方俊雅,李　倩,馬　鑫

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所,北京　100074)

?

基于LabVIEW的三維可視化溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方俊雅,李倩,馬鑫

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所,北京100074)

主要對低溫真空球罐三維可視化溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行介紹，為了直觀顯示低溫真空球罐的整體溫度信息，提高測試監(jiān)控效率，在真空球罐外罐內(nèi)壁、內(nèi)罐外壁、夾層、垂直支架等部位安裝溫度傳感器，通過LabVIEW數(shù)據(jù)采集板卡實(shí)時采集溫度信號，在Pro-E中建立球罐三維模型，劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入到LabVIEW環(huán)境中，將采集到的溫度信號通過空間插值算法映射到模型中，直觀顯示真空球罐的整體溫度場分布信息，同時，通過LabVIEW增加場景對象、創(chuàng)建截?cái)嗥矫妗⒗L圖樣式子VI開發(fā)了模型隱藏、剖分、透視以及拾取傳感器點(diǎn)等多樣化功能，采用三維可視化模型顯示方法，增加了顯示的整體性和相關(guān)性，提高了數(shù)據(jù)分析的效率，達(dá)到了對低溫球罐進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的目的;該套在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，整體性能表現(xiàn)優(yōu)異，尤其是直觀新穎的三維可視化操作界面受到操作人員的一致好評。

低溫真空球罐; 在線監(jiān)測; 空間插值算法; 三維可視化

0　前言

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)通常采用列表或二維曲線顯示方式，在長時間數(shù)據(jù)監(jiān)測過程中，測試人員會產(chǎn)生一定程度的疲憊感[1]；同時，對于測點(diǎn)位置分布廣泛、測點(diǎn)密集，數(shù)據(jù)量大的測量系統(tǒng)，不能快速全面掌握系統(tǒng)整體情況，不能快速鎖定突變區(qū)域。而三維云圖可以直觀反映待測體整體物理場分布情況，LabVIEW 2013引入全新的數(shù)據(jù)可視化概念[2]：3D傳感器映射，將三維立體模型集成到LabVIEW環(huán)境中，實(shí)時輸入傳感器測量值，可以形象直觀地顯示待測體三維模型中傳感器位置的采集數(shù)據(jù)，根據(jù)空間插值算法[3]，待測體表面各個位置將會根據(jù)數(shù)值區(qū)間顯示出不同顏色，整體物理場分布信息便在待測三維模型上顯示出來。

1　三維云圖映射原理介紹

三維云圖映射是基于距離倒數(shù)加權(quán)插值算法進(jìn)行顯示的，距離倒數(shù)插值算法的基本思想是:已知觀測點(diǎn)和未知點(diǎn)的坐標(biāo)值，按照已觀測點(diǎn)到未知點(diǎn)的距離的遠(yuǎn)近，對已觀測點(diǎn)的屬性值賦予相應(yīng)的權(quán)重，距離未知點(diǎn)較近的已觀測點(diǎn)的屬性值被賦予大的權(quán)重，距離未知點(diǎn)較遠(yuǎn)的已觀測點(diǎn)的屬性值被賦予較小的權(quán)重[4]，如式(1)所示：

(1)

(2)

其中：P(Z)、N、Zi與式(1)中含義相同，wi表示Zi所占的權(quán)重，wi滿足：

(3)

本系統(tǒng)三維云圖映射流程是：繪制模型網(wǎng)格，獲取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，采集模型中的傳感器數(shù)據(jù)，判斷傳感器點(diǎn)與模型節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系，依據(jù)位置關(guān)系設(shè)置空間插值算法的權(quán)重系數(shù)，對于每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，判斷傳感器點(diǎn)是否與該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)重合，若重合，則該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的值為該傳感器點(diǎn)的值，若不重合，計(jì)算每個傳感器點(diǎn)對該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)，根據(jù)距離倒數(shù)插值算法計(jì)算每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的插值結(jié)果，再對比顏色條的標(biāo)尺屬性賦予每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的渲染顏色值，從而得到整個模型的實(shí)時三維溫度場表征圖像，用于對模型進(jìn)行實(shí)時的溫度場監(jiān)控，其映射流程圖如圖1所示。

圖1　三維云圖映射流程圖

2　總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括PT100鉑熱電阻溫度傳感器、20通道(24位)RTD輸入NI PXIE-4357采集板卡，18槽3U PXI Express機(jī)箱、PXIe-1075控制器(下位機(jī))、工控機(jī)(上位機(jī))、信號電纜、供配電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器等，如圖2所示。

圖2　總體思路圖

總體思路是傳感器采集被測對象PT100鉑熱電阻信號，經(jīng)過信號調(diào)理器將調(diào)理后的信號傳輸至NI PXIE數(shù)據(jù)采集板卡，通過數(shù)據(jù)總線將原始數(shù)據(jù)傳輸至下位機(jī)軟件中。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送采集指令，下位機(jī)接收指令后開始進(jìn)行通道配置，配置完成后，經(jīng)過電阻-溫度計(jì)算轉(zhuǎn)換，通過共享變量將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)中，上位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維云圖顯示及數(shù)據(jù)存儲處理。

三維可視化在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能要求如下：

1)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的通道配置，即能夠靈活設(shè)定采集參數(shù)的名稱，物理通道，采集電阻量程，電阻接線方式、電流激勵值以及靈活撤銷或添加測量通道，硬件采集板卡能夠按照新的配置文件進(jìn)行配置；

2)能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化的三維模型操作功能，即操作者可以隨意縮放、旋轉(zhuǎn)、移動三維模型，還可以隱藏、透視、剖分三維模型以及改變?nèi)S模型的顏色區(qū)間；

3)能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器拾取功能，操作方式為在三維云圖顯示界面下，鼠標(biāo)移動到傳感器點(diǎn)上，可以實(shí)時顯示傳感器參數(shù)名和采集值；

4)能夠?qū)崿F(xiàn)三維云圖和列表同時顯示，通過主VI中下拉菜單，可實(shí)時切換云圖顯示和列表顯示，還可以同時顯示進(jìn)行數(shù)據(jù)對比；

5)可進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢回放、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及多機(jī)共享等。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1三維云圖映射方法

在Pro/E中建立三維模型，導(dǎo)出為STL文件格式，STL文件中包含有模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息和法向量坐標(biāo)信息[5-6]。傳感器三維坐標(biāo)的確定就是在三維模型定義區(qū)域下，根據(jù)實(shí)際傳感器安裝位置，確定傳感器的三維坐標(biāo)，將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)編號，根據(jù)距離倒數(shù)加權(quán)插值算法，按序遍歷每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，逐個計(jì)算傳感器點(diǎn)對每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值，生成網(wǎng)格映射二維數(shù)組[7]，如圖3所示，再將顏色條顏色區(qū)間值、傳感器采集值、網(wǎng)格映射數(shù)組、模型紋理值通過差比算法生成模型映射紋理數(shù)組，通過映射紋理數(shù)組，模型將實(shí)時顯示傳感器的測量信息，不同顏色對應(yīng)不同數(shù)值區(qū)間，從而實(shí)現(xiàn)低溫球罐的三維可視化顯示功能，如圖4所示。

圖3　三維映射算法子VI

圖4　在線監(jiān)測系統(tǒng)面板

3.2模型多樣化操作方法

1)模型剖分方法：模型的剖分，需要創(chuàng)建截?cái)嗥矫婧驮O(shè)置截?cái)嗥矫鎯蓚€子VI，如圖5所示。首先用創(chuàng)建截?cái)嗥矫孀覸I創(chuàng)建截?cái)嗥矫?，根?jù)平面公式(4)進(jìn)行參數(shù)A、B、C、D的設(shè)置。

(4)

其次，用設(shè)置截?cái)嗥矫孀覸I剖分模型，將待剖分的模型、創(chuàng)建的平面以及新截?cái)嗥矫嬉镁浔鳛樵O(shè)置截?cái)嗥矫孀覸I的的輸入端，最終輸出的場景對象就是剖分后的模型，如圖6所示。

圖5　模型剖分子VI

圖6　三維云圖顯示效果圖

2)模型透視方法：模型的隱藏或者透視，通過設(shè)置繪圖樣式子VI進(jìn)行設(shè)置，如圖7所示。Mode中包含Points、Wireframe、Polygons、Inherit Value三種顯示模型，本項(xiàng)目中采用點(diǎn)狀圖、網(wǎng)格圖繪制對象，保證外層模型透視，可以觀察到內(nèi)部模型，如圖8所示。

圖7　模型透視子VI

圖8　外罐顯示模式

3)模型隱藏方法：

方法1：通過設(shè)置繪圖樣式中的Face Culling Mode中的繪圖面剔除模式功能將模型隱藏；

方法2：建立條件結(jié)構(gòu)，通過添加對象子VI，如圖9所示，模型隱藏按鈕為假時新建對象添加至原場景對象中，隱藏按鈕為真時新建對象不添加至原場景對象中，從而實(shí)現(xiàn)新建對象模型隱藏功能。

圖9　模型拼接子VI

方法1與方法2的區(qū)別在于：方法1中的模型隱藏，只是將該模型透明化，實(shí)質(zhì)上還在三維場景中，而方法2的模型隱藏，是將該模型從三維場景中刪除，需要顯示的時候，再加入到三維場景中。

本項(xiàng)目涉及到傳感器點(diǎn)拾取功能，若使用方法1，鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕后，軟件無法獲取模型內(nèi)部的傳感器點(diǎn)的引用句柄，即無法實(shí)現(xiàn)拾取模型內(nèi)部傳感器點(diǎn)的功能，因此，本項(xiàng)目采用方法2實(shí)現(xiàn)模型隱藏功能。

本系統(tǒng)中，隱藏了外罐和內(nèi)罐，可以看到傳感器密密麻麻分布在整個低溫球罐內(nèi)部，如圖10所示。

圖10　低溫球罐內(nèi)傳感器分布圖

3.3拾取傳感器點(diǎn)方法

拾取傳感器點(diǎn)功能主要通過鼠標(biāo)事件來完成，鼠標(biāo)移動到傳感器點(diǎn)上，界面上能夠?qū)崟r顯示出該傳感器點(diǎn)的信息，在場景對象中選取模型，找到自點(diǎn)坐標(biāo)投射穿越三維場景的射線，確定場景中與射線相交的模型，如圖11(a)所示，獲取與射線相交的第一個模型的場景對象引用句柄，在已知的傳感器點(diǎn)的引用句柄中查找，若匹配成功，則鼠標(biāo)成功拾取傳感器點(diǎn)，繼而獲得該傳感器點(diǎn)的參數(shù)名、坐標(biāo)位置和采集值，如圖12所示，顯示在程序主界面右側(cè)的列表框中。

圖11　傳感器拾取子VI

圖12　程序主界面

4　結(jié)論

本文主要對低溫球罐的三維云圖顯示方式和操作功能進(jìn)行研究，介紹了LabVIEW中的三維云圖顯示原理、編程方法，模型中的傳感器拾取方式，以及針對三維模型的操作及處理，數(shù)據(jù)采集精度高，界面操作簡便，顯示直觀，通過傳感器映射，將三維模型集成到LabVIEW環(huán)境中，可以更好顯示與被測設(shè)備相符的采集數(shù)據(jù)。分配真實(shí)數(shù)據(jù)采集通道或仿真?zhèn)鞲衅?，將模型顯示在 LabVIEW前面板上。在圖像中區(qū)分眾多通道往往是很困難的，因此該新特性很適合在高通道數(shù)的應(yīng)用中顯示數(shù)據(jù)。在模型中區(qū)分獨(dú)立傳感器輸出的新特性，也使傳感器故障檢查變得更輕松，從而提高了測試效率。

[1] 向科峰.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2011,122 (4): 191-192.

[2] 耿克達(dá)，郭建國，高智剛,等. LabVIEW下的變質(zhì)心機(jī)構(gòu)3D虛擬顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2011,19(9): 2245-2251.

[3] 李彬.基于環(huán)境建模的傳感數(shù)據(jù)收集與插值算法研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2011.

[4] 許熱，張斌.用一種改進(jìn)的幾何體插值算法實(shí)現(xiàn)顏色空間轉(zhuǎn)換[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012(8):8-11.

[5] 鄭彭，何鐵寧，劉建波.溫度試驗(yàn)可視化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國圖像圖形學(xué)報(bào)，2007,12(1): 148-152.

[6] 陳雄，譚研，余曉光.結(jié)晶器三維溫度場可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(2)：385-390.

[7] 唐儀.基于體繪制的有限元分析結(jié)果可視化研究[D]. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

3D Visualization Data Acquisition System Based on LabVIEW

Fang Junya,Li Qian,Ma Xin

(Beijing Institute of Aerospace Test Technology,Beijing100074，China)

3D visualization temperature online monitoring system is introduced. In order to display the overall temperature information of low-temperature vacuum spherical tank and improve the efficiency of test monitoring,temperature sensors are installed in the inner wall of outer tank,the outer wall of inner tank,sandwich,vertical bracket and other parts of the vacuum tank. Temperature signal is acquired real-time through LabVIEW data acquisition card,3D model and mesh map of spherical tank is established in Pro-E and is imported into the LabVIEW environment. Temperature signal value is mapped into the model by spatial interpolation algorithm. The overall temperature field distribution information of vacuum tank can display intuitively. At the same time,a variety of functions are developed by the subprogram of increasing scene object ,creating clip plane and setting drawstyle,such as model hiding,partition,perspective and picking up sensor points and so on. Adopting the method of 3D visualization,the integrity and correlation of model displaying is increased,the efficiency of data analysis is improved,the goals is accomplished for real-time monitoring of low temperature vacuum tank. The online monitoring system has been accepted and put into use. Excellent overall performance,especially a visual and novel 3D visualization interface has been praised by operators.

low temperature vacuum tank; online monitoring; spatial interpolation algorithm; 3d visualization

1671-4598(2016)04-0026-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.008

TP274

A

2015-09-11；

2015-10-19。

方俊雅(1989-)，女，北京人，碩士研究生，工程師，主要從事測量與控制技術(shù)和工業(yè)測控方向的研究。