葉小燕 滕飛

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

【摘 要】隨著科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)測(cè)試設(shè)備的要求越來越高，目前測(cè)試系統(tǒng)正朝著微型、低耦合度、高可重用性和強(qiáng)擴(kuò)展能力等方向發(fā)展，以PC上位機(jī)模式構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這種模式構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)憑借低成本和高可靠性衍生出非常多的產(chǎn)品，并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)試和控制領(lǐng)域。文章旨在分析PC上位機(jī)測(cè)系統(tǒng)共性工作原理，結(jié)合以散熱系統(tǒng)測(cè)試研究的風(fēng)洞測(cè)試系統(tǒng)案例，為搭建測(cè)試系統(tǒng)提供參考和幫助。

【關(guān)鍵詞】PC；上位機(jī)；測(cè)試系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】TP182 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）07-0053-03

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步，PC性價(jià)比不斷提高，利用其高速的數(shù)據(jù)處理能力替代昂貴且功能單一的DSP等芯片，已經(jīng)成為各大測(cè)試系統(tǒng)集成商的首選方案。在此環(huán)境下，很多兼容PC接口的多功能采集卡產(chǎn)品及軟件問世，極大地降低了構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜度，可快速搭建基于PC上位機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)。

1 含有PC上位機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)模型

目前，絕大部分PC上位機(jī)測(cè)試系統(tǒng)可以使用松耦合和嵌入式2種模型來理解，以下內(nèi)容中，PC上位機(jī)稱上位機(jī)。下面重點(diǎn)介紹這2種模型。

1.1 松耦合模型

如圖1所示，松耦合模型中，采集卡只負(fù)責(zé)數(shù)/?；蛘吣?數(shù)轉(zhuǎn)換。由于采集卡功能相對(duì)薄弱，因此具備很好的松耦合特性，可以替換成多種模塊連接不同的傳感器。而測(cè)試系統(tǒng)的絕大部分功能由上位機(jī)完成，因此可以極大地降低了硬件成本。若自主開發(fā)測(cè)試軟件，則整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的成本幾乎就是硬件費(fèi)用。目前，這種松耦合模式被各大測(cè)試系統(tǒng)集成商廣泛采用。

松耦合模型的缺點(diǎn)：由于上位機(jī)完成了絕大部分工作，使得整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的性能和可靠性大大依賴于上位機(jī)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，上位機(jī)必須正常工作，不能待機(jī)也不能出現(xiàn)故障。一旦上位機(jī)出現(xiàn)異常，整個(gè)系統(tǒng)崩潰后就會(huì)停止測(cè)試。并且，上位機(jī)的資源是由操作系統(tǒng)進(jìn)行控制，而最常用的Windows操作系統(tǒng)定時(shí)為毫秒級(jí)，基于Windows工作的上位機(jī)將不能實(shí)現(xiàn)超過毫秒級(jí)的高速資源調(diào)度。使用DMA（Direct Memory Access）技術(shù)也只能實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)高速寫入內(nèi)存，通常用于數(shù)據(jù)采集，不能實(shí)現(xiàn)高速、復(fù)雜的I/O控制。

因此，松耦合模型適用于中、小型測(cè)試系統(tǒng)，尤其是微型便攜的測(cè)試系統(tǒng)。由于其松耦合特性，系統(tǒng)擴(kuò)展能力較好，這取決于總線I/O的類型和數(shù)量。PC的可靠性及其性能隨著電子制造技術(shù)的提升而不斷提高，松耦合模型可以滿足常規(guī)測(cè)試需求。

1.2 嵌入式模型

與松耦合模型不同，嵌入式模型（如圖2所示）削弱了上位機(jī)功能，在此基礎(chǔ)上加入了嵌入式模塊。使用嵌入式模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。利用嵌入式模塊的高速和高可靠性，提升了測(cè)試系統(tǒng)的整體性能，同時(shí)彌補(bǔ)了松耦合模型不能進(jìn)行資源高速控制的不足。

嵌入式模型的優(yōu)勢(shì)：由于上位機(jī)僅用于人機(jī)交互，通常用于系統(tǒng)的配置和數(shù)值、預(yù)警等顯示功能，使整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試階段不再依賴于上位機(jī)；當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，即使上位機(jī)出現(xiàn)錯(cuò)誤而停止通信，受影響的只是數(shù)據(jù)顯示等人機(jī)交互功能，其他模塊可正常工作，待上位機(jī)故障排除后，整個(gè)系統(tǒng)的顯示功能恢復(fù)正常。這樣就極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

嵌入式模型的不足：引入嵌入式模塊后雖然提升了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜度，不但要考慮上位機(jī)的通信和異常處理，還要進(jìn)行嵌入模塊的程序編寫，使軟硬件成本提高，增加了整個(gè)系統(tǒng)的組建費(fèi)用。由于嵌入式模塊寫入程序后很少變更，因此一旦系統(tǒng)組建后，整個(gè)系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性就大大地降低了，具有很強(qiáng)的定制性。

綜上所訴，嵌入式模型適用于大型測(cè)試系統(tǒng)，利用高速嵌入式模塊可以實(shí)現(xiàn)精確的微秒級(jí)定時(shí)和低延遲I/O控制，其性能完全適用于大量通道而長(zhǎng)時(shí)間系統(tǒng)測(cè)試，如耐久性等測(cè)試。

2 松耦合模型構(gòu)建的風(fēng)洞測(cè)試系統(tǒng)

風(fēng)洞測(cè)試系統(tǒng)軟件使用Labview編寫，運(yùn)行在上位機(jī)。用于對(duì)環(huán)境的仿真及模擬現(xiàn)實(shí)散熱測(cè)試，下面對(duì)Labview進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.1 Labview簡(jiǎn)介

Labview是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制的編程環(huán)境，可以運(yùn)行在上位機(jī)的圖形化開發(fā)語言。由于使用C語言編寫，運(yùn)行效率極高?？梢允构こ處煵挥眠^多地考慮硬件底層而專注于數(shù)據(jù)分析、處理和人機(jī)交互，快速開發(fā)滿足需求的測(cè)試系統(tǒng)。

2.2 風(fēng)洞測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)由三大部分組成：①風(fēng)源。由馬達(dá)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，馬達(dá)轉(zhuǎn)速由電流比例控制的泵控制。②風(fēng)道。在圖3中用圓柱體表示，用于模擬實(shí)際環(huán)境，同時(shí)減少外界不穩(wěn)定因素對(duì)測(cè)試帶來的擾動(dòng)。③風(fēng)場(chǎng)測(cè)量。由6個(gè)光柵風(fēng)速傳感器構(gòu)成，根據(jù)從上到下6個(gè)傳感器的測(cè)量值，可以近似繪制風(fēng)場(chǎng)分布圖。

2.3 風(fēng)洞測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)程序分析

圖4、圖5為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能。

如圖6和圖7所示，在數(shù)據(jù)采集階段，使用通知器的主從雙循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，主循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待采集緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，輸出數(shù)據(jù)至緩沖隊(duì)列，此時(shí)通知器告知從循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)采集進(jìn)行的同時(shí)，從循環(huán)進(jìn)入執(zhí)行階段，從緩沖隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并把處理好的數(shù)據(jù)輸出一個(gè)電子表格的臨時(shí)文件。這樣就構(gòu)成了一個(gè)主循環(huán)控制從循環(huán)結(jié)構(gòu)，互不干擾，實(shí)現(xiàn)采集和處理的同時(shí)而又異步進(jìn)行。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)低運(yùn)行速率環(huán)境下的高速采集。高速采集的數(shù)據(jù)使用DMA技術(shù)先存入緩沖區(qū)，再?gòu)木彌_區(qū)抽取定長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理和顯示實(shí)際上滯后于數(shù)據(jù)采集，并且對(duì)緩沖區(qū)的長(zhǎng)度有要求，本系統(tǒng)緩沖區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置為采樣率的50倍，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)置。這種略微滯后并不影響使用，實(shí)際則不會(huì)超過0.2 s的延時(shí)。

如圖7、圖8所示，在數(shù)據(jù)處理的時(shí)候已經(jīng)實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集結(jié)束，點(diǎn)擊“Upload”按鈕時(shí)（如圖4），執(zhí)行的是重命名和移動(dòng)文件操作。由于數(shù)據(jù)一直在記錄，可以避免突發(fā)異常引起的數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)出現(xiàn)測(cè)試中斷時(shí)，只需要查找預(yù)先設(shè)定的臨時(shí)文件目錄，把文件重命名即可查看數(shù)據(jù)，提高了測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性，使整個(gè)系統(tǒng)更加可靠。

3 結(jié)論

在滿足性能的前提下，使用PC上位機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的低成本、高性能、輕量化，這是使用上位機(jī)構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)的最終目的。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]雷振山，肖成勇，魏麗，等.Labview高級(jí)編程與虛擬儀器工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.

[2]靳鴻.測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3]郭軍.測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[4]秦紅磊，路輝，郎榮玲.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)：硬件及軟件技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]

【作者簡(jiǎn)介】葉小燕，女，廣西北海人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司助理工程師，從事汽車電器產(chǎn)品研發(fā)工作。