作者：
趙志巍1  何琴2   楊禮壇3
1 杭州九陽小家電有限公司；2 西子奧的斯電梯有限公司；3 杭州九陽歐南多小家電有限公司

應用領域：產品測試
 
挑戰：使用成熟的高集成度測控方案實現小家電智能測試及遠程監控。
 
應用方案：采用 NI公司的 PXI模塊化儀器架構和虛擬儀器技術，使用 NI LabVIEW 平臺開發了一套智能型網絡化小家電測控平臺。本系統利用 LabVIEW 易學易用的特點并結合 PXI 硬件輸入輸出模塊，實現了小家電智能測試和遠程監控。經過實踐證明此 PXI測試平臺可大大提高測試效率，降低測試成本。
 
使用的產品：
LabVIEW 8.2 
PXI-1042 8-Slot 3U PXI機箱
PXI-8196 嵌入式控制器
PXI-8106 雙核 2.16GHz嵌入式實時控制器
PXI-6052E E系列數據采集器
PXI-6704 16位模擬量輸出卡
SCXI-1125 8通道電壓隔離衰減模塊
SCXI-1166+ SCXI1366 繼電器輸出模塊
 
介紹:
    當今在競爭日益激烈的小家電領域，產品開發上市周期直接影響產品的市場占有率，然而在產品開發中常規測試和壽命測試環節占了 70%以上的時間。本設計采用 NI 的數據采集卡和LabVIEW 軟件搭建集成化測試平臺。通過硬件采集卡采集電壓、電流、溫度等數據到 PXI控制器自動保存測試記錄，并通過控制器輸出信號控制測試電壓、測試溫度、濕度等參數。最終實現在無需人員干預的情況下完成樣機不同環境的功能和性能測試，自動生成測試報告，并具有遠程監控功能。

圖 1 高溫高濕壽命測試室

正文：
一、 新一代與傳統控制系統對比
    1、測試儀器
    改善前測試儀器如圖2所示由數字電參數測試儀、濕度計、水銀溫度計、萬用表、電子溫度計等分立儀器組成，改善后測試儀器為基于PXI硬件平臺和LabVIEW軟件的集成化測試系統如圖4所示。從兩幅圖對比中可發現系統改善后的集成度大幅提高，從而帶來測試精度的提升，結合軟件平臺使測試效率有了質的飛躍。

    2、系統組成
    改善前測試系統組成如圖4所示，測試中電壓、電流、功率因數等測試參數以及溫度、濕度等測試環境參數采用分離測試儀器人工控制、手工記錄、手動上傳到以太網的方式進行。圖5改善后系統中電壓、電流、功率因數、溫度、濕度等參數通過傳感器及隔離模塊SCXI-1125傳到PXI6052E，PXI6052E連接控制器對信號進行記錄和分析，分析后的信號通過PXI6704和PXI1166 、SCXI1366分別輸出模擬量和數字量來控制相關測試參數從而形成閉環，實現測試數據自動記錄，測試參數智能控制。PXI背板具有人接口和以太網接口，可實現測試遠程監控。

圖4改善前測試系統的組成

圖5改善后測試系統的組成 

二、系統設計與實現
1、 系統網絡結構
    系統網絡結構如圖6所示：每個測試室有一臺PXI總線計算機，可根據具體監控對象的數量配置相應的PXI數據采集卡，由PXI背板的網絡接口接入以太網，實現數據的交換和遠程控制命令的傳送，從而實現總監控臺對每個測試室各測試工位的測試數據實時監控、瀏覽歷史曲線、并生成報單存儲、上傳以太網共享等功能。

2、 系統硬件設計關鍵
    1)信號調理
    本系統要對電壓、電流（mV級）信號，溫濕度變送器的4-20mA電流信號，煙霧/粒子探測器（mV級）信號進行調理。我們選擇NI公司的信號調理（SCXI）模塊，其可與PXI緊密結合，提供高通道數、多種類型信號的調理。采用SCXI-1125模塊對各測試信號進行隔離放大和濾波，利用自帶的熱敏電阻和IC敏感器進行冷端補償，信號調整后使之變成適合采集卡量程的電壓信號，同時對采集卡進行高壓隔離保護。
    2)數據采集和控制
    對于本系統中的環境溫度、濕度變量我們選擇PXI-6052E采集卡實現多通道的采集，采樣時差對信號特征的影響很小。采集上來的信號在上位機做運算。使用LabVIEW 8.2為平臺，配合Control Design Toolkit工具包來實現溫濕度變量的PID算法。其中PID整定參數在上位機設定，運算后的控制參數通過PXI-6704 16位多通道模擬輸出卡輸出到相應的溫濕度調節器，從而實現測試溫度、濕度閉環控制。 對于本設計中的測試電源電壓信號通過PXI-6052E采集上來的數據在上位機與給定的參數進行比較來調節最終的輸出是否達到設定值，進過比較后的輸出調節信號通過PXI-6704模擬輸出卡傳送到相應的程控電源，從而形成測試電源的閉環控制。
    對于本設計中的環境煙霧參數，煙霧/粒子探測器將模擬信號傳遞給PXI-6052E采集卡采集到上位  機，與給定信號進行比對輸出控制信號，控制信號通過SCXI-1166和SCXI1366 繼電器輸出模塊控制排風系統工作。
    對于本設計中的電流、元器件溫升、功率、功率因數等測試變量通過PXI-6052E采集卡傳入上位機進行測試數據的記錄、分析、保存等操作，從而實現測試數據的實時刷新記錄，保存歷史數據，自動生成測試報告的功能。
3、 系統軟件
    系統軟件開發是以LabVIEW 8.2為平臺，配合Control Design Toolkit工具包進行結構模塊化設計,主要有以下功能:
    1)用戶可以自己定義系統界面的功能
    本系統實現了數據采集、參數設置、數據保存和打開等功能。使用LabVIEW圖形化開發平臺大大縮短了系統開發的時間，而且為以后界面的修改以及功能的增加提供了靈活、方便的解決方案。圖7為測試總監控平臺界面，圖8為測試室監控界面，圖9為測試歷史數據界面。

圖7 測試總監控平臺界面

圖8 常規測試室1監控界面

圖9 測試歷史數據界面

    2)數據采集功能
    利用LabVIEW中提供的數據采集PAC模塊以及NI公司提供的眾多程序實例，方便用戶的開發，快速實現數據的連續采樣和存盤。
    3)PID算法實現
    PID的基本算法為控制器的輸出和控制器的輸入（誤差）成正比，與積分導數成正比且為這3個分量之和。U=Kc[e+(1/t)∫e*dt+Td  *de/dt]其中e是測量值與給定值之間的偏差；Ti是積分時間；Td是微分時間；Kc是控制器的放大系數。LabVIEW中內置了PID等控制算法的VI，以此為基礎可以快速的開發智能PID的控制。圖10是智能PID控制器部分LabVIEW程序。

圖10 PID控制器部分LabVIEW程序

    4)以太網的實現
    LabVIEW 8.2為我們提供了豐富的例子供用戶參考和使用，在以太網方面LabVIEW基于TCP/IP協議方面有大量的例程代碼可以供我們參考和借鑒。
 
三、實驗結果及分析
   新舊系統在測試對象、測試參數、控制變量方面沒有改變，但數據采集系統有很大的改變，經過近半年的系統運行與原有操作方法對比如下：
1  系統應用前后情況對比

圖11 系統應用前后對比

2  效果分析
    1) 測試周期 
    傳統的測試方式需人工改變參數、記錄分析數據單款產品的測試周期為25天，新系統通過虛擬儀器軟硬件實現自動測試記錄數據，測試周期可縮短為12天。為產品上市贏得寶貴的時間。 
    2) 集成度與準確性 
    傳統系統由多套分立的測試儀器組成，測試數據的實時性和對應性難以保障。新的系統是基于PXI總線的模塊化儀器，使系統的集成度提高，從而帶來精準度、實時性、誤差率有了質的飛躍。 
    3) 操作性與可維護性
    由于改善前測試儀器是從不同廠家購置的，各儀器互相獨立且需要定期單獨校準，使用中各系統之間的數據不能共享和調用。新的系統在軟硬件中可以解決以上問題，操作性和可維護性較強。
    4) 測試成本
    綜上因素改善后的系統在測試周期、測試精度、測試人員、儀器校準、設備管理等方面均優于改善前系統，帶來測試綜合成本的降低。
    5)系統開發周期
    NI的PAC產品可根據實際應用靈活搭建與軟件結合，LabVIEW圖形化編程環境容易上手，編程方便，易于移植。整個測試平臺設計搭建項目在45天完成。系統開發周期短且開發成本低。
 
四、結論
    本設計借助計算機的強大功能采用了PXI總線硬件平臺，使用模塊化的數據采集卡，在LabVIEW平臺上開發出的智能型網絡化小家電測控平臺。該系統已經成功的應用于小家電測試系統中，且通過半年的應用結果顯示完全達到設計要求，效益已凸顯�？傊�，虛擬儀器技術使現代的測量系統更高效，更靈活，功能更強大。隨著計算機技術和測控技術的發展，虛擬儀器技術將會在各領域中發揮更重要的作用。