基于LabVIEW的某型導彈電爆管引信測試儀的設計

王　茜， 藺佳哲， 謝　楠

(1.空軍勤務學院 航空彈藥系， 江蘇 徐州　221000； 2.空軍勤務學院 航空四站系， 江蘇 徐州　221000)

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基于LabVIEW的某型導彈電爆管引信測試儀的設計

王茜1， 藺佳哲1， 謝楠2

(1.空軍勤務學院 航空彈藥系， 江蘇 徐州221000； 2.空軍勤務學院 航空四站系， 江蘇 徐州221000)

虛擬儀器技術因其功能多樣、測量準確、集成方便靈活等特點,在機載彈藥測試領域得到廣泛應用。選取某型導彈電爆管引信測試儀為研究對象,針對該型測試儀存在的缺陷和使用中遇到的問題,采用虛擬儀器技術,對其進行了重新設計,可以有效消除測試中的誤差,進行實時的數據采集、顯示、存儲及數據的進一步處理,提高了測試的可靠性和準確性。同時,利用LabVIEW自帶的WEB發布工具,可以將虛擬儀器發布到局域網中,實現遠程測試的功能。

電爆管引信;虛擬儀器;數據采集;LabVIEW;測試

0　引　　言

航空彈藥裝備是空軍裝備的重要組成部分， 其性能和質量的好壞將直接影響航空兵部隊的作戰效能。 近年來， 各種新型的制導彈藥逐漸裝備部隊。 制導彈藥是集光、 電、 機等高新技術為一體的高技術產品， 結構復雜， 如何正確使用、 保管、維護制導彈藥裝備， 使其經常處于良好狀態， 及時、 準確、 優質地實施保障， 是空軍機關、 部隊面臨的一項艱巨的任務。

制導彈藥的維護內容較多， 不僅要定期對制導彈藥本身和包裝箱的外觀狀況進行確認， 而且要定期對制導彈藥的技術狀態進行判斷。 制導彈藥技術狀態的確定比較復雜， 要根據其內部參數的大小來確定， 而要獲取內部參數的大小， 必須利用一定的技術手段對其進行測試。 測試結果能夠顯示出制導彈藥內部參數的情況， 并作為判斷其技術狀態的最終依據。 電爆管引信測試儀用于對導彈電爆管引信的相關參數進行測試， 現有的某型電爆管引信測試儀， 其測試過程不夠簡便， 測量結果只能是操作人員讀取后再記錄， 因此， 存在很大的人為誤差； 而且在實際使用過程中， 測試儀的指針指示不穩定， 容易受到靜電的影響， 這些均對測試結果的可靠性產生影響。

1　測試需求分析

對于某型導彈來說， 電爆管引信參數的測量就是對制導艙的氮氣瓶點火器、 熱電池點火器， 戰斗部裝置的保險執行機構起爆器， 火箭發動機裝置的點火器、 短路線以及近炸引信引爆電容的各個參數值的測量。 其中， 制導艙的氮氣瓶點火器、 熱電池點火器， 戰斗部裝置的保險執行機構起爆器以及火箭發動機裝置的點火器、 短路線等需要測量的參數屬于電阻值； 近炸引信引爆電容需要對其寄生電壓進行測試， 屬于電壓參數。 本測試儀由于是對電爆管引信的參數進行測試， 需要實時監測電路中的電流值， 確保測試過程中的電流在安全電流以內， 防止電爆管意外發火。

綜上所述， 測試儀涉及到的信號類型為電阻、 電壓和電流， 需要采用的硬件包括電阻測量模塊、 電壓測量模塊和電流測量模塊。

根據虛擬儀器的設計理念， 虛擬測試設備的核心部分應該是軟件程序的開發[1]， 要使硬件中的測量模塊完成測試的功能， 必須有軟件加以驅動。 NI公司的LabVIEW軟件功能強， 廣泛應用于各類測試領域,可以實現更為精確的測量[2-4]， 而且LabVIEW及其圖形化數據流編程語言， 能創建直觀的圖形化代碼， 在編程時可以比其他語言更貼切地展現用戶的思維過程。 因此， 軟件程序采用LabVIEW進行開發， 具體的系統組成如圖1所示。

圖1系統組成

2　系統硬件設計

2.1小電阻測量方法

由于電爆管引信測試的參數值較小， 本文需要設計專用測試小電阻的測試接口電路。 對于小阻值電阻的測量， 由于其阻值和導線電阻大小相當， 所以測量中必須考慮消除導線電阻的影響。 在導線的選擇上， 盡量選用粗導線； 導電率盡可能高； 接觸面盡量大， 以減小接觸電阻[5]。

在測量方法上， 該設計采用四線法測量微弱電阻,如圖2所示， 可以很好地保證精度[6]。 四根導線因為選用相同的材料， 阻值基本相等， 約為R0， 電流從1端流進， 從4端流出。 2， 3端為測量端， 由于流過2端上R0的電流I2和流過3端上R0的電流I3的方向相反， 導線上電壓降相互抵消。 所用的數據采集卡輸入電阻一般大于l MΩ， 遠大于被測量電阻， 流過2， 3端的電流遠遠小于流過Rx上的電流。 所以，Ux等于Rx的壓降， 消除了導線電阻的影響， 保證了測量精度。

圖2四線制測量電阻法

2.2數據采集卡的選擇

根據測試需求， 測量的參數有： 制導艙的氮氣瓶點火器電阻、 熱電池點火器電阻； 戰斗部裝置的保險執行機構起爆器電阻RD1，RD2； 火箭發動機裝置的點火器電阻RF1、 短路線電阻RF2； 近炸引信引爆電容C1，C2上的寄生電壓共8個參數， 同時臨時占用其他測試參數的通道, 對測試電路中的電流值進行實時監控。

對比市場流行的USB數據采集卡， NI USB-6009在性能和價格上具有很大的優勢， 應用范圍較廣。 同時， 作為NI公司的數據采集卡， 其與LabVIEW開發平臺的數據交互接口設計十分簡單， 且具有以下特點：

(1) 8路模擬輸入通道(14位分辨率, 48 kS/s)， 2路模擬輸出通道(12位分辨率, 150 S/s)；

(2) 12條數字I/O 線, 32分辨率計數器；

(3) 方便而易于攜帶的總線供電型設計， 獲取用于OEM 的僅含板卡的套件；

(4) 可用于Windows， Mac OS X， Linux 和Pocket PC 的驅動軟件， NI-DAQmx 驅動軟件和NI LabVIEW Signal Express 交互式數據記錄軟件。

3　系統軟件設計

導彈設計定型中規定配套電爆管引信測試儀的電阻測量范圍為0～3 Ω， 其誤差值為±1.5%； 電壓測量的范圍為0～0.1 V， 其誤差值為±1.0%。 通過最大電流27 mA(此最大電流是指錯誤操作的情況下)， 正確操作的情況下， 通過電爆管的電流不超過6 mA。 因此， 測試儀必須設計一個電流監控系統， 該系統可以在電流超出安全電流時自動停止測試。 正常情況下， NI USB-6009數據采集卡產生的激勵信號不會超過5 mA。

本文設計的虛擬電爆管測試儀包括制導艙參數測量部分、 戰斗部起爆器參數測量部分、 火箭發動機參數測量部分以及近炸引信引爆電容參數測量部分。 其他功能的實現都放置于主程序中。 由于這四個部分的測試編程思路相近， 本文以制導艙參數測量部分為例， 進行相關功能模塊的設計， 該部分程序框圖如圖3所示。

圖3制導艙參數測量程序框圖

LabVIEW編程支持面向對象和面向過程的編程方法， 由于設計的測試儀功能較為簡單， 采用面向過程的編程思路有利于發揮LabVIEW數據流的編程優勢[7]。

制導艙參數測量部分程序是一個平鋪式順序結構， 包括一個或多個順序執行的子程序框圖或幀。 平鋪式順序結構可確保子程序框圖按一定順序執行。 其數據流不同于其他結構的數據流。 所有連線至幀的數據都可用時， 平鋪式順序結構的幀按照從左至右的順序執行。 每幀執行完畢后會將數據傳遞至下一幀， 即幀的輸入可能取決于另一個幀的輸出。 制導艙參數測量部分的數據采集和顯示處于第一幀， 測量參數判斷和電流監控處于第二幀， 數據保存處于第三幀。

3.1數據采集功能的實現

LabVIEW集成了功能強大的數據采集函數庫Data Acquisition。 其中DAQ Assistant可以進行數據采集的快速設置， 還可以通過多路徑啟動數據采集助手[8]。

但是， 考慮到將設計的虛擬儀器直接應用于導彈電爆管參數測量中可能存在安全風險， 所以本文設計的虛擬電爆管引信測試儀采用LabVIEW自帶的仿真信號VI來模擬真實的采樣信號。 為了提高仿真信號的真實性， 在仿真信號中添加均勻白噪聲作為實際測量過程中環境和電路板自身的干擾噪聲。

3.2數據分析處理與電流監控功能的實現

本文設計的制導艙參數測量部分直接將采集的信號顯示到前面板的波形圖中， 十分形象直觀。 同時， 利用均值VI將采集的數據進行分析， 計算均值后在軟件前面板的數值顯示控件中進行顯示。 注意采集信號不能直接導入均值VI， 需要添加一個動態數據轉換模塊， 將采集信號的數據類型轉換成可與其他VI和函數配合使用的數值類型。

當測量參數超出規定值時， 系統報警燈會變為紅色， 提示用戶該值不合格。 為了增加軟件的友好性， 設計了LED的屬性節點， 這樣紅色報警燈會持續閃爍。 同時， 前面板的文本框控件顯示為“超限”。 如果測量參數處于正常范圍內， LED燈不會亮起， 前面板文本框控件顯示為“正常”。 電流監控模塊設計較為簡單， 將采集到的電路電流參數與最大允許電流值進行比較， 如果超出范圍， 即電流值超標， 比較VI直接將停止信息輸出到While循環的停止控制上， 整個程序停止執行。

3.3數據保存功能的實現

對于一個完整的測試系統或數據采集系統， 經常需要將硬件的配置信息寫入配置文件或者將采集到的數據以一定格式存儲在文件中保存數據[9]。 為了滿足不同的數據存儲格式和性能需求， LabVIEW提供了多種文件類型， 主要分為兩種：

(1) 基于文本的測量文件(LVM文件)。 該文件將動態數據按一定的格式存儲在文本文件中。 可以在數據前加上一些信息頭， 例如采集時間等， 可由Excel等文本編輯器打開查看其內容。

(2) TDM Streaming文件(TDMS文件)。 該文件是LabVIEW8.2對TDM文件的改進。 比TDM文件的讀寫速度更快， 使用更簡單方便， 因此非常適合用來存儲數量龐大的測試數據。

針對虛擬電爆管測試儀測試需求， 使用LVM文件格式較為合適。 具體設計為在一個執行次數為10次的For循環中， 添加一個寫入測量文件VI， 設置相關參數， 如文件存儲路徑、 文件存儲格式等即可。

4　仿真實驗

利用設計好的虛擬電爆管引信測試儀， 進行仿真實驗， 論證設計的可行性和可靠性。 同時， 利用WEB發布工具將測試軟件發布到局域網中， 用戶只需要一臺接入局域網的電腦， 利用瀏覽器就可以實現測試功能[10]。

電爆管引信測量參數中制導艙的氮氣瓶和熱電池點火器電阻標準范圍大致為0.4～1.0 Ω。 具體的測試界面如圖4所示。

圖4電爆管引信測試儀軟件界面

表1　氮氣瓶點火器電阻測量值分析表

表2　熱電池點火器電阻測量值分析表

根據相關理論公式， 最終系統的誤差為

(1)

由式(1)可知溫濕度的相對誤差值分別為0.642%和0.519 7%， 考慮到規定的電爆管引信測試儀的誤差為±1.5%， 該電爆管引信系統測試數據完全符合測試要求。 與現在使用的測試儀5%的精度相比， 具有一定的優越性。

從仿真實驗結果可以看出系統基本能夠滿足對相關參數的測試要求。 軟件設計和硬件設計符合電爆管引信的測試需求， 簡化了測試流程， 減輕了操作人員工作量， 滿足航空彈藥快速應急保障的需求， 對于實現航空彈藥保障裝備信息化具有重要的意義。

5　結　　論

本文分析了傳統電爆管引信測試儀的不足之處， 利用LabVIEW 2012編制了虛擬電爆管引信測試儀的主界面， 及各模塊(制導艙參數測量部分、 戰斗部起爆器參數測量部分、 火箭發動機參數測量部分以及近炸引信引爆電容參數測量部分)的前面板和框圖程序， 實現了對電爆管引信參數的測試和分析功能。

同時， 本文對電爆管引信測試儀系統的功能研究仍然不足， 還需要進一步的開發研究； 數據存儲模塊只完成了向記錄文件的存儲， 沒有實現向Excel表格的存儲[12]， 這一方面有待進一步完善； 所開發的虛擬電爆管引信測試儀遠程測試功能不夠完善， 需進一步利用WEB開發技術實現真正意義上的遠程測試。

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Design of Certain Missile Electric Detonator Testing Instrument Based on LabVIEW

Wang Qian1， Lin Jiazhe1， Xie Nan2

(1.Department of Aviation Ammunition, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China；2. Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

The technology of virtual instrument is widely used in airborne ammunition testing equipment for its diverse functions, accurate measurement and easy integration. Selecting a certain type of missile electric detonator testing instrument as the research object and aiming at the problem of this testing instrument, the new testing instrument is designed by virtual instrument technology. It can effectively eliminate the error in test, realize the data acquisition, display, storage and data processing, and improve the reliability and accuracy of the testing instrument. Meanwhile, using the WEB publishing tools of LabVIEW, the virtual instrument can be applied into local area network to achieve the function of remote testing.

electric detonator; virtual instrument; data acquisition; LabVIEW; testing

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.015

2016-01-05

王茜(1967-)， 女， 安徽蕭縣人， 碩士， 副教授， 研究方向為機載彈藥技術維護。

TP430.6

A

1673-5048(2016)03-0066-05