基于虛擬儀器的裝定器檢測方法

李紅英,杜 軍,楊金剛,劉芒龍

(西安機(jī)電信息研究所,陜西西安 710065)

0 引言

目前的裝定器檢測其設(shè)計(jì)較復(fù)雜,靈活性差,沒有擺脫獨(dú)立使用與手工操作的模式,且測試系統(tǒng)通用性較差,整個(gè)測試過程幾乎僅限于簡單的模仿人工測試的步驟,不適用于一些較為復(fù)雜及測試參數(shù)較多的場合,且其設(shè)計(jì)主要是基于VB、VC等文本編程語言,雖然這類語言的靈活性好,執(zhí)行效率高,但若要在采集的同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制成圖形,對不熟悉VB與VC編程的人來說有一定難度,而數(shù)據(jù)的分析處理也只能借助于其他工具(如 Matlab、DSP)才能實(shí)現(xiàn),針對這些問題,本文提出了虛擬儀器檢測裝定器的方法。

1 虛擬儀器與裝定器檢測方法

1.1 虛擬儀器概述

虛擬儀器(Vitrula Instruments,VI)是在一臺計(jì)算機(jī)上配備應(yīng)用軟件和低成本硬件完成傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器由I/O(輸入/輸出)接口設(shè)備進(jìn)行信號的采集、測量和調(diào)理,利用計(jì)算機(jī)顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板,由用戶設(shè)計(jì)虛擬面板,以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果,并利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的分析、運(yùn)算和處理,從而使計(jì)算機(jī)具有各種測試功能。虛擬儀器可使用相同的硬件系統(tǒng),而通過不同的軟件就能實(shí)現(xiàn)功能完全不同的測試功能,軟件是虛擬儀器的核心[1-2]。

虛擬儀器技術(shù)首先由National Instrument公司于20世紀(jì)80年代提出,目前運(yùn)用最廣泛的是該公司LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。LabVIEW是一個(gè)基于G語言的圖形化編程系統(tǒng),應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)表達(dá)等方面。用戶可通過多種設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,包括:GPIB、VXI、串口設(shè)備(RS-232/Rs_485)及采集卡等。LabVIEW附帶功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和信號處理軟件包,可滿足各種計(jì)算和分析需要。

1.2 裝定器檢測方法

目前的裝定器檢測方法主要由3個(gè)功能模塊組成:信號的采集與控制,信號的分析與處理,結(jié)果的處理與表達(dá)。其信號采集與控制主要依靠AD器件和主控MCU(單片機(jī))[3],信號分析與處理主要依靠DSP或Matlab,裝定器檢測原理框圖如圖1所示。

圖1 裝定器檢測原理框圖Fig.1 The detecting functional block diagram of setter

2 基于虛擬儀器的裝定器檢測方法

虛擬儀器的裝定器檢測方法就是基于虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建,采用NI的數(shù)據(jù)采集卡,配合Labview軟件在Window s平臺下開發(fā)測試軟件,采用軟件識別采集的編碼信號判斷裝定器外部參數(shù)是否正常,來作為裝定器工作是否正常的根據(jù)。根據(jù)待測裝定器的工作時(shí)序及數(shù)據(jù)檢測特征,設(shè)計(jì)模擬火控系統(tǒng),用以完成與裝定器之間的數(shù)據(jù)相互傳輸。數(shù)據(jù)采集卡通過信號調(diào)理模塊,采集完整的裝定器數(shù)據(jù),送往計(jì)算機(jī)將其實(shí)時(shí)顯示以及通過Labview軟件的信號處理工具包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最后匯報(bào)測試結(jié)果。

裝定器測試系統(tǒng)采用主從機(jī)控制方式。工控機(jī)作為上位機(jī)模擬火控系統(tǒng),按照測試時(shí)序發(fā)送控制指令及測試數(shù)據(jù)給裝定器及檢測儀(包含信號調(diào)理模塊和采集卡),檢測儀根據(jù)指令完成對裝定器的數(shù)據(jù)采集,并發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并處理,通過打印機(jī)輸出測試報(bào)表。通過上述方法就能很好地解決引言中所提到的局限問題。基于虛擬儀器的裝定器測試系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 基于虛擬儀器的裝定器測試系統(tǒng)原理框圖Fig.2 The setter test system functional block diagram based on virtual instrument

虛擬儀器中軟件就是儀器,儀器就是軟件,所以軟件編寫是基于虛擬儀器的裝定器檢測方法的關(guān)鍵步驟。該測試系統(tǒng)程序利用的就是NI Labview8.5的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),它的主要任務(wù)就是完成對數(shù)據(jù)的采集、波形的實(shí)時(shí)顯示與某通道波形的回放、數(shù)據(jù)的存儲處理和測試結(jié)果。由于要采集的數(shù)據(jù)量很大且采樣間隔也很短,僅為幾毫秒,當(dāng)采用單線程來完成所有的工作時(shí)難以滿足要求,所以該程序采用多線程來編程。另外為了便于更好地管理采集回來的數(shù)據(jù),該程序?qū)?shù)據(jù)存儲在 Labview軟件自帶的TDMS格式文件中并將測試數(shù)據(jù)與結(jié)果放到數(shù)據(jù)庫里,以便于查詢和測試結(jié)果的比對。

整個(gè)檢測系統(tǒng)軟件采取模塊化的思想,自頂向下設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)人機(jī)交互界面友好,使操作者方便完成相應(yīng)的操作。采用生產(chǎn)-消費(fèi)者結(jié)構(gòu)(NI公司的一種編程模式),其事件可生成隊(duì)列項(xiàng)。通過響應(yīng)事件實(shí)現(xiàn)代碼的異步執(zhí)行,同時(shí)不影響用戶界面的響應(yīng)速度。整個(gè)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

軟件平臺設(shè)計(jì)主要包括VISA儀器驅(qū)動程序、菜單設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置界面等模塊,最終軟件系統(tǒng)由一個(gè)共用平臺控制實(shí)現(xiàn)多個(gè)硬件間的多個(gè)同步操作,而且軟件界面友好,操作方便,實(shí)現(xiàn)了裝定器檢測的自動化檢測[4-5]。

圖3 軟件總體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The general chart of software

3 裝定器測試系統(tǒng)的性能驗(yàn)證與檢測結(jié)果的精度分析

3.1 裝定器測試系統(tǒng)的性能驗(yàn)證

測量數(shù)據(jù)的圖形化實(shí)時(shí)動態(tài)顯示是測試儀器必備的功能,像常見的數(shù)字示波器、頻譜分析儀等儀器都具有能夠顯示測量信號波形和儀器工作狀態(tài)的CRT熒光屏。Labview通過波形顯示控件即實(shí)時(shí)趨勢圖控件。實(shí)時(shí)趨勢圖控件把新的數(shù)據(jù)連續(xù)添加到已有的數(shù)據(jù)的后面,波形是連續(xù)向前推進(jìn)顯示的,這樣就可以很清楚地觀察到裝定器數(shù)據(jù)碼的變化過程,能實(shí)時(shí)監(jiān)控待測參數(shù)的變化。

本測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示是將裝定器的多路信號,在“通道回放”一欄中通過選擇,顯示他們某通道的波形,當(dāng)回放時(shí),顯示的波形還可以進(jìn)行放大和縮小變換。本測試系統(tǒng)顯示某通道波形圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)某通道波形圖Fig.4 The test system some channel waveform

裝定器測試的目的在于獲取裝定器的性能、狀態(tài)或特征,所以數(shù)據(jù)采集只是測試工作的第一步,數(shù)據(jù)的分析和處理構(gòu)成測試系統(tǒng)的重要組成部分之一。傳統(tǒng)的裝定器數(shù)據(jù)處理通過DSP或Matlab等其他工具,而本文利用Labview軟件內(nèi)容豐富、功能強(qiáng)大的分析工具包,完全可以勝任復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和處理工作。圖5就很好地體現(xiàn)了將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪成波形圖,其數(shù)據(jù)處理都在后臺調(diào)用工具包,其測試結(jié)果在本次運(yùn)行完后即在“結(jié)果”按鈕中顯示合格與否,使測試人員一目了然地明白測試結(jié)果。

圖5 裝定波形圖Fig.5 Setting waveform

3.2 檢測結(jié)果的精度分析

裝定器在模擬引信負(fù)載的情況下,輸出的編碼信號電壓幅度要求滿足(5±0.5)V,本方法中的采集卡具有16位的采樣分辨率,其理論值可以達(dá)到52 μV的最小電壓精度,編碼信號的碼元寬度有10μs和30μs兩個(gè)值,精度在±10%,誤差在1μs和3μs以內(nèi),采樣率為10 MHz,完全能夠滿足信號幅度及碼元寬度的測量要求。

采用標(biāo)準(zhǔn)信號源Agilent3220分別輸出2 V,5 V,10μs,30μs,1.2 ms,5 s特征波形,使用本測試系統(tǒng)及Agilent54622D示波器分別測試5次,求得測試結(jié)果誤差,測試對裝定器的19路通道分別進(jìn)行,其最大測量誤差結(jié)果如表1。

表1 測試系統(tǒng)最大誤差Tab.1 The test system maximum error

表1數(shù)據(jù)表明本測試系統(tǒng)高出測量精度一個(gè)數(shù)量級,完全能夠滿足信號的測量要求。

4 結(jié)論

本文提出了基于虛擬儀器的裝定器檢測方法。該方法將采集的數(shù)據(jù)正確地以實(shí)時(shí)圖形的方式顯示且利用Labivew軟件自帶的工具包分析和處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)測結(jié)果表明:該方法不僅能實(shí)現(xiàn)對裝定器信號的高速數(shù)據(jù)采集,而且能將采集的數(shù)據(jù)正確地以實(shí)時(shí)圖形的方式顯示,從而解決了在文本編程語言下實(shí)時(shí)圖形繪制難的問題,同時(shí)利用 Labivew軟件自帶的工具包解決了數(shù)據(jù)的分析處理只能借助于其他工具(如Matlab、DSP)才能實(shí)現(xiàn)的問題,滿足了對裝定器信號采集和分析的要求,真正地體現(xiàn)了“軟件就是儀器,儀器就是軟件”的思想,對進(jìn)行裝定器測量、分析具有普遍應(yīng)用價(jià)值。

[1]楊樂平,李海濤.Labview高級程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[2]鄭人杰,殷人昆.實(shí)用軟件工程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[3]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)(第三版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[4]郝新紅,崔占忠.虛擬儀器技術(shù)在無線電射頻干擾試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].探測與控制學(xué)報(bào),2004,26(4):49-51.HAO Xinhong,CUI Zhanzhong.Aplication of virtual instruments technology to experimental/RF Jaming system for radio fuze the setter testing system[J].Journal of Detection&Control,2004,26(4):49-51.

[5]蓋希強(qiáng).電子時(shí)間引信動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào),2006,(1):32-35.GAI Xiqiang.Design of electronic time fuze dynamic parameter test system[J].Sichuan ordnace,2006,(1):32-35.