基于虛擬儀器的浮空飛行器閥門試驗臺測控軟件設計

孫銀娣， 黃 濤

(中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035)

當下是信息現代化、通信網絡化、人工智能化的時代，浮空飛行器的發展面臨著前所未有的機遇與挑戰。浮空飛行器的設計是一個系統工程，涉及的專業眾多，包括飛行控制、導航制導與控制、通信、壓力調節與控制等。其中壓力調節與控制系統是浮空器設計的關鍵，該系統用于保證浮空器的氣動外形和運行安全，因此對其控制元部件(如氦氣閥門、空氣閥門、風機等)工作性能參數的檢測與試驗分析極其重要，是閥門試驗臺測控系統的核心任務。

國內外各個領域的測控系統設計實例眾多，南京航空航天大學的馬培圣等[1]構建了基于數傳電臺的無人機測控系統，用于防空探測系統和防空武器系統的功能和性能測試，提高了靶機測控系統的可靠性；大連理工大學的楊波[2]利用LabVIEW對發動機試驗臺架測控系統進行設計，實現了參數自動采集、實時監控、數據記錄與處理等功能，滿足發動機臺架試驗的各項需求；2020年5月SpaceX公司載人龍飛船順利升空并完成與國際空間站對接，其中地面軟件采用LabVIEW開發用于任務和發射控制的GUI(Graphical User Interface)，供工程師和操作人員監控飛行器遙測和指揮火箭、航天器、平臺支持設備[3]。目前，針對浮空器壓力調節與控制系統元部件級功能與性能的測試與試驗的研究文獻不多。該閥門試驗臺是為滿足中國特種飛行器研究所浮空器型號研制需要而專門研制的試驗設備，能夠用于測試和驗證閥門的密封性與功能、壓力-流量特性等，為相關閥門的功能、性能鑒定和設計改型提供了試驗依據。

考慮到閥門試驗臺通用性、開放性和快速原型設計需求，綜合現代成熟的測試與控制技術、傳感器技術、壓力調節與控制系統特性，設計并開發了基于虛擬儀器技術[4]的浮空器閥門試驗臺測控系統軟件，可實現試驗測試數據的實時采集和監控顯示、試驗特征變量的分析與計算、試驗數據的存儲和導出、試驗設備(如風機、閥門)的控制、試驗項目的配置管理、試驗流程控制等功能。軟件設計利用虛擬儀器領域最具代表性的圖形化編程開發平臺LabVIEW。LabVIEW是NI公司推出的一種面向儀器的交互式圖形化編程環境，也是目前世界上非常流行的測試程序開發環境[5-7]。其強大的圖形數據庫有利于為開發者提供友好的圖形化界面，且便于用戶進行二次開發。

該測控軟件最終在閥門試驗臺上完成了測試及驗證，保證了閥門測試試驗的順利開展，是浮空器壓力調節與控制系統元部件級工作功能與性能的測試與試驗的一次全新嘗試，且意義重大。

1 軟件設計與實現

1.1 軟件功能需求分析

閥門試驗臺主要由臺架、氣源、手動節流閥、儲氣容器、標準容器、流量控制閥和測控系統等組成。閥門綜合試驗臺測控系統用于完成試驗數據的測試采集與顯示、試驗設備的控制、試驗項目的配置管理、試驗數據的存儲處理等。根據浮空器閥門試驗任務需求和試驗臺對測控系統的功能需求，軟件設計需滿足以下基本功能。

① 資源管理功能：用于管理測控系統的硬件資源配置文件，測控系統主要硬件設備包括研華的PCI工控機、PCI-1716板卡、PCLD-8710接線端子板、傳感器組等。

② 試驗配置管理功能：根據試驗任務要求進行試驗配置，配置內容包括被測閥門型號選擇、試驗項目選擇、試驗名稱定義、試驗測試通道配置等。

③ 數據采集功能：能夠根據數采通道的配置，對傳感器數據進行測試、采集和調理等。

④ 數據顯示功能：能夠實時顯示采集試驗數據，也可在試驗結束后回放采集的數據，可以通過組態的方式配置顯示界面，可配置示波器顯示、數值顯示、表格顯示、過程曲線顯示等。

⑤ 數據處理功能：具有數據運算功能，能進行試驗特征參數計算，實現對閥門性能參數的監控，能根據試驗要求繪制采集參數關系曲線。

⑥ 數據存儲功能：能夠存儲數采終端采集的模擬量和開關量數據。

⑦ 數據查詢、導出功能：能根據試驗要求按照時間和試驗名稱進行試驗數據查詢，并能導出試驗數據，可生成*.xls、*.txt等標準格式的數據報表。

1.2 軟件設計原則

(1) 模塊化設計。

測控軟件采用模塊化設計架構，相對獨立的功能模塊劃分在不同的VI(Virtual Instrument)或子VI程序中實現，其優點是程序代碼可讀性高，并且容易維護、便于開展二次開發。用戶可以根據實際任務需求基于基礎功能增加擴展模塊，擴展模塊與現有模塊之間可無縫銜接。

(2) 通用化設計。

軟件平臺通用性強，硬件設備可使用行業標準與成熟的仿真機、工控機、PCI/PXI總線方式控制器、板卡等，不限定使用特殊或專用的硬件平臺，可方便軟件的快速部署以及后期測控平臺的快速擴容。同時，軟件在設計之初考慮了測試與控制的對象涵蓋所有浮空器型號系列閥門，增強了整個平臺系統的通用性和適用性。

(3) 軟件可擴展性和靈活性強。

軟件平臺能夠支持的板卡種類與數量多達上百種，并全部提供原生硬件驅動支持，無須經過復雜的底層調用開發工作，可使系統進行快速、高效的擴展，使系統具備極強的重構能力。

(4) 軟件人機交互性良好。

軟件人機界面友好，美觀大方，符合人機交互原則，便于試驗人員通過最簡便、最少操作完成既定測試與控制任務和試驗任務。

1.3 軟件設計流程

軟件編寫采用“自頂向下逐層分解”的方式，將各項資源和信息整合后再進行功能模塊和VI劃分，這樣的方式提高了軟件設計和使用的靈活性和擴展性[8]。基于行業標準與成熟的軟硬件架構，采用標準化與定制化結合的方式進行各功能模塊和VI的設計。

測控軟件設計流程如圖1所示，對應的功能模塊包括用戶入口主程序、登錄管理模塊、數據后處理模塊、傳感器零位調定模塊、傳感器系數標定模塊、數據采集/試驗模塊、耐久性測試閥門自動控制模塊等。

圖1 測控軟件操作流程圖

用戶入口主程序是閥門綜合試驗臺的主程序，登錄管理模塊用于實現用戶登錄管理，通過密碼保護實現準入允許，并允許用戶修改和保護登錄的密碼。數據后處理模塊允許用戶進行數據查詢、曲線回放和數據導出。傳感器零位調定模塊可實現對激光位移傳感器數據進行清零操作，即實現線位移測試數據的零位校準。傳感器系數標定軟件模塊用于對模擬量測試通道進行線性標定計量，標定公式為y=k·x+b。

數據采集/試驗模塊是開展數據采集和試驗任務的程序，主要實現數據實時采集、數字和曲線顯示、特征數據計算、數據存儲；對試驗設備和試驗對象實施人工控制，即手動控制閥門和風機開啟、關閉；數據采集及板卡健康狀態檢測；試驗流程控制等功能。

耐久性測試閥門自動控制模塊用于對試驗設備和試驗對象實施自動控制，即控制閥門自動開啟、關閉，可以設置閥門工作循環次數、閥門每兩個工作循環之間的間隔時間、閥門每個工作循環內開啟和關閉的間隔時間；顯示閥門開關狀態、閥門工作循環總次數和當前工作循環次數；應嚴格按照時間進行自動控制,包括對試驗設備和試驗對象實施手動控制，如手動控制風機、閥門開啟和關閉；顯示風機、閥門開關狀態。

1.4 軟件程序設計

基于閥門綜合試驗臺測控系統的硬件架構，測控軟件的運行環境定為Windows操作系統，開發環境采用LabVIEW。每個功能模塊采用獨立的VI編程實現，多個VI構建一個項目工程，以此開發出一套完整的測控軟件程序包。

測控軟件程序包的每個VI由兩個部分組成：前面板和程序框圖。前面板主要用于用戶界面的設計與開發，程序框圖主要實現軟件邏輯設計與代碼開發。

1.4.1 用戶界面設計

用戶界面設計即前面板設計。前面板模擬真實儀器面板，能夠實現測量數據的實時顯示和對試驗設備的控制，并且擁有豐富的數據顯示和控制控件，滿足不同用戶對虛擬儀器面板樣式的需求。前面板可以模擬真實儀器功能按鍵、提供數據輸入功能，使用戶通過鼠標單擊即可完成相應的按鍵操作，以及通過數據輸入框、下拉列表、旋鈕等即可實現數據輸入。

在進行前面板設計時需要充分考慮布局合理化問題，合理規劃功能區塊，將常用、關鍵功能區塊布置在頁面的顯要位置。在控件選用和布置方面多做“減法”，將不常用的控件和功能模塊隱藏，以保持界面的簡潔，使用戶專注于任務操作流程，這樣有利于提高軟件的易用性和可用性。用戶界面顯示信息的含義和顏色要明確，控件名稱和指示信息應易懂、準確，使用戶接觸軟件后對界面上對應的功能一目了然，不用查閱幫助文件就能知道該界面的功能并進行相關的正確操作。另外，在程序設計時還需考慮防誤操作處理，減少軟件因用戶人為錯誤而引起的破壞。

按照上述用戶界面設計原則，設計并開發了每個VI的前面板，包括功能模塊選擇按鍵、試驗任務信息顯示、終端設備健康巡檢顯示、試驗數據顯示、試驗參數設置、試驗設備控制、特征參數時域圖等。以閥門綜合試驗臺主程序和數據采集程序為例，設計效果如圖2和圖3所示。

圖2 閥門綜合試驗臺主程序用戶界面

圖3 數據采集用戶界面

1.4.2 程序框圖設計

程序框圖設計主要實現軟件邏輯設計與代碼開發。LabVIEW程序本質上是一種帶有圖形控制流結構的數據流程序，通過程序框圖中的輸入端口和輸出端口、函數選板的函數節點、連線形式進行編程[9-12]。

本軟件程序框圖設計根據實際測試需求和試驗任務過程，分為程序流程控制和獨立執行模塊兩大部分進行設計，其中獨立執行模塊包括數據標定、數據調零、數據采集、數據處理、閥門自動控制等子功能模塊。

對于程序流程控制部分，采用狀態機設計模式，實現試驗任務信息獲取與顯示、設備健康狀態巡檢(包括輪詢采集板卡和數據存儲硬盤)、試驗流程控制等。另外，在前面板設置了試驗流程控制界面，通過使能和失能控制按鈕的方式編制程序代碼，引導用戶按照試驗流程或試驗步驟開展試驗過程。測控任務狀態機邏輯如圖4所示。

圖4 測控任務狀態機邏輯圖

對于獨立執行模塊部分，不同的子功能模塊由不同的子VI文件設計實現，在多個子VI之間或者同一VI不同線程之間采用同步控制技術實現同步任務和交換數據。LabVIEW中提供了“同步”函數選板，包括通知器操作、隊列操作、信號量、集合點、事件發生、首次調用函數。本程序利用LabVIEW里面的隊列操作、并行循環設計模式，同步執行不同子VI文件的工作任務。

對于數據采集部分，從LabVIEW測量I/O函數選板/DAQNavi/Data Acquation，選擇對應于研華采集板卡的函數VI，設置采集通道、采樣方式、采樣頻率、采樣數等參數，建立數據采集和數據輸出任務，實現與傳感器組、流量控制閥、閥門、風機實時交互數據，該部分的任務周期設定為10 ms，數據顯示刷新周期為40 ms。

對于數據存儲部分，試驗數據存儲采用TDMS(Technical Document Management System)文件格式。TDMS文件是NI公司用于測試測量領域的通用數據文件格式。TDMS文件是一種二進制記錄文件，兼顧了高速、易存取和方便等優勢，能夠在各種數據分析或挖掘軟件之間進行無縫交互，也能夠提供一系列API函數供其他應用程序調用。TDMS文件采用三層邏輯結構，即由文件、通道組和通道這3個部分組成。文件對象處于最頂層，其次是通道組對象，最底層是通道對象。LabVIEW提供了專門的TDMS文件函數選板，如TDMS打開函數、TDMS寫入函數、TDMS讀取函數和TDMS關閉函數等[13-14]。

由于數據存儲比較耗費時間，當數據存儲量較大時，將會嚴重影響其他程序的執行速度。因此，采用隊列形式，將待存儲數據封裝成數據簇，存入數據存儲隊列，數據存儲線程等待并讀取存儲隊列中的數據，然后依次將其存儲于計算機中。數據存儲程序框圖如圖5所示。

圖5 數據存儲程序框圖

2 試驗測試

本測控軟件已在閥門綜合試驗臺上完成集成、調試和驗收，測控軟件的各個模塊功能運行正常，能夠滿足浮空器閥門綜合試驗需求。為進一步驗證該軟件的實用性和可靠性，設計并開展了密封性測試試驗、開啟壓力/回座壓力測試和動作性能測試。

下面以密封性測試試驗為例進行說明。按照試驗流程操作測控軟件，在主程序界面上登錄軟件后，根據功能模塊指示信息進入數據采集VI界面，在此界面上開啟羅茨風機、向流量控制閥發送不同數值的充氣流量指令，同時觀察虛擬示波器上儲氣容器差壓數值曲線，當其基本持平時，關閉風機、調整充氣流量為0，再次觀察虛擬示波器上儲氣容器差壓曲線變化情況，待曲線再次基本持平持續3 min后停止試驗并保存試驗數據，試驗結束后對記錄的試驗數據做進一步事后處理和分析。繪制儲氣容器差壓時間歷程曲線如圖6所示，充氣流量分別為4 L/min、8 L/min、12 L/min、70 L/min時，某型號閥門的開啟壓力基本維持在887～891 Pa，回座壓力基本為690～700 Pa，并且差壓變化規律符合預期。多次測試結果證明該測控軟件運行的有效性和正確性。整個試驗測試過程軟件功能運行良好，并且從未出現程序故障和無故死機現象，運行的可靠性高。

3 結論

本測控系統軟件設計采用LabVIEW軟件開發，很好地將信號采集、處理、控制與試驗對象有效集成，為浮空器閥門綜合試驗提供了很好的通用測控平臺，可服務于多種型號浮空器閥門的測試試驗。

圖6 不同充氣流量下儲氣容器差壓時間歷程曲線

軟件采取通用化、模塊化和結構化的原則進行設計，提高了軟件模塊的獨立性，其優點如下：

① 軟件開發和調試階段，可快速定位和排除代碼錯誤，方便修改軟件代碼。

② 軟件作業階段，獨立模塊設計使用戶能夠快速訪問所需的功能模塊，實現快速和有效操作。

③ 后期維護階段，容易實現代碼二次開發和軟件平臺功能擴展。