒng)根據(jù)實驗需求接通或關斷電負載，使發(fā)電機功率維持為設定值。在設計中關鍵部分為發(fā)電機功率采集與電負載加載的控制。

　　2.1 功率采集原理

　　發(fā)電機功率通過采集發(fā)電機輸出的電壓/電流所得，其中電流的測量是在發(fā)電機輸出端采用LEM高精度傳感器直接測得的。發(fā)電機電壓通過分壓獲得5 V電壓進行采集。本設計由數(shù)據(jù)采集卡對被測電壓、電流、溫度、壓力進行離散化采集，為了滿足系統(tǒng)需要，根據(jù)HB6448-90要求采用最大采集速率為330 kS/s的高速采集卡采集，其中電壓、電流通道采集速度為20 kS/s每通道，連續(xù)采集50個周期，并以此計算總發(fā)電功率。計算公式為：

　　功率計算通過一個周期內(nèi)的穩(wěn)態(tài)交流電壓、穩(wěn)態(tài)交流電流在一個周期內(nèi)的采樣點瞬時值計算求取[3]。

　　2.2 負載加載控制

　　PLC具有可靠性高、抗干擾能力強等特點。本系統(tǒng)選用三菱FX2N為下位機執(zhí)行單元。發(fā)電機消耗功率為飛機設備與電負載之和，即：

　　P發(fā)電機=P電負載+P飛機設備(2)

　　若飛機設備的消耗功率不斷發(fā)生變化，則需要實時改變電負載加載量來補償這部分變化。PLC根據(jù)上位機通過串口發(fā)送過來的功率值與預設的功率相比較，從而控制負載加載的多少。

3 系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)硬件主要由工控機、PLC、交流接觸器、保險管、電流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、采集卡端子板等組成，并統(tǒng)一安裝在控制柜內(nèi)。每一個交流接觸器連接三相負載，此三相負載分別安裝在3個蒸發(fā)罐內(nèi)。PLC輸出的數(shù)字信號使交流接觸器實現(xiàn)導通或斷開。電負載控制電路如圖2所示，這是一組電負載控制系統(tǒng)接線圖，其他23組與此相同。交流三相電源經(jīng)過斷路器，保險管連接交流接觸器一端，另一端連接三相電負載，通過PLC或者調(diào)試加載開關即可控制交流接觸器，從而實現(xiàn)電負載控制。

4 系統(tǒng)軟件設計

　　4.1 上位機軟件設計

　　軟件是虛擬儀器最重要的部分。系統(tǒng)上位機軟件采用美國NI公司的LabWindows/CVI開發(fā)，CVI不僅具有虛擬儀器的全部特點，而且它以C語言為核心，可以根據(jù)需要自己開發(fā)系統(tǒng)功能，其高效的開發(fā)能力及靈活性在設計中得到了體現(xiàn)。

　　4.1.1 上位機功能設計

　　上位機主要完成登錄、系統(tǒng)自檢、參數(shù)的設置、負載加載控制、報表打印等任務。登錄系統(tǒng)自檢功能在每次啟動系統(tǒng)后自動執(zhí)行，用于檢測各路電負載狀況，可以預防在電負載異常狀況時加載。參數(shù)設置功能用于配置系統(tǒng)參數(shù)如溫度、壓力上限，自動加載時的加載規(guī)律，數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)校正等。加載記錄及報表功能是可以在實驗結(jié)束時查看本次實驗的系統(tǒng)加載情況并打印報表。主控制界面詳細設計了用戶常用操作功能及各類信息提示。上位機結(jié)構框圖如圖3所示。

　　4.1.2 系統(tǒng)多線程設計

　　Windows操作系統(tǒng)是利用時間片輪換的形式來完成多個任務，而線程又是時間片輪換的基本對象。操作系統(tǒng)為每一個線程分配時間片，讓該線程在這個時間段內(nèi)運行,之后中斷該線程的運行，另外的線程執(zhí)行[4]。多線程的優(yōu)點是它能夠?qū)⒊绦騽澐譃槎鄠€相互獨立的子任務，多個線程的同時運行使系統(tǒng)的響應速度更快，主要用在數(shù)據(jù)的采集、處理及串口通信等場合。為了提高運行效率，系統(tǒng)利用多線程的方法，在CVI在線程池中，將上下位機通信與數(shù)據(jù)采集采用兩個相互獨立的通信線程和數(shù)據(jù)采集線程來實現(xiàn)。其中數(shù)據(jù)采集線程功能為數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動、通道設置、速率設置等，主要采集量有三相電壓、電流、蒸發(fā)罐溫度壓力。因此主線程主要功能為：數(shù)據(jù)的采集、計算、處理、儲存，監(jiān)控顯示，數(shù)據(jù)響應及用戶操作等。

　　4.2 PLC及系統(tǒng)總體軟件設計

　　PLC作為下位機一方面響應上位機的控制指令，另一方面監(jiān)測蒸發(fā)罐與補水罐液位狀況，根據(jù)這兩點執(zhí)行電負載控制指令。其控制流程圖如圖4所示。

　　系統(tǒng)總體功能流程如圖5所示，當上下位機同時通過自檢以后，上位機啟動數(shù)據(jù)采集卡采集，計算飛機發(fā)電機即時功率消耗，并讀取已加載電負載量。并且按照用戶提前預設的加載程序，計算出所需負載量的大小，并將該數(shù)據(jù)傳送給PLC。PLC按照預設的算法對數(shù)據(jù)進行處理，并且按數(shù)據(jù)的結(jié)果加載負載。上位機與下位機同時執(zhí)行，上位機發(fā)送完加載數(shù)據(jù)以后系統(tǒng)重新進入功率采集，進入下一次循環(huán)[5]。

5 系統(tǒng)試驗及結(jié)果

　　系統(tǒng)設計完成在進行地面調(diào)試實驗時，設置自動加載規(guī)律如表１所示。每隔8 ｓ記錄一次實驗數(shù)據(jù)，能夠獲得負載的實際加載記錄曲線和加載功率曲線，充分證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度。

6 結(jié)論

　　本系統(tǒng)設計的基于虛擬儀器的電負載系統(tǒng)已經(jīng)應用于某型飛機的試飛中。它可以精確測量發(fā)電機功率并控制電負載加載，以滿足飛行試驗的要求，而且能夠滿足各種型號發(fā)電機的測試。該系統(tǒng)具有硬件設計簡便以及軟件可擴充性好、編程靈便等特性，對發(fā)電機在各種負載條件下的性能測試具有重要意義。

　　參考文獻

　　[1] 王建新.LabWindows/CVI測試技術及工程應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

　　[2] 賈振元.虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)狀與特點[J].儀器儀表，2002(5)：40-43.

　　[3] 高亞奎.多線程虛擬儀器測試軟件的開發(fā)[J].計算機測量與控制，2003，11（12）：986-987.

　　[4] 王亞曉.飛機電源地面試驗測試系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].西安：西北工業(yè)大學，2004：20-22.

　　[5] 陳矯陽．基于Labwindows/CVI多線程數(shù)據(jù)采集的研究[J]．科學技術與工程，2008，8（9）：2460-2461．