基于虚拟仪器的装定器检测方法

李红英,杜 军,杨金刚,刘芒龙

(西安机电信息研究所,陕西西安 710065)

0 引言

目前的装定器检测其设计较复杂,灵活性差,没有摆脱独立使用与手工操作的模式,且测试系统通用性较差,整个测试过程几乎仅限于简单的模仿人工测试的步骤,不适用于一些较为复杂及测试参数较多的场合,且其设计主要是基于VB、VC等文本编程语言,虽然这类语言的灵活性好,执行效率高,但若要在采集的同时将数据实时绘制成图形,对不熟悉VB与VC编程的人来说有一定难度,而数据的分析处理也只能借助于其他工具(如 Matlab、DSP)才能实现,针对这些问题,本文提出了虚拟仪器检测装定器的方法。

1 虚拟仪器与装定器检测方法

1.1 虚拟仪器概述

虚拟仪器(Vitrula Instruments,VI)是在一台计算机上配备应用软件和低成本硬件完成传统仪器的功能。虚拟仪器由I/O(输入/输出)接口设备进行信号的采集、测量和调理,利用计算机显示器模拟传统仪器的控制面板,由用户设计虚拟面板,以多种形式表达输出检测结果,并利用计算机强大的软件功能实现信号数据的分析、运算和处理,从而使计算机具有各种测试功能。虚拟仪器可使用相同的硬件系统,而通过不同的软件就能实现功能完全不同的测试功能,软件是虚拟仪器的核心[1-2]。

虚拟仪器技术首先由National Instrument公司于20世纪80年代提出,目前运用最广泛的是该公司LabVIEW软件和数据采集设备。LabVIEW是一个基于G语言的图形化编程系统,应用于数据采集与控制、数据分析以及数据表达等方面。用户可通过多种设备进行数据采集,包括:GPIB、VXI、串口设备(RS-232/Rs_485)及采集卡等。LabVIEW附带功能强大的数据分析和信号处理软件包,可满足各种计算和分析需要。

1.2 装定器检测方法

目前的装定器检测方法主要由3个功能模块组成:信号的采集与控制,信号的分析与处理,结果的处理与表达。其信号采集与控制主要依靠AD器件和主控MCU(单片机)[3],信号分析与处理主要依靠DSP或Matlab,装定器检测原理框图如图1所示。

图1 装定器检测原理框图Fig.1 The detecting functional block diagram of setter

2 基于虚拟仪器的装定器检测方法

虚拟仪器的装定器检测方法就是基于虚拟仪器技术构建,采用NI的数据采集卡,配合Labview软件在Window s平台下开发测试软件,采用软件识别采集的编码信号判断装定器外部参数是否正常,来作为装定器工作是否正常的根据。根据待测装定器的工作时序及数据检测特征,设计模拟火控系统,用以完成与装定器之间的数据相互传输。数据采集卡通过信号调理模块,采集完整的装定器数据,送往计算机将其实时显示以及通过Labview软件的信号处理工具包进行数据处理,最后汇报测试结果。

装定器测试系统采用主从机控制方式。工控机作为上位机模拟火控系统,按照测试时序发送控制指令及测试数据给装定器及检测仪(包含信号调理模块和采集卡),检测仪根据指令完成对装定器的数据采集,并发送给上位机。上位机对接收到的数据进行存储并处理,通过打印机输出测试报表。通过上述方法就能很好地解决引言中所提到的局限问题。基于虚拟仪器的装定器测试系统原理框图如图2所示。

图2 基于虚拟仪器的装定器测试系统原理框图Fig.2 The setter test system functional block diagram based on virtual instrument

虚拟仪器中软件就是仪器,仪器就是软件,所以软件编写是基于虚拟仪器的装定器检测方法的关键步骤。该测试系统程序利用的就是NI Labview8.5的软件进行设计,它的主要任务就是完成对数据的采集、波形的实时显示与某通道波形的回放、数据的存储处理和测试结果。由于要采集的数据量很大且采样间隔也很短,仅为几毫秒,当采用单线程来完成所有的工作时难以满足要求,所以该程序采用多线程来编程。另外为了便于更好地管理采集回来的数据,该程序将数据存储在 Labview软件自带的TDMS格式文件中并将测试数据与结果放到数据库里,以便于查询和测试结果的比对。

整个检测系统软件采取模块化的思想,自顶向下设计。该系统人机交互界面友好,使操作者方便完成相应的操作。采用生产-消费者结构(NI公司的一种编程模式),其事件可生成队列项。通过响应事件实现代码的异步执行,同时不影响用户界面的响应速度。整个软件总体结构如图3所示。

软件平台设计主要包括VISA仪器驱动程序、菜单设计、参数设置界面等模块,最终软件系统由一个共用平台控制实现多个硬件间的多个同步操作,而且软件界面友好,操作方便,实现了装定器检测的自动化检测[4-5]。

图3 软件总体结构图Fig.3 The general chart of software

3 装定器测试系统的性能验证与检测结果的精度分析

3.1 装定器测试系统的性能验证

测量数据的图形化实时动态显示是测试仪器必备的功能,像常见的数字示波器、频谱分析仪等仪器都具有能够显示测量信号波形和仪器工作状态的CRT荧光屏。Labview通过波形显示控件即实时趋势图控件。实时趋势图控件把新的数据连续添加到已有的数据的后面,波形是连续向前推进显示的,这样就可以很清楚地观察到装定器数据码的变化过程,能实时监控待测参数的变化。

本测试系统数据的实时显示是将装定器的多路信号,在“通道回放”一栏中通过选择,显示他们某通道的波形,当回放时,显示的波形还可以进行放大和缩小变换。本测试系统显示某通道波形图如图4所示。

图4 测试系统某通道波形图Fig.4 The test system some channel waveform

装定器测试的目的在于获取装定器的性能、状态或特征,所以数据采集只是测试工作的第一步,数据的分析和处理构成测试系统的重要组成部分之一。传统的装定器数据处理通过DSP或Matlab等其他工具,而本文利用Labview软件内容丰富、功能强大的分析工具包,完全可以胜任复杂的数据分析和处理工作。图5就很好地体现了将数据实时绘成波形图,其数据处理都在后台调用工具包,其测试结果在本次运行完后即在“结果”按钮中显示合格与否,使测试人员一目了然地明白测试结果。

图5 装定波形图Fig.5 Setting waveform

3.2 检测结果的精度分析

装定器在模拟引信负载的情况下,输出的编码信号电压幅度要求满足(5±0.5)V,本方法中的采集卡具有16位的采样分辨率,其理论值可以达到52 μV的最小电压精度,编码信号的码元宽度有10μs和30μs两个值,精度在±10%,误差在1μs和3μs以内,采样率为10 MHz,完全能够满足信号幅度及码元宽度的测量要求。

采用标准信号源Agilent3220分别输出2 V,5 V,10μs,30μs,1.2 ms,5 s特征波形,使用本测试系统及Agilent54622D示波器分别测试5次,求得测试结果误差,测试对装定器的19路通道分别进行,其最大测量误差结果如表1。

表1 测试系统最大误差Tab.1 The test system maximum error

表1数据表明本测试系统高出测量精度一个数量级,完全能够满足信号的测量要求。

4 结论

本文提出了基于虚拟仪器的装定器检测方法。该方法将采集的数据正确地以实时图形的方式显示且利用Labivew软件自带的工具包分析和处理实时数据。实测结果表明:该方法不仅能实现对装定器信号的高速数据采集,而且能将采集的数据正确地以实时图形的方式显示,从而解决了在文本编程语言下实时图形绘制难的问题,同时利用 Labivew软件自带的工具包解决了数据的分析处理只能借助于其他工具(如Matlab、DSP)才能实现的问题,满足了对装定器信号采集和分析的要求,真正地体现了“软件就是仪器,仪器就是软件”的思想,对进行装定器测量、分析具有普遍应用价值。

[1]杨乐平,李海涛.Labview高级程序设计[M].北京:清华大学出版社,2008.

[2]郑人杰,殷人昆.实用软件工程[M].北京:清华大学出版社,2002.

[3]谭浩强.C程序设计(第三版)[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4]郝新红,崔占忠.虚拟仪器技术在无线电射频干扰试验中的应用[J].探测与控制学报,2004,26(4):49-51.HAO Xinhong,CUI Zhanzhong.Aplication of virtual instruments technology to experimental/RF Jaming system for radio fuze the setter testing system[J].Journal of Detection&Control,2004,26(4):49-51.

[5]盖希强.电子时间引信动态参数测试系统设计[J].四川兵工学报,2006,(1):32-35.GAI Xiqiang.Design of electronic time fuze dynamic parameter test system[J].Sichuan ordnace,2006,(1):32-35.