基于LabV IE W的空間相機試驗測控系統設計

梁九生,吳清文,黃 濤

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春 130033; 2.中國科學院研究生院,北京 100039)

1 引 言

空間相機是空間遙感領域最重要的有效載荷,它在太空的工作環境條件與地面大為不同,多涉及真空、冷黑空間、太陽輻照、粒子輻照、磁場、靜電場、微重力等環境,其中真空、冷黑空間和太陽輻照環境最為重要,它們會直接影響到空間相機的熱性能、電性能和力學性能。為保證空間相機能在上述環境下正常工作,必須進行熱控制,使其各部分溫度保持在儀器正常工作溫度范圍內[1]。為了驗證相機熱設計的正確性、檢驗組件的熱性能,考核熱控系統對在軌飛行熱環境的適應能力及確定最佳熱控參數,在研制過程中須進行充分的地面模擬試驗[2]。

空間相機的地面模擬試驗主要包括力學環境模擬試驗、模態試驗、熱試驗等,其中熱試驗占了相當大的份量,主要包括熱平衡試驗、熱真空試驗和熱循環試驗 (包括老練熱試驗)。在這些試驗中,準確地測控相關參數尤為重要,因此,對儀器智能化要求也越來越高,通常采用虛擬儀器。本文采用 N I公司的硬件設備,結合 LabV IEW開發環境和 PXI總線技術,突破傳統儀器在數據處理、顯示、傳送、處理等方面的限制,設計了一個穩定、可靠的多參數綜合測控系統。

2 系統總體設計

2.1 測控系統基本原理

完整的測控系統由傳感器、信號調理部分、數據采集卡、系統總線、計算機等構成。如圖1所示,傳感器用于獲取測控對象的有用信息,并轉換為適于測量的變量或信號。信號調理部分用于對傳感器輸出的信號做進一步加工處理,包括對信號的轉換放大、濾波、隔離、線性化等。然后,通過接口總線把采集卡采集到的數據傳到計算機,由計算機軟件控制信號的采集及相關控制命令的發送,完成系統測控[3]。

圖1 測控系統原理示意圖Fig.1 Principle of general measurement and control system

2.2 PXI總線技術

PXI總線以 CompactPCI為基礎,由具有開放性的 PCI總線擴展而來。PXI總線符合工業標準,在機械、電氣和軟件特性方面充分發揮了 PCI總線的全部優點,其構造類似于 VXI結構,但它的設備成本更低、運行速度更快、體積更小?；赑CI總線的軟硬件均可應用于 PXI系統中,從而使 PXI系統具有良好的兼容性。PXI還有高度的可擴展性,其傳輸速率已達到 132 Mbit/s(最高為500 Mbit/s),是目前已經發布的最高傳輸速率。PXI的設計吸取了 PCI規范的優點,增加了多種觸發、同步信號,又足夠堅固,完全符合工業應用的要求。目前,基于 PXI總線的儀器硬件已廣泛地應用于通信領域、汽車測試、半導體測試、功能性測試、航空設備測試以及軍事方面。

2.3 系統的虛擬儀器結構

目前,以 LabV IEW圖形化軟件為開發環境的虛擬儀器已經比較成熟,它是以計算機為基礎,軟件為核心,配以相應的硬件 (如數據采集卡),完成高度智能化的信號采集調理、數據測試分析、儀器控制等眾多功能的高新儀器技術。在虛擬儀器系統中,硬件用于控制信號的輸入、輸出,軟件是整個儀器系統的關鍵。

本文所述系統,利用了虛擬儀器技術和 PXI總線的優點,虛擬儀器基本構成如圖2所示,以PXI標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成數據采集系統,以 GP IB標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成控制系統,從而達到測試、控制相關參數的目的。

圖2 虛擬儀器結構Fig.2 Componentmode of virtual instrument

3 系統硬件設計

3.1 空間相機試驗中傳感器的選擇

空間相機是長時間對地觀測衛星的主要有效載荷之一,衛星的軌道壽命與任務性質決定了它必須在嚴酷的空間環境下具有可靠的光學性能。在發射衛星之前要對空間相機做很多試驗,試驗中傳感器的精度直接影響相關參數測控精度,因此合理選擇相關傳感器十分重要。本系統在試驗中主要測控溫度、應變等參數,設計時需合理選擇溫度傳感器和力學傳感器。

3.1.1 溫度傳感器

目前國際上在航天器研制中所用的溫度傳感器主要有熱電偶和熱敏電阻兩種。熱電偶穩定性好、價格便宜、工藝實施方便,在地面試驗中被大量采用,但由于需要進行冷端補償,其測溫精度受冷端校準精度影響較大。當航天器在軌運行時,冷端補償方式較難實現,而且熱電偶因溫度變化所產生的電信號反應較為微弱,易受干擾,克服該問題所需的星上電路復雜,存在較大偏差。此外,熱電偶的測溫偶絲容易受損折斷,其可靠性較熱敏電阻低,因此在航天器的在軌運行中很少采用熱電偶。與熱電偶相比,熱敏電阻精度高、可靠性高,但價格昂貴,對溫度的反應有一定的滯后。由于在航天器的應用中,保證測量精度和高可靠性最為重要,且在軌溫度的監測主要側重于穩態溫度水平,因此熱敏電阻具有一定的優勢,目前國內外航天器上用于飛行試驗的溫度傳感器主要采用熱敏電阻[4]。本系統主要用于地面試驗,綜合兩種傳感器的優缺點,同時選用了熱電偶傳感器和熱敏電阻傳感器兩種溫度傳感器來測試相關位置點的溫度參數。

3.1.2 力學傳感器

力學傳感器是利用材料受力變形后電阻值發生變化的原理制成的敏感元件。電阻應變式傳感器由彈性敏感元件和電阻應變片組成,測量時將電阻應變片安裝在彈性敏感元件上,彈性敏感元件受壓時其表面會出現變形,致使其表面所附的電阻應變片隨著產生應變,通過測量此時電阻應變片的電阻值的變化,可以測量應變、應力等各種參數。應變式傳感器常用的測量電路有單臂電橋、差動半橋和差動全橋,其中差動全橋可提高電橋的靈敏度,消除電橋的非線性誤差,并可消除溫度誤差等共模干擾。應變式傳感器和其它類型傳感器相比,具有測量范圍廣、精度高、輸出特性好、性能穩定、工作可靠以及能在惡劣環境下工作等優點,因此,本系統采用電阻應變式傳感器測控相關力學性能參數。

3.2 系統的硬件設計

根據溫度傳感器和力學傳感器的優缺點,考慮到系統的功能需求和成本因素,并兼顧系統的擴展性和再開發能力,采用了 N I公司的 PXI系列硬件,整個系統框圖如圖3所示,包括 PXI1042Q機箱、PXI8106主控制器、PXI6280數據采集卡、SCXI信號調理模塊、SCXI接線端子等。系統中各個傳感器測量到的信號,經過 SCXI-1001信號調理模塊進行放大、濾波、隔離等處理后,由計算機軟件控制數據采集卡 PXI6280采集相關數據,再根據采集到的數據發出相關指令控制儀器。其中,SCXI信號調整模塊通過 SCXI-1349電纜和PXI6280數據采集卡連接起來,再用 MX-2光纜(長 200 m)把 PXI8106主控制器和相關計算機連成網絡,來實現遠程控制。機箱上插有 PXI-GP IB卡,通過電纜連接 GP IB設備,控制相關儀器。系統具有很好的擴展性,可根據需要購買不同的板卡插在機箱的擴展槽上添加相關儀器,實現不同儀器的測控,從而降低系統開發成本。

圖3 多參數綜合測試與控制系統框圖Fig.3 Illustration ofmeasurement and control system formulticenter parameters

其中,熱電偶采用了精度高、穩定性好、反應快的銅-康銅熱電偶 (T型),其連線采用二線制。該設備是根據試驗所需長度,參照有關技術規范自行制作的,使用前按照相關技術規范進行嚴格的標定和篩選,共有 5個 32通道 SCXI-1303和SCXI-1102接線端子,可同時測試 160個熱電偶測溫點的溫度。

熱敏電阻采用成都宏明電子股份有限公司生產的標準熱敏電阻器,其連線采用四線制,其中SCXI-1581提供 100μA激勵電流源,可同時測試64個熱敏電阻器測溫點的溫度。熱敏電阻的阻溫特性系數A,B,C是根據 Steinhart-Hart公式:

用Matalab進行曲線擬合。式 (1)中T為開氏溫度,R為溫度T時的電阻,A,B,C是要確定的系數。表1是MF761熱敏電阻用Matalab曲線擬合出來的系數A,B,C。

表1 M F761熱敏電阻的阻溫特性Table 1 Temperature characteristics of M F761 therm istors

系統使用兩套 SCXI-1314和 SCXI-1520可同時測試 16個應變式傳感器的應變值,并能通過32通道 SCXI-1308和 SCXI-1102測試標準電流。在LabV IEW溫度采集程序中根據熱電偶的類型和熱敏電阻的阻溫特性系數進行初始參數設置,而應變片可根據具體情況選擇全橋、半橋、1/4橋等橋式電路,配置相關初始參數。

4 系統軟件

系統所有程序采用實驗室虛擬儀器集成環境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,LabV IEW),LabV IEW是 N I公司的創新軟件產品,可提供便捷、輕松的圖形化設計開發集成環境。

圖4 系統軟件流程圖Fig.4 Flow chart of software system

整個系統軟件程序流程如圖4所示,下位機程序包括溫度、應變、電流數據的測試程序和儀器的控制程序;上位機程序為數據的處理顯示程序。考慮程序的通用性,所有數據的存儲文件都保存為數據庫文件,利用 LabSQL工具包和數據庫連接;采用了LabV IEW的狀態機結構和生產消費者模式編寫數據采集和處理顯示程序,并根據網絡共享相關數據實施數據處理和過程監控。

LabV IEW采用直觀的前面板與流程圖式的編程技術,設計者只需將虛擬儀器所需的顯示窗口、按鈕、數學運算方法等控件從 LabV IEW工具箱內用鼠標拖到面板上,布置好布局,然后在 Diagram窗口將這些控件、工具按設計的虛擬儀器所需要的邏輯關系,用連線工具連接起來即可。圖5為數據采集程序框圖的一部分。

圖5 數據采集程序部分框圖Fig.5 Block diagram ofDAQ system

儀器控制程序用 V ISA(虛擬儀器軟件結構)和 SCPI標準命令語言與計算機通訊,這是因為V ISA是在LabV IEW平臺上控制各種儀器的標準I/O應用程序接口 (API),具有與儀器接口無關的特性,可以不考慮儀器的驅動軟件。

5 系統工程應用

5.1 試驗簡介

本系統用于在某空間相機分系統熱平衡試驗中測試 36個熱敏電阻測溫點,14個熱電偶測溫點的溫度,然后通過可編程電源控制加熱器的功耗來控制相關測溫點的溫度。

該空間相機分系統主要由正視相機、前視相機、后視相機、多光譜相機、測繪基座、電氣機箱等組成。試驗主要目的是為了驗證熱設計的正確性和熱控指標的合理性,同時考核相機在溫控指標范圍內的成像特性,具體分為:低溫穩態、低溫拉偏、高溫穩態、高溫拉偏 4個工況。

5.2 試驗結果分析

試驗前按照相關標準標定了熱電偶,對比標定結果和標準水銀溫度計測試值可知,系統的測溫精度可達到 0.15℃。以低溫穩態工況測繪相機的前視相機溫控為例,前視相機的前鏡組區、安裝區和驅動電箱溫控目標為 (16.5±0.5)℃。由表2可知,前視相機的前鏡組區、安裝區和驅動電箱平均溫度分別為 16.505、16.68、16.26℃,可以看出,該系統能夠很好地滿足測溫和控溫的要求。

表2 低溫穩態工況測繪相機溫度數據Table 2 Temperature data of mapping camera in low temperature and stable state conditions

通過對試驗誤差進行分析,認為可從以下幾個方面提高測溫和控溫的精度:

(1)由于測試通道和測試參數較多,應增強軟件的通用性和數據處理能力。

(2)對于熱電偶,須根據試驗的要求對其進行標定和篩選,并根據電路連線,合理選擇軟件中的補償方式 (Built In、ConstantValue、Channel)。

(3)對于熱敏電阻,須根據相關數據準確地擬合出 3個阻溫特性系數A、B、C。

(4)不管是熱電偶還是熱敏電阻,都應根據需要選擇合理的電路連線方式。

雖然力學試驗中尚未采用 N I公司的這套設備,但是在硬件的驗收和軟件的開發測試中,已經經過多次測試,結果表明本系統能夠滿足預定要求。

6 結 論

本文采用 N I的 PXI硬件設計了一個多參數綜合測控系統,該系統通過 PXI總線控制相關儀器,能精確地測試相關位置點的溫度、應變、電流等參數。由于不論是軟件和硬件均與具體試驗系統無關,該系統簡單易行,具有很強的通用性。與傳統的文本語言相比,利用 LabV IEW圖形化軟件開發相關程序,節省了大約 80%的時間,又有直觀的前面板,通過局域網、PXI總線控制相關儀器,體現了“軟件就是儀器”的虛擬儀器技術。經過試驗驗證,該系統能夠很好地滿足空間相機環境試驗中對溫度等參數的自動測控要求,具有延續開發能力和可移植性,其設計方法能為其他測控系統的開發提供參考。

[1] 郭舜,閔桂榮.航天器熱控制[M].北京:科學出版社,1998:59-77.GUO SH,M IN G R.Spacecraft Ther m al Control[M].Beijing:Science Press,1998:59-77.(in Chinese)

[2] 柯受全.衛星環境工程和模擬試驗 (上)[M].北京:宇航出版社,1993:62-65.KE SH Q.Secondary Planet Environment Engineering and Sim ulation Tests[M].Beijing:Space Navigation Press,1993:62-65.(in Chinese)

[3] 趙慶海.測試技術與工程應用[M].北京:化學工業出版社,2005:33-37.ZHAO Q H.Test Technology and Engineering Applications[M].Beijing:Chemistry Industry Press,2005:33-37.(in Chinese)

[4] 張加迅,王虹,孫家林.熱敏電阻在航天器上的應用分析[J].中國空間科學技術,2004,24(6):54-59.ZHANG J X,WANG H,SUN J L.Application analysis of thermistor in spacecraft[J].Space Sci.Technol.China,2004,24(6):54-59.(in Chinese)

[5] 種挺,傅星,張師偉,等.基于應變式傳感器的料位測控系統[J].儀表技術與傳感器,2008,(1):93-96.ZHONG T,FU X,ZHANG SH W,et al..Material levelmeasurement system based on strain gauge sensors[J].Instrument Technique Sensor,2008,(1):93-96.(in Chinese)