LabVIEW通过NI硬件（CompactRIO 实时控制器、FPGA 模块等）与模块化软件设计的结合，实现试验参数采集、多工况控制、数据存储的并行处理，体现LabVIEW 在工业自动化中对多任务并发场景的高效支持能力。

应用场景

关节轴承试验机主要用于测定各种关节轴承衬垫在承受径向、轴向交变载荷和径向、轴向摆动时的摩擦磨损寿命，以及配置各种环境装置等，实现对轴承全工况的模拟测试。由于控制软件需实现系统的参数设定、数据采集和综合管理等复杂功能，且试验为疲劳试验，时间较长、无人看守，需采用多任务架构保证数据实时性与软件高效运行。

硬件选型

• NI     CompactRIO 实时控制器：作为系统核心，具备硬实时操作系统，可独立运行生产者 - 消费者循环，确保数据采集与控制任务的确定性执行，避免 Windows 系统的非实时性干扰，满足长时间试验的稳定性需求。

• NI FPGA 模块：部署消费者循环中的高速数据处理任务（如传感器信号滤波、PID 算法），利用硬件并行特性实现 μs 级响应，适配轴承试验中高频动态载荷的实时控制需求，保证作动器位移与载荷的闭环控制精度。

• NI 工业级 I/O 模块：生产者循环通过该模块同步采集多通道模拟量（载荷、位移、温度等），其抗干扰设计与高速 AD 转换能力，保证原始数据的准确性，为试验数据的可靠性提供基础。

软件架构

生产者 - 消费者架构

1. 生产者循环（数据采集层）

• 定时从工业级 I/O 模块采集载荷、位移、温度等传感器数据，封装为含时间戳的数据帧，通过 LabVIEW 队列发送至消费者循环；同时接收用户事件（如参数设置、试验启停），转换为控制指令队列，确保人机交互实时响应。

2. 消费者循环（处理控制层）

• 控制任务：解析队列中的传感器数据，通过 FPGA 执行数字滤波与 PID 算法，输出控制信号至伺服控制器，实现载荷与摆动角度的闭环调节，满足径向 / 轴向交变载荷的模拟需求。

• 显示存储任务：将数据同步至上位机界面（实时曲线、数值显示），并按时间序列存储至数据库，支持试验数据的回溯与分析，符合试验数据管理需求。

3. 队列通信机制

• 采用 LabVIEW 全局队列与局部队列结合方式：全局队列用于跨循环数据传输（如采集数据→控制算法），局部队列用于模块内任务调度（如控制指令→执行器驱动），通过队列超时机制避免死锁，保证系统稳定运行。

软件架构优点

• 并行处理效率：生产者与消费者循环独立运行，数据采集与控制任务异步执行，CPU 利用率提升，适合长时间连续试验中多任务并发处理，避免单循环阻塞问题5。

• 模块化可扩展性：各循环功能单一（采集、控制、显示），新增功能（如环境装置控制）只需扩展消费者循环分支，无需修改整体架构，符合工业软件易维护性要求7。

• 实时性保障：通过 NI 实时控制器与 FPGA 的硬件加速，数据处理延迟控制在毫秒级，满足试验中动态载荷（如频率 5Hz、摆角度 ±10°）的实时响应需求，保证测试精度。

问题与解决

• 问题：多循环数据同步导致队列溢出（如高采样率下数据生产速度超过消费速度）。

• 解决：在队列中增加数据帧丢弃策略（如保留最新 100 帧），并通过 LabVIEW “队列状态” 函数监控队列长度，动态调整生产者采样频率与消费者处理优先级，确保数据处理流畅。

• 问题：实时控制器与上位机通信延迟导致曲线显示卡顿。

• 解决：采用 “数据缓冲 + 压缩传输” 机制：消费者循环先将数据缓存至实时控制器内存，按周期压缩打包后通过以太网发送至上位机，减少网络传输量，提升显示实时性。