基于PC104的低空測試儀測控程序設(shè)計與實現(xiàn)

王偉鋒，苗克堅

（西北工業(yè)大學(xué) 計算機學(xué)院，陜西 西安 710075）

低空測試儀需要作為一個整體吊掛在直升機下，這就要求測試儀體積小、實時性好、工作溫度范圍寬、可靠性高、能適應(yīng)各種惡劣自然條件，并有持續(xù)的高速數(shù)據(jù)采集能力。而嵌入計算機PC104，憑借其體積小、功耗低、集成度高及模塊化等一系列優(yōu)良品質(zhì)，滿足此要求。而且，PC104在嵌入式應(yīng)用設(shè)計中，除了有顯示要求的情況外，通常作為一種“黑匣子”的工作模式，即沒有顯示。而低空測試儀就是后者的應(yīng)用。數(shù)據(jù)的下載是通過插入U盤自動下載的，不需要拆卸拆卸硬盤下載數(shù)據(jù)，方便多次測試。

1 測控系統(tǒng)需求分析

通過對測試儀測試原理的分析及操作流程的分解細化，在系統(tǒng)設(shè)計時主要考慮一下幾點：

1）測試儀不僅要能夠在有地海雜波的情況下對某產(chǎn)品的相關(guān)輸出信號進行持續(xù)的采集，而且采集信號的同時記錄產(chǎn)品距離地面或海面的高度；

2）在硬件上采用成熟的平臺，使系統(tǒng)集成度高、可靠性高和維修性強；

3）采用定時數(shù)據(jù)采集控制方式，因直升機上不讓使用無線遙控裝置，可在起飛前設(shè)置好延遲時間，起飛后當(dāng)預(yù)定的延遲時間到時，自動開始數(shù)據(jù)采集，也可設(shè)置采集停止時間；

4）采集的數(shù)據(jù)可通過U盤自動下載，然后導(dǎo)入地面計算機中進行分析和處理；

5）地面計算機能確定哪些數(shù)據(jù)超過規(guī)定的門限值及對應(yīng)的高度，并對數(shù)據(jù)進行分段FFT處理分析；

根據(jù)低空測試儀試驗測控需求的特點可以歸納出對測控系統(tǒng)的性能需求，主要包括：

1）數(shù)據(jù)記錄時長≤1 h；

2）采集速率≥100 kS/s；

3） 測高范圍 1～1 200 m。

2 測控系統(tǒng)總體設(shè)計

該測控系統(tǒng)[1－3]結(jié)構(gòu)如圖1所示，在對被測產(chǎn)品的測試過程中，通過控制系統(tǒng)控制供電系統(tǒng)，給被測產(chǎn)品、嵌入式計算機和無線電測試儀供電；嵌入式計算機控制給被測產(chǎn)品各信號加電時序，何時開始采集數(shù)據(jù)和何時停止采集；一次試驗結(jié)束后，通過U盤導(dǎo)入地面計算機進行分析。

圖1中除了地面計算機外，其他的設(shè)備都需要密封在玻璃鋼下。這就要求玻璃鋼能裝下被測設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、蓄電池等，具有一定氣動力形狀，具有兩個水平翼和一個垂直尾翼，減少飛行中的阻力，被測設(shè)備的天線位于吊艙的底部和高度表天線位于吊艙的水平翼上。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the overall system

3 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖2所示，測控系統(tǒng)硬件[1]主要PC104電源板，PC104 CPU板，PC104數(shù)據(jù)采集卡，PC104繼電器開關(guān)板和無線電測高儀組成。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

PC104電源板用于為PC104 CPU板提供高效、穩(wěn)定的12 V電源。PC104 CPU板控制AD采集卡實時采集每通道的數(shù)據(jù)，速率為200 kS/s；通過串口采集無線測高儀的數(shù)據(jù)，速度為25 Hz；繼電器開關(guān)板用于按時序給產(chǎn)品加-18 V，+18 V和+27 V。

無線電高度表是測量飛行器相對地面（海面）垂直高度的距離測量系統(tǒng)。主要有主機、收發(fā)天線和連接電纜組成，如圖3所示。

圖3 無線高度表結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the wireless altimeter

4 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

該測控系統(tǒng)[4-6]的軟件采用 VC++6.0編程，運行在Windows XP系統(tǒng)下，可以在PC機上編譯后通過U盤拷貝到PC104主機，也可以直接在PC104主機上開發(fā)。測試系統(tǒng)的軟件分為上位機軟件即低空測試儀中軟件和下位機軟件即地面分析計算機中軟件。

1）上位機軟件

由于只有4G SSD板上硬盤，2G用來存采集的數(shù)據(jù)，而高速AD卡采集速率多大1.0 MHz/s，所以采集數(shù)據(jù)時間有限，硬盤空間剩余不足100 M時，系統(tǒng)就自動關(guān)閉，防止系統(tǒng)崩潰。2 G用來裝Window系統(tǒng)，需要對window進行適當(dāng)?shù)牟眉簦员銥椴杉瘮?shù)據(jù)預(yù)留更多的空間。

由于測試儀最終被玻璃鋼密封艙，對外只留下開關(guān)和一個USB接口下載數(shù)據(jù)，何時下載數(shù)據(jù)就依靠檢測U盤的插入，具體的動作時序如圖4所示。

圖4 上位機軟件設(shè)計的流程圖Fig.4 Flow chart of the host computer software design

首先需要按下電源開關(guān)，指示燈1亮，說明系統(tǒng)正常啟動，此時開始檢查是否插入U盤，如果沒有插入U盤，就采集采集數(shù)據(jù)，一個采集周期結(jié)束就需要插入U盤把數(shù)據(jù)下載下來，或者直接關(guān)機，等下次開機上下載；

插入U盤后，響應(yīng)函數(shù)的源碼如下：

ON_MESSAGE （WM_DEVICECHANGE，OnMyUSBDevice）

LRESULT CPC104Dlg::OnMyUSBDevice （WPARAM wParm，LPARAM lParam）

{

switch （wParm）

{

case DBT_DEVICEARRIVAL:

bUSBFlag=TRUE； //有USB設(shè)備插入

if（bALLRun） //設(shè)備在采集數(shù)據(jù)

{

Stop（）； //停止采集數(shù)據(jù)

SendFile（）； //下載數(shù)據(jù)到 U 盤

ShutDownDevice（）；關(guān)閉設(shè)備

}

else//如果設(shè)備沒有采集數(shù)據(jù)

{

SendFile（）； //下載上次采集的數(shù)據(jù)

ShutDownDevice（）； //關(guān)閉設(shè)備

}

break；

…...

default:

break；

}

return 0；

}

2）下位機軟件

下位機軟件是用來分析從U盤拷貝過來的數(shù)據(jù)，本軟件用也是用C++語言實現(xiàn)，主要有以下幾個模塊組成：數(shù)據(jù)處理模塊、文件模塊、工具模塊等。對測試儀一次運行得到的數(shù)據(jù)文件進行解析分離、分析運算和作圖顯示。結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 下位機軟件設(shè)計的流程圖Fig.5 Flow chart of the lower machine software design

①數(shù)據(jù)處理模塊：測試儀一次運行得到的AD采樣數(shù)據(jù)被整體保存成一個巨大的原始數(shù)據(jù)文件，多路采樣通道數(shù)據(jù)混雜其中，需要對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析預(yù)處理和作圖顯示；還有就是工作環(huán)境的限制，可能造成高度表采樣數(shù)據(jù)遠遠偏離預(yù)期值，這些數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過處理，才能更加適合于繪圖顯示。綜合預(yù)覽前需要數(shù)據(jù)同步，因為四個通道的采樣頻率（250 kHz）遠遠高于高度表采樣頻率（50 Hz），需要按照一定的算法對采樣點進行數(shù)據(jù)壓縮。

②圖形顯示模塊：把前面A/D采樣數(shù)據(jù)和高度表數(shù)據(jù)通過兩種方式顯示出來。

③工具模塊：用來對觀測的數(shù)據(jù)圖像進行的各種操作。

5 模擬實驗

該測試系統(tǒng)用于某飛行部件的相關(guān)信號測試。在進行測試時，首先打開前面板上的開關(guān)按鈕，然后自動運行測試應(yīng)用軟件，初始化相關(guān)板卡后，等待一定的時間開始數(shù)據(jù)的采集。下載數(shù)據(jù)到地面計算機座談分析，如圖6所示，通過模擬實驗發(fā)現(xiàn)，該測試系統(tǒng)測試結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。

圖6 放大界面圖Fig.6 Interface diagram of the zoom mode

如圖7所示，已經(jīng)調(diào)用了綜合預(yù)覽功能繪制了5條曲線，并進入游標(biāo)模式讀取了55.8秒處的采樣數(shù)據(jù)顯示在狀態(tài)欄上（本圖形已經(jīng)過3次放大）。

圖7 3次放大界面圖Fig.7 Interface diagram of the three zoom mode

數(shù)據(jù)作圖的FFT結(jié)果如圖8所示。

圖8 FFT結(jié)果文件圖Fig.8 FFT plot

圖8 中FFT窗口已經(jīng)打開一份FFT結(jié)果文件，并進行了圖形放大，使用游標(biāo)讀取了第三采樣點處電壓值和192 Hz處的分貝值。

6 結(jié) 論

該測試系統(tǒng)采用具有高速數(shù)據(jù)采集卡的PC104嵌入式計算機為硬件平臺，軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，對外只有USB接口下載數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的可操作性。該測試系統(tǒng)已用于某飛行部件的相關(guān)信號的測試，并在實際應(yīng)用和在仿真實驗應(yīng)用下都表明該測試系統(tǒng)具有測試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、人機界面友好等特點，達到了設(shè)計要求。

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