基于虛擬儀器的引信定時(shí)器測(cè)試系統(tǒng)

王 冠，李 波，張 亞

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原 030051）

基于虛擬儀器的引信定時(shí)器測(cè)試系統(tǒng)

王 冠，李 波，張 亞

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原 030051）

在引信定時(shí)器的批量產(chǎn)品參數(shù)測(cè)試中，傳統(tǒng)的人工測(cè)量方式測(cè)試效率低精度差，針對(duì)這一不足提出了基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器硬件部分應(yīng)用了TiePie公司的最新產(chǎn)品Handyscope-HS4作為波形采集器，軟件部分由Lab VIEW作為系統(tǒng)編程的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。測(cè)試軟件界面直觀、操作簡(jiǎn)便，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)人工測(cè)量方式的效率與精度都有明顯提升。在批量產(chǎn)品參數(shù)測(cè)試中得到了很好的應(yīng)用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

引信定時(shí)器；參數(shù)測(cè)試；虛擬儀器；Handyscope-HS4

0 引言

引信中的電子定時(shí)器在炮彈發(fā)射過(guò)程中通過(guò)預(yù)定的時(shí)間定時(shí)控制點(diǎn)火電路引爆傳爆序列，是電子定時(shí)引信的重要組成部分。電子定時(shí)器的相關(guān)參數(shù)是其性能評(píng)估的主要依據(jù)，其性能直接影響著引信的整體性能指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)引信測(cè)試技術(shù)在很大程度上停留在手工測(cè)試階段，或使用抽樣試驗(yàn)方法來(lái)對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，這種方法存在著測(cè)試效率低、精度差的問(wèn)題［1］。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了基于虛擬儀器的引信定時(shí)器測(cè)試系統(tǒng)。

1 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用，有著性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、節(jié)約時(shí)間、無(wú)縫集成等四大優(yōu)勢(shì)［2］，在測(cè)試、測(cè)量、控制、設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

虛擬儀器硬件部分選用荷蘭TiePie（泰譜）公司生產(chǎn)的Handyscope-HS4作為信號(hào)采集器。它可以提供四個(gè)信道來(lái)檢測(cè)信號(hào)，并且提供最高5 MHz的采樣率，每通道存儲(chǔ)量128 Ksamples，采用USB2.0通信方式，傳輸速率可達(dá)480 Mb/s。滿足了試驗(yàn)所需的四條波形信號(hào)同時(shí)接收與100 k Hz采樣頻率、100 Ksamples存儲(chǔ)量的試驗(yàn)要求，是一款快速精確并有著大存儲(chǔ)量的信號(hào)采集器。

虛擬儀器軟件部分選用美國(guó)NI公司所設(shè)計(jì)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)-Lab VIEW，它是一種圖形化的編程語(yǔ)言，軟件界面設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)相互獨(dú)立，修改人機(jī)界面無(wú)需對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)整［3］。Lab VIEW利用數(shù)據(jù)流框圖接受指令，這樣就使得程序簡(jiǎn)單明了，縮短了虛擬儀器的開(kāi)發(fā)周期，消除了虛擬儀器編程的復(fù)雜過(guò)程，充分發(fā)揮G語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)。Lab-VIEW現(xiàn)已廣泛用于電子信息技術(shù)、測(cè)試測(cè)量、控制理論、振動(dòng)分析、跨平臺(tái)設(shè)計(jì)等應(yīng)用領(lǐng)域［4-5］。

2 引信定時(shí)器測(cè)試系統(tǒng)

2.1 電子定時(shí)引信工作過(guò)程

選擇以某引信發(fā)射前開(kāi)始供電的電子定時(shí)器作為待測(cè)對(duì)象對(duì)其性能參數(shù)的測(cè)試技術(shù)加以研究。該定時(shí)器為時(shí)間固定型電子定時(shí)器，由滑膛炮發(fā)射。在發(fā)射前，通過(guò)發(fā)射裝藥尾管的次級(jí)線圈與炮座底部的初級(jí)線圈向發(fā)射裝藥尾管中的點(diǎn)火具和定時(shí)器中的二級(jí)電源（儲(chǔ)能電容）感應(yīng)充電，定時(shí)器中的RC定時(shí)集成電路上電復(fù)位后開(kāi)始工作，定時(shí)器計(jì)時(shí)開(kāi)始。約5～10 ms后，點(diǎn)火具引燃發(fā)射藥，定時(shí)器飛離初級(jí)線圈，完成充電過(guò)程。經(jīng)過(guò)固定延時(shí)，點(diǎn)火電路輸出點(diǎn)火脈沖引爆傳爆序列。

2.2 電子定時(shí)引信參數(shù)選擇

選擇與電子定時(shí)引信技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)、可靠性、安全性密切相關(guān)的重要性能參數(shù)加以研究。實(shí)驗(yàn)共測(cè)試4種電壓信號(hào)曲線（充電電壓、供電電壓、RC電路端壓、點(diǎn)火脈沖電壓）作為待測(cè)特征參數(shù)的數(shù)據(jù)來(lái)源，各信號(hào)典型波形如圖1所示。

圖1 信號(hào)波形圖Fig.1 Signal waveform diagram

充電電壓：5～10 ms的電壓脈沖，為電子定時(shí)器儲(chǔ)能電容提供初始電能；供電電壓：電子定時(shí)器在充電完成后儲(chǔ)能電容的端壓。在定時(shí)器工作過(guò)程中，定時(shí)器的供電電壓是不斷降低的動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)供電電壓降低到閾值以下時(shí)，可導(dǎo)致點(diǎn)火脈沖初始電壓過(guò)低或RC定時(shí)模塊故障，造成定時(shí)器瞎火等故障。因此這里將供電電壓的初始電壓與點(diǎn)火時(shí)的電壓值以及電壓的損耗率作為待測(cè)參數(shù)；RC電路端壓：為電子定時(shí)器提供基準(zhǔn)頻率。它是保證電子定時(shí)器定時(shí)精度的關(guān)鍵參數(shù)。該電子定時(shí)器定時(shí)模塊中的RC振蕩電路在發(fā)射前即完成起振，這里以RC振蕩器起振時(shí)刻與點(diǎn)火脈沖產(chǎn)生時(shí)刻之間的平均振蕩頻率作為待測(cè)參數(shù)；點(diǎn)火脈沖：定時(shí)時(shí)間到后控制電路提供的點(diǎn)火電壓，它反映了當(dāng)定時(shí)器記時(shí)時(shí)間到時(shí)其二級(jí)電源剩余能量能否有效引爆傳爆序列的能力。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)火脈沖初始電壓是否小于閾值來(lái)判斷是否會(huì)造成定時(shí)器瞎火；定時(shí)時(shí)間：它是電子定時(shí)器從計(jì)時(shí)起點(diǎn)至輸出點(diǎn)火脈沖的時(shí)間間隔。這里以外電源觸發(fā)時(shí)刻作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，選擇點(diǎn)火脈沖上升沿時(shí)刻作為計(jì)時(shí)終點(diǎn)，對(duì)定時(shí)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)的硬件模塊

測(cè)試系統(tǒng)硬件模塊由計(jì)算機(jī)、Handyscope-HS4采集器、脈沖波形發(fā)生器組成，測(cè)試系統(tǒng)組成關(guān)系如圖2所示，其中箭頭為信號(hào)轉(zhuǎn)遞方向。

圖2 系統(tǒng)硬件組成關(guān)系Fig.2 System hardware composition

圖2中計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)為Windows xp/7，并裝有Lab VIEW軟件與采集器驅(qū)動(dòng)軟件，主要負(fù)責(zé)采集器的控制與波形信號(hào)的接收與參數(shù)獲取；Handyscope-HS4為信號(hào)采集器，接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)完成波形采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中；脈沖波形發(fā)生器為自制可編程波形發(fā)生器，以51單片機(jī)為核心設(shè)定了脈寬為7 ms幅值為20 V的電壓脈沖，由串口通信接收計(jì)算機(jī)指令為儲(chǔ)能電容充電模擬炮彈發(fā)射時(shí)的充電脈沖信號(hào)。

2.4 測(cè)試系統(tǒng)的軟件模塊

軟件是引信參數(shù)測(cè)試分析系統(tǒng)的核心，它的主要功能是完成整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的硬件控制與數(shù)據(jù)分析［6］。測(cè)試軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)功能相互配合交換數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)軟件的各個(gè)模塊功能。軟件系統(tǒng)共由5個(gè)模塊構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 軟件構(gòu)成Fig.3 Software architecture

采集器通信模塊：是軟件與信號(hào)采集器通信的橋梁。利用此模塊可將各種控制信號(hào)如采樣頻率、采樣點(diǎn)、觸發(fā)電平等重要的參數(shù)設(shè)置輸入到測(cè)量設(shè)備中，并且可將采集器所接收的波形信號(hào)傳輸?shù)綔y(cè)試軟件。Lab VIEW提供了庫(kù)函數(shù)調(diào)用的功能，通過(guò)調(diào)用硬件的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件（Dynamic Linkable Library，簡(jiǎn)稱(chēng)DLL，是一個(gè)可執(zhí)行、可多方共享的程序模塊，庫(kù)內(nèi)存放的是可供應(yīng)用程序使用的函數(shù)、變量等）進(jìn)行軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，使新的軟件平臺(tái)更適應(yīng)測(cè)量的要求。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)雖然是一個(gè)可執(zhí)行模塊，但它并不可以直接運(yùn)行，它只是提供一群函數(shù)供Windows應(yīng)用程序或其他動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)調(diào)用以完成其特殊任務(wù)軟件［7］。使用其中的庫(kù)函數(shù)須正確設(shè)定函數(shù)入口與出口變量的名稱(chēng)、數(shù)據(jù)類(lèi)型、傳遞類(lèi)型等。如圖4為設(shè)置信道觸發(fā)電平函數(shù)的設(shè)置對(duì)話框，byCh為選擇觸發(fā)電平對(duì)應(yīng)通道的變量名，以無(wú)符號(hào)8位整型數(shù)值方式傳遞。

圖4 庫(kù)函數(shù)設(shè)置對(duì)話框Fig.4 Library function Settings dialog

TiePie公司提供了采集器的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件使得第三方軟件與采集器通信成為了可能。在采集器的驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行時(shí)，庫(kù)函數(shù)程序就會(huì)與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信傳遞數(shù)據(jù)與指令，之后驅(qū)動(dòng)程序與采集器通信完成指令反之亦然。這樣實(shí)現(xiàn)了第三方軟件與采集器的匹配。如圖5上半部為ADC-GetDataVoltCh函數(shù)的庫(kù)調(diào)用程序，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)通道的波形數(shù)據(jù)獲取。調(diào)用框左側(cè)為輸入變量接口，變量1、2、3、4可確定通道ch1、ch2、ch3、ch4。調(diào)用框右側(cè)為輸出變量接口，返回8Byte雙精度數(shù)組數(shù)據(jù)指針形式的波形數(shù)據(jù)。圖5下部則為對(duì)4個(gè)通道的靈敏度、滯后觸發(fā)電平、觸發(fā)電平、觸發(fā)模式的參數(shù)值設(shè)定，同樣也是調(diào)用了對(duì)應(yīng)的庫(kù)函數(shù)，進(jìn)行四次循環(huán)對(duì)輸入變量賦值完成各通道的參數(shù)設(shè)置。

圖5 庫(kù)函數(shù)調(diào)用程序框圖Fig.5 Library function program block diagram

參數(shù)測(cè)量模塊：程序通過(guò)所設(shè)定的算法完成信號(hào)波形指定參數(shù)測(cè)量。測(cè)量的關(guān)鍵是找到對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)，找到采樣點(diǎn)就可得到其對(duì)應(yīng)電壓以及采樣點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)數(shù)從而推算出時(shí)間間隔。截取采樣點(diǎn)之間的波形又可對(duì)其進(jìn)行波形的分析，測(cè)出指定參數(shù)。由于參數(shù)相互關(guān)聯(lián)有先后產(chǎn)生的順序，因此不可同級(jí)執(zhí)行運(yùn)算，必須以層迭式順序結(jié)構(gòu)進(jìn)行。測(cè)量模塊應(yīng)用了4層順序結(jié)構(gòu)完成測(cè)量，如圖6為順序結(jié)構(gòu)的第三層也是該模塊程序的主要部分。程序的前兩層完成了波形關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的獲取以及定時(shí)時(shí)間與點(diǎn)火脈沖初始電壓，在此基礎(chǔ)上將關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)作為輸入變量利用索引數(shù)組VI、獲取XY值VI將信號(hào)分離找出關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)值。利用獲取波形子集VI將待測(cè)波形分離為單頻檢測(cè)、曲線擬合、極值尋點(diǎn)，第四層再根據(jù)前三層各參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，最后完成波形各參數(shù)測(cè)量。

DAT波形讀取模塊：根據(jù)DAT與LVM文件的資料格式，截取DAT文件的數(shù)據(jù)部分并與對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的LVM文件頭合并，轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ab VIEW程序可讀的LVM文件［8］。這樣采集器通用程序的DAT類(lèi)型波形就可被讀取，增加了軟件的通用性。如圖7為該模塊程序的主要部分，首先截取了DAT文件的數(shù)據(jù)部分，并利用搜索替換字符串VI將數(shù)據(jù)部分的格式與LVM數(shù)格式匹配，最后與LVM文件的文件頭合并保存。值得注意的是此時(shí)生成的臨時(shí)文件為打開(kāi)狀態(tài)，必須利用關(guān)閉文件VI將其關(guān)閉才可被后續(xù)程序打開(kāi)使用。

圖6 參數(shù)測(cè)量程序框圖Fig.6 Parameter measurement program block diagram

波形顯示模塊：此模塊通過(guò)庫(kù)函數(shù)所傳送的波形數(shù)據(jù)將波形顯示在計(jì)算機(jī)上，并提供了相應(yīng)的波形圖控制功能如幅值、區(qū)域縮放、坐標(biāo)等方便觀察與分析。

圖7 DAT波形讀取程序框圖Fig.7 Program block diagram of reading DAT waveform

數(shù)據(jù)管理模塊：波形參數(shù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生后需要對(duì)其管理存儲(chǔ)，在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)模塊自動(dòng)對(duì)每一組參數(shù)編號(hào)添加每次試驗(yàn)的環(huán)境溫度參數(shù)，同時(shí)可任意修改或刪除無(wú)效數(shù)據(jù)。試驗(yàn)完成后對(duì)波形參數(shù)數(shù)據(jù)以XLS文件形式存儲(chǔ)，方便被Excel軟件打開(kāi)。同時(shí)軟件可將參數(shù)的Excel數(shù)據(jù)以圖表形式顯示使數(shù)據(jù)更加直觀方便數(shù)據(jù)的分析，數(shù)據(jù)管理模塊前面板如圖8。

圖8 數(shù)據(jù)管理模塊前面板Fig.8 Front panel of data management module

3 實(shí)驗(yàn)流程結(jié)果及數(shù)據(jù)精度分析

3.1 實(shí)驗(yàn)流程

正確連接設(shè)備后，運(yùn)行VI測(cè)試程序（Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱(chēng)VI，Lab VIEW程序后綴名）。初始化成功后，軟件將設(shè)定好的采樣頻率、存儲(chǔ)長(zhǎng)度、觸發(fā)電平、預(yù)觸發(fā)值等參數(shù)傳輸?shù)紿andyscope-HS4信號(hào)采集器中，信號(hào)采集器接收到控制信號(hào)后開(kāi)始工作，隨后控制波形發(fā)生器為電子時(shí)間引信提供充電脈沖，電子時(shí)間引信開(kāi)始工作。當(dāng)充電脈沖達(dá)到軟件設(shè)置的觸發(fā)電平時(shí)，信號(hào)采集器開(kāi)始采集電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)設(shè)定的采樣時(shí)間后信號(hào)采集器將測(cè)量好的波形參數(shù)數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)并由測(cè)試程序的波形顯示模塊顯示波形信號(hào)，最后利用測(cè)試程序的參數(shù)測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)試與數(shù)據(jù)管理。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

如圖9為一次測(cè)量完成后的軟件界面，圖中央為波形顯示區(qū)域，顯示了四條波形并以不同顏色區(qū)分。根據(jù)波形可判斷預(yù)定的配置指令在采集器中得到了正確執(zhí)行，數(shù)據(jù)傳輸快速準(zhǔn)確，采集器與測(cè)試軟件形成了良好的匹配。同時(shí)界面的左側(cè)中部區(qū)域得到了對(duì)應(yīng)波形的參數(shù)列表，經(jīng)驗(yàn)證各采樣點(diǎn)選點(diǎn)合理、參數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確。之后又進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)并利用數(shù)據(jù)管理模塊對(duì)各組數(shù)據(jù)編排及存儲(chǔ)。最后讀取了DAT波形文件并成功測(cè)量其參數(shù)，實(shí)驗(yàn)總體效果良好。

圖9 測(cè)試軟件界面Fig.9 Mersurement software interface

3.3 數(shù)據(jù)精度分析

器具誤差：采集器的電壓分辨率有12 bit、14 bit、16 bit三種，其誤差范圍為0.2%of full scale ±1 LSB。這里選用了12 bit的分辨率以及40 V的量程，所以其電壓誤差范圍為（0.080±0.001）V。而測(cè)試系統(tǒng)選取的采樣率為100 k Hz，因此其最大測(cè)量時(shí)間誤差為5μs。方法誤差：由參數(shù)測(cè)量方法引起的誤差。器具誤差與方法誤差是測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量誤差的主要組成。由于引信信號(hào)的不可重復(fù)性，測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量誤差是無(wú)法獨(dú)立出來(lái)的，會(huì)與引信的自身誤差所混合。但多組測(cè)量時(shí)的最大測(cè)量誤差可作為測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量誤差的上限，因此，可反應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的誤差范圍。這里進(jìn)行20組測(cè)量并以均值為約定真值統(tǒng)計(jì)其最大誤差如表1。

表1 參數(shù)最大誤差統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Maximum error of parameters

表1中各參數(shù)最大誤差均在測(cè)量誤差要求范圍內(nèi)，因此滿足實(shí)驗(yàn)的精度要求。

4 結(jié)論

本文提出了基于虛擬儀器的引信定時(shí)器測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將Handyscope-HS4采集器的控制程序轉(zhuǎn)到了Lab VIEW軟件平臺(tái)上并結(jié)合軟件強(qiáng)大的信號(hào)處理功能設(shè)計(jì)了一種對(duì)應(yīng)引信定時(shí)器參數(shù)計(jì)算程序與波形顯示、數(shù)據(jù)管理等模塊共同組成軟件部分，操作簡(jiǎn)便界面直觀。在測(cè)量電子定時(shí)引信的波形參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中運(yùn)行快速參數(shù)準(zhǔn)確，批量產(chǎn)品測(cè)試中相比傳統(tǒng)人工測(cè)試也節(jié)省了大量的測(cè)量時(shí)間提高了測(cè)試精度，對(duì)引信研發(fā)測(cè)試有著一定的實(shí)用價(jià)值。該軟件也具有一定的通用性。由于該采集器速度快、精度高、存儲(chǔ)量大，因此可應(yīng)用到各種高速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，這時(shí)只需把該軟件參數(shù)測(cè)量模塊改換就可完成對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。使該測(cè)試系統(tǒng)發(fā)揮其最大效用也體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

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Fuze Timer Measuring System Based on Virtual Instrument

WANG Guan，LI Bo，ZHANG Ya
（College of Electromechanic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In view of deficiency of traditional mode of manual measurement measuring in fuze timer batch parameter testing，a automatic testing system was presented based on virtual instrument.The virtual instrument used Handyscope-HS4（TiePie）to collect the waveform data，and used Lab VIEW as development platform of software.The testing software was intuitional and easy to operate.Experiments showed that the efficiency and accuracy were improved comparing with traditional mode of manual measurement in fuze timer test.It was well applied in batch parameter testing，and had a certain practical value.

fuze timer；parameter testing；virtual instrument；Handyscope-HS4

TJ433.3

A

1008-1194（2015）05-0057-05

2015-04-10

王冠（1990—），男，山西清徐人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械電子工程。E-mail：wg-zbdx123@163.com。