基于LabVIEW和PXI的某装甲车仪表系统设计

肖俊生，周小凤，左鸿飞

XIAO Jun-sheng1，ZHOU Xiao-feng2，ZUO Hong-fei1

（1.内蒙古科技大学，包头 014010；2.包头职业技术学院，包头 014030）

0 引言

随着自动化测量技术的发展和装甲车辆的更新换代，其仪表和指令系统也在不断进步和发展；传统机械式指针仪表采取“空分制”的布局方式，各仪表占据固定的位置和空间，仪表的利用率很低，占用空间大，已不能满足新型装甲车发展的需求。而 “时分制”仪表能在不同的工作阶段显示不同的工作参数, 提高了仪表的利用率，节省了空间，逐渐成为未来装甲车仪表发展的趋势之一。目前国际上最新发展起来的综合显示控制系统、头盔显示器即采用“时分制”模式，并已在许多发达国家的航空航天领域以及武器装备系统中得到了广泛的应用[1,2]。本文以美国国家仪器有限公司（National Instruments,简称NI）PXI为平台设计虚拟仪表系统。该虚拟仪表系统采用“时分制”显示模式，在同一液晶屏上通过不同页面显示不同的工作参数，提高了仪表的利用率，减小了系统体积，同时也减轻了驾驶员的工作强度。

1 系统总体设计

装甲车虚拟仪表系统，采用虚拟仪器技术以NI公司PXI系统为硬件平台，通过图形化语言LabVIEW编程实现各传感器信号的采集处理，并以“时分制”模式在液晶显示器上以虚拟仪表形式直观显示。驾驶员可通过触摸屏操作按钮切换显示界面，实现在不同情况下显示不同界面。

系统主要检测的参数按信号特性分三类[3], 包括：

1) 模拟量：蓄电池电压、发动机油压、发动机油温、制动气压、冷却水温度、变矩器油压、变矩器油温、制动油压、燃油消耗等;

2) 脉冲量：车速、发动机转速、里程速度等;

3) 开关量：气压报警、二三桥轴间右通、手制动、二三桥轴间左通、一桥左通、驾驶窗关闭、车长门关闭、后门关闭、战斗室进水、空气滤、轮间差速锁、水上行驶、一桥左通、左转向、右转向、战斗室水泵、变速箱高档、变速箱低档、电热塞、抽尘泵、动力仓水泵、液压总阀启动等。

车辆工作在过程中，虚拟仪表系统实时地反映车辆各部件的运作参数，并可实时保存运行过程中的各参数值，供后续分析和故障追忆使用。同时，当参数值出现异常时，可进行故障诊断并高亮显示报警信息，以提醒驾驶员注意。

2 系统硬件设计

虚拟仪表系统的硬件主要由NI PXI机箱、主控制器、PXI数据采集卡、信号调理模块、信号接线盒等组成，其硬件结构如图1所示。

主控制器是整个虚拟仪表的核心，所有数据处理、人机交互功能等的实现都由主控制器来完成，因此选用高性能的PXI-8115控制器来实现；PXI-8115是基于Intel Core i5-2510E处理器的高性能嵌入式控制器，具有2.5 GHz基频、3.1 GHz（单核Turbo Boost模式）双核处理器和单通道1,333 MHz DDR3内存[4]。

图1 虚拟仪表系统硬件总体结构

模拟量采集板卡选用PXI-6224，其分辨率为16位，采样率为250kS/s，具有16路差分输入通道或32路单端输入通道；目前系统有9路模拟量信号需采集，为了提高模拟量采集的抗干扰能力，9路信号全部采用差分输入模式，共占用9路差分输入通道，其余通道作为系统扩展时备用。由于采集发动机油温、冷却水温度、变矩器油温的传感器为热电阻传感器，因此需要通过热电阻信号调理模块将电阻信号变换成标准的电压信号进行采集；其他几路模拟量采集传感器输出信号为电压信号，可直接送入板卡。

数字量采集卡选用PXI-6511，具有64路带隔离开关量输入端口，输入范围0-30V,可满足本系统22路数字量信号的采集。脉冲信号采集通过PXI-6602实现，该模块提供8通道32位加减计数器，实现对本系统中3个脉冲信号的采集。

3 系统软件设计

整个虚拟仪表系统是以LabVIEW8.5作为软件开发平台，基于模块化的思想进行开发的。系统的软件按不同功能分为参数设置、数据采集、数据处理及故障诊断、数据管理、人机交互等六个模块；如图2所示。

图2 虚拟仪表系统软件功能模块

3.1 软件系统架构

由于整个系统采集的数据种类多数据量大，为了提高数据采集处理速度，软件架构采用生产者/消费者设计模式。该模式包括一个或多个并行while循环，每个循环以不同的速率执行任务[5]；其程序模型如图3所示。在本系统中，生产者循环负责完成所有数据的采集任务，并将采集到的数据送入队列，该过程耗时极少。消费者循环从队列中读取数据，并完成数据的滤波、标度变换、报警及故障诊断等处理，同时，可将处理后的数据按需求进行保存。此外，消费者循环里还设置了一个事件结构用于响应前面板的操作。采用该模式，数据的采集和处理保存是并行执行的，大大提高了系统的工作效率。另外，软件上需要添加功能时实现起来也相当便捷。

3.2 数据采集处理模块

数据采集程序通过调用NI-DAQmx硬件驱动程序提供的应用函数（API）来现实，NI-DAQmx提供的API, 在各种设备功能和设备系列中都是相同的。这就意味着一个多功能设备的所有功能可由同样的函数集编程得到(模拟输入、模拟输出、数字I/O和计数器)。而且在LabVI EW中,由于多态机制, 一个数字I/O设备和一个模拟输入设备都使用相同的函数集编程得到是完全可以实现的[6]。这样为编程实现不同的数据采集任务提供了很大的方便。本系统的数字量、脉冲量的采集就和模拟量采集程序基本相同，只是个别参数不同而已。下面以模拟量采集说明该过程。模拟量采集处理程序如图3，其中生产者循环主要完成数据的采集任务，首先，通过“创建虚拟通道”和“定时”函数对采集任务进行初始化（主要初始化的参数有：信号接线方式、信号范围、物理通道、采样模式、采样率、缓冲区大小），同时，创建一个消息队列用于存放采集到的数据；接着由“开始任务”函数来启动数据采集过程；在循环内部通过“读数据”函数完成数据的读取工作，并将读取到的数据送入队列，以备消费者循环使用，需要说明的是，“读函数”是一个多态，用的时候只需要设置参数选取不同实例就可以完成多个通道数据的读取工作，而不需要多次调用该函数；当数据采集任务完成后，通过“停止任务”和“清除任务”函数将任务清除掉以释放硬件资源。另外，每个函数执行过程中如果产生错误，都会通过错误连线将错误向程序顶层传递，同时，终止采集任务。

图3 生产者消费者设计模式/模拟量采集

消费者循环完成数据的处理工作。循环内部先从队列中将数据读出，并同时送入数据处理和存储回放模块。数据处理子VI完成滤波、标度变换、报警及故障诊断等处理，处理后的结果送入显示子VI；显示子VI以表盘、数字、曲线等方式完成数据的显示工作。存储回放子VI根据实际参数设置情况完成数据的存储工作，并在需要的时候进行数据的读取与回放。

为了实现大量数据的存储、查询以及数据共享，系统采用Access数据库来实现数据的存储。程序中通过LabSQL(第三方免费工具包)实现LabVIEW和数据库的接口，完成数据库的连接、打开，数据记录的写入、查询等操作。其中，实时数据表用于存储实时采集处理后的数据，报警数据表完成报警数据的存储工作。

消费者循环中的事件结构用于响应前面的操作，该结构可及时响应前面的任何操作，而不占用太多机器资源。如当系统某参数值异常时发出声光报警，此时，如驾驶员在确认该参数报警情况不是特别紧急的情况下，可以点击“报警清除”按钮，该报警就只有报警灯亮而声音取消了，以降低对驾驶员的影响。

3.3 前面板设计

前面板作为系统与驾驶员的人机界面，其显示效果及交互能力好坏直接影响系统的工作效率。本系统设计前面板如图4所示。

图4 系统显示主界面

由于显示参数较多，且不同情况下重点关注的参数不同，因此，系统界面通过选项卡控件实现分屏显示，主要分以下四个子界面：仪表、曲线、报警记录和定位导航。驾驶员可通过触摸屏操作以选取不同的显示界面。

仪表主界面分三大块显示车辆的各工况参数，左上角为模拟量参数显示部分，有转速、车速、里程、各压力和温度显示仪表，该部分通过虚拟的模拟表头直观显示各参数的数值，方便驾驶员掌握车辆的实际情况。右上角以数字的方式显示燃油量、蓄电池电压、放电电流、发动机工作时间、经纬度等信息。下边集中显示各开关量和报警信息，报警分为2个级别，一般报警红灯亮，严重报警红灯闪烁并发出声音。曲线显示界面主要用于以曲线的形式显示各模拟量参数，这样不仅能看出参数的当前值，还能了解到该参数的变化趋势。报警记录显示界面，用于报警记录的实时显示和查询，以曲线和表格两种形式显示查询结果。定位导航界面可显示地图、当前车辆位置和导航等信息。

4 结束语

随着装甲车自动化性能的不断提高，虚拟仪表系统将成为装甲的重要组成部分。本文设计的系统已取得成功。下一步将继续扩充显示和控制信息种类：对车载空调、娱乐等舒适性设备进行控制；将一些重要原始数据保存到单独可靠性较高的存储器中，以实现黑匣子功能； 跟车载其他智能设备（如灭火系统）进行通信，以实现整车信息共享、一体化管理功能等；加强通信功能，实现和其他车辆的协同工作，以提高整车的协同作战能力和生存能力。

[1]李芳,田忠舜.坦克装甲车辆虚拟仪表研究[J].车辆与动力技术,2003年第1期：40-46.

[2]刘北生,刘勇,梁瑞雪.装甲车辆驾驶员仪表和指令系统的发展方向[J].车辆与动力技术,2001年第1期：60-64.

[3]胡文江,江杰,李杰.全数字化车辆仪表的应用研究[J].微计算机信息,2006,22(12-2)：220-222.

[4]NI PXI-8115- National Instruments [DB/OL]，http：//sine.ni.com/nips/cds/print/p/lang/zhs/nid/210273.

[5]唐进元,李松,邵文.基于LabVIEW 生产者—消费者模式的齿轮传动振动测试系统[J].机械传动,2011,25(1)：5-7.

[6]冯晓婷,李杏华,樊玉铭.基于LabVIEW及NI DAQmx的压延机在线测厚系统[J].机床与液压,2010,38(5)：73-76.