一種基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的魚雷合作信標檢測方法

謝 勝, 尚 凡, 林少興

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一種基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的魚雷合作信標檢測方法

謝 勝, 尚 凡, 林少興

(中國人民解放軍91388部隊, 廣東 湛江, 524022)

現(xiàn)有魚雷合作信標檢測系統(tǒng)基于分立元件設(shè)計, 設(shè)計復(fù)雜、通用性差, 測試過程依靠人工操作和記錄, 檢測時間長、效率低。針對這些問題, 提出了一種基于虛擬儀器技術(shù)的魚雷合作信標檢測方法。該方法采用高性能數(shù)據(jù)采集卡作為測控硬件, 充分利用LabVIEW軟件強大的儀器控制和信號采集功能, 實現(xiàn)了合作信標信號一體化采集、分析處理和顯示存儲等功能。實際使用結(jié)果表明, 基于該方法的測試系統(tǒng)具有人機界面友好, 操作簡單、測量精度高, 能夠滿足各型號魚雷合作信標的測試要求。

魚雷; LabVIEW軟件; 數(shù)據(jù)采集; 虛擬儀器; 信標

0 引言

目前魚雷合作信標檢測系統(tǒng)采用分立元件或模塊構(gòu)建, 其設(shè)計較復(fù)雜, 靈活性差, 沒有擺脫獨立使用與手工操作的模式, 檢測功能完全固化難以升級擴展; 長期使用后存在器件老化、阻容參數(shù)變化大等問題, 導(dǎo)致測量精度顯著下降、工作狀態(tài)不穩(wěn)定等現(xiàn)象, 而且只能人工操作和記錄結(jié)果, 檢測時間長、自動化程度低。由于合作信標待測的信號種類多, 不僅有模擬信號、數(shù)字脈沖信號和開關(guān)控制信號等, 而且待測信號參數(shù)多, 如對于數(shù)字脈沖信號, 不僅要測量其頻率、周期和脈沖寬度, 還要測量脈沖相對時延信號等參數(shù)。由于信標接口不規(guī)范, 通用性較差。為解決上述問題, 本文提出了基于LabVIEW虛擬儀器的魚雷合作信標檢測方法。

1 虛擬儀器與LabVIEW語言概述

1.1 虛擬儀器

虛擬儀器(virtual instruments, VI)是針對計算機的一個概念, 它通過編程使計算機實現(xiàn)特定儀器設(shè)備的一種軟件系統(tǒng)[1]。虛擬儀器通過輸入/輸出接口設(shè)備完成信號的采集測量, 利用計算機顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板, 由用戶設(shè)計虛擬面板, 以多種形式表達輸出檢測結(jié)果, 并利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號分析、運算和處理, 從而使計算機具有各種測試功能[2]。

1.2 LabVIEW語言

LabVIEW是一個基于G語言的圖形化編程系統(tǒng), 它將計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力與儀器的硬件測試控制能力很好地結(jié)合在一起, 應(yīng)用于儀器采集與控制、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)表達等[3]。LabVIEW內(nèi)置了各種用于控制數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器模塊, 便于與實現(xiàn)硬件連接, 同時LabVIEW封裝了大量輸入輸出控件, 為波形信號和其他信息的顯示提供了便利, 因此利用LabVIEW語言可以輕松構(gòu)建用戶所需的虛擬儀器[4-5]。

2 基于虛擬儀器的合作信標檢測方法

目前的合作信標檢測方法主要依靠人工操作信標檢測系統(tǒng)前面板開關(guān)、按鈕或旋鈕, 通過A/D器件模塊、定時器模塊和計數(shù)器模塊和LED顯示器等模塊完成模擬和數(shù)字信號采集測量和顯示; 測量結(jié)果依靠人工分析并判斷是否正常或合格; 測量結(jié)果記錄和存儲也只能由人工輸入計算機并制作成word, excel等格式檢測表, 最后通過打印機打印輸出。

基于虛擬儀器的合作信標檢測方法以NI (National Instruments)數(shù)據(jù)采集卡和計算機為測控平臺, 在Windows系統(tǒng)下利用LabVIEW語言開發(fā)測試軟件, 依托計算機系統(tǒng)豐富的資源、高速處理能力和LabVIEW軟件豐富強大的軟件資源來實現(xiàn)魚雷合作信標信號采集控制、分析處理、顯示存儲與信息共享, 整個檢測過程無需人工干預(yù)。圖1為基于虛擬儀器的信標檢測系統(tǒng)示意圖。

圖1 基于虛擬儀器的合作信標檢測系統(tǒng)原理框圖

2.1 基于虛擬儀器的合作信標硬件設(shè)計

根據(jù)前述設(shè)計思想以及待測信標的信號類型和特點, 構(gòu)建如圖2所示信標測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)分別由電纜適配器、模擬數(shù)字信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機等組成, 最大可對32路單端模擬(或16路差分)信號和48路數(shù)字信號進行采集測量, 同時能產(chǎn)生4路模擬輸出信號, 完全能滿足各種信標測試測量的需求。

圖2 魚雷合作信標檢測系統(tǒng)總體組成框圖

電纜適配器按照統(tǒng)一接口標準對信標信號進行分類排序和屏蔽保護, 可方便與各種型號信標接口, 解決信標接口不兼容的問題。模擬數(shù)字信號隔離電路主要由模擬信號輸入輸出隔離、數(shù)字輸入輸出隔離電路、電源管理單元、控制單元等組成, 用于對模擬和數(shù)字輸入輸出信號進行調(diào)理, 并提供合作信標啟停、預(yù)熱等控制邏輯接口。數(shù)字信號隔離器件采用ADI公司AduM7510芯片, 模擬信號隔離器件采用T5550有源高精度變送器。信號隔離電路采用冗余設(shè)計便于日后升級和擴展。采用NI公司X 系列USB-6353數(shù)據(jù)采集卡[6], 它內(nèi)含4個通用32位計數(shù)器、1片高速16位A/D、1片高速16位D/A轉(zhuǎn)換器和豐富模擬數(shù)字I/O接口等硬件資源, 能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜模擬和數(shù)字混合信號采集測量。在檢測軟件控制下, 計算機配合數(shù)據(jù)采集卡完成信標啟/停控制、信號采集測量、分析處理、顯示存儲、數(shù)據(jù)檢索和查詢與打印等功能。

2.2 基于虛擬儀器的合作信標軟件設(shè)計

軟件就是儀器,儀器就是軟件[2]。所以虛擬儀器軟件編寫直接關(guān)系到合作信標測試系統(tǒng)的性能和使用效果。本檢測軟件采用LabVIEW 語言進行開發(fā), 提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、儀表盤等)類似的控件, 可用來方便地創(chuàng)建用戶界面, 這給編程帶來了極大的便利, 而且附帶數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序, 使用簡單、操作方便。

由于要采集的信號參數(shù)多, 檢測軟件采取層次化、模塊化思想進行自頂而下設(shè)計, 以實現(xiàn)軟件的通用性、可維護性和擴展性。檢測軟件平臺設(shè)計主要包括用戶界面、參數(shù)設(shè)置界面、參數(shù)設(shè)置和采集測量子VI模塊等, 軟件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖4 為軟件流程圖。

在LabVIEW檢測軟件控制下, 計算機向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出啟動信標指令, 信標信號經(jīng)過調(diào)理后由數(shù)據(jù)采集卡進行采集測量, 采集后的數(shù)據(jù)送入計算機進行分析處理、顯示存儲或打印歸檔。借助LabVIEW軟件的ActiveX技術(shù), 檢測軟件可將測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Word, Excel等格式檢測表, 并利用LabVIEW軟件附帶的TCP/IP工具包來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信接口, 實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸與共享, 從而真正實現(xiàn)了信標一體化、自動化和信息化測試測量的要求。

圖3 軟件總體結(jié)構(gòu)

圖4 檢測系統(tǒng)軟件流程圖

檢測系統(tǒng)軟件操作界面如圖5所示。LabVIEW使檢測系統(tǒng)的操作得到極大的簡化, 所有的操作均在操作界面前面板上用鼠標點擊操作界面的按鍵或旋鈕完成, 操作非常簡單方便。操作界面主要分為4個區(qū)域: 狀態(tài)指示區(qū)、系統(tǒng)控制區(qū)、檢測項目區(qū)和測量結(jié)果顯示區(qū)。狀態(tài)指示區(qū)指示當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)和檢測進度; 系統(tǒng)控制區(qū)主要由各種虛擬開關(guān)、按鈕和指示燈組成, 完成信標啟停控制、恒溫晶振預(yù)熱控制、內(nèi)外同步切換等操作。檢測項目區(qū)提供手動操作和自動操作模式, 可根據(jù)需要選擇完成信號檢測。數(shù)據(jù)顯示區(qū)實時顯示當(dāng)前測量項目結(jié)果, 并自動判斷測量結(jié)果是否正常或合格。

圖5 信標檢測系統(tǒng)操作界面

3 性能驗證與檢測結(jié)果精度分析

采集卡基準頻率為10 MHz, 具有16位的A/D采樣分辨率和32位通用計數(shù)器, 其理論值可以達到52mV的最小電壓精度和1ms的最小時間精度。采用標準信號源Tektronix AFG3021B分別輸出100 kHz, 3 V, 1 V, 2 ms特征波形, 使用本測試系統(tǒng)及Tektronix TDS2012B示波器分別測試10次, 求得測試結(jié)果誤差, 其最大測量誤差結(jié)果如表1。從表1可看出, 本測試系統(tǒng)具有很高測量精度, 完全能夠滿足信標信號的測量要求。

表1 測試系統(tǒng)最大誤差

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于LabVIEW的魚雷合作信標檢測系統(tǒng), 已在多種型號魚雷合作信標測試測量中得到了應(yīng)用。實際使用結(jié)果表明, 該系統(tǒng)完全滿足信標信號測量所提出的指標要求。整個測量系統(tǒng)自動化程度高, 操作簡單, 測量精度高, 測量速度快, 降低了操作人員的工作強度, 取得了很好的測量效果。同時該系統(tǒng)在軟硬件采用了通用化和標準化設(shè)計, 經(jīng)適當(dāng)完善后, 完全可應(yīng)用于魚雷其他系統(tǒng)的檢測, 這對于簡化魚雷檢測設(shè)備、實現(xiàn)檢測設(shè)備的通用化, 具有較好的可借鑒價值。

[1] 田甜, 李啟虎, 王磊, 等. 基于虛擬儀器技術(shù)的多路水聲信號同步采集及處理平臺設(shè)計[J]. 應(yīng)用聲學(xué), 2011, 4(30): 314-320. Tian Tian, Li Qi-hu, Wang Lei, et al. The Design of Multiple-channel Data Acquisition & Processing Platform Based on Virtual Instrument[J]. Technologies Applied Acoustic, 2011, 4(30): 314-320.

[2] 李紅英, 杜軍, 楊金剛, 等. 基于虛擬儀器的裝定器檢測方法[J]. 探測與控制學(xué)報, 2011, 4(33): 19-22.Li Hong-ying, Du Jun, Yang Jin-gang, et al. Fuze Setter Examination Based on Virtual Instrument[J]. Journal of Detection & Control, 2011, 4(33): 19-22.

[3] 陳錫輝, 張銀鴻. LabVIEW8.20程序設(shè)計從入門到精通[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2007.

[4] WATTSL. The LabVIEW Environment: Advanced Built- IN Analysis and Signal Processing[EB/OL]. [2014- 2-23]. http: www.ni.com/labview.

[5] 陸綺榮. 基于虛擬儀器技術(shù)個人實驗室的構(gòu)建[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.

[6] National Instruments China. NI X系列USB-6353采集卡數(shù)據(jù)手冊[M/OL]. Shanghai: National Instruments China, 2010[2014-2-23].http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang /zhs/nid/209072.

(責(zé)任編輯: 許 妍)

A Test Method of Torpedo Cooperative Beacon Based on Virtual Instrument Technology

XIE ShengSHANG FanLIN Shaoxing

(91388thUnit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

The existing torpedo cooperative beacon test instruments are designed based on discrete components, which results in complicated design, weak universality, and low efficiency. Therefore, a new test method based on virtual instrument is proposed in this paper. Data acquisition card is used as monitoring and control hardware, and the software LabVIEW is adopted by making full use of its strong functions of signal acquisition and instrument control to realize integrated signal acquisition, processing, display and storage, etc. Applications of the testing system based on the proposed test method show its friend interface, easier operation and high accuracy, and the testing system meets the requirements of torpedo cooperative beacon test.

torpedo; software LabVIEW; data acquisition; virtual instrument; beacon

TJ630.6; TJ430.6

A

1673-1948(2014)03-0226-04

2014-03-13;

2014-03-30.

謝 勝(1976-), 男, 碩士, 工程師, 研究方向為水聲測控.