一种基于LabVIEW虚拟仪器技术的鱼雷合作信标检测方法

谢 胜, 尚 凡, 林少兴



一种基于LabVIEW虚拟仪器技术的鱼雷合作信标检测方法

谢 胜, 尚 凡, 林少兴

(中国人民解放军91388部队, 广东 湛江, 524022)

现有鱼雷合作信标检测系统基于分立元件设计, 设计复杂、通用性差, 测试过程依靠人工操作和记录, 检测时间长、效率低。针对这些问题, 提出了一种基于虚拟仪器技术的鱼雷合作信标检测方法。该方法采用高性能数据采集卡作为测控硬件, 充分利用LabVIEW软件强大的仪器控制和信号采集功能, 实现了合作信标信号一体化采集、分析处理和显示存储等功能。实际使用结果表明, 基于该方法的测试系统具有人机界面友好, 操作简单、测量精度高, 能够满足各型号鱼雷合作信标的测试要求。

鱼雷; LabVIEW软件; 数据采集; 虚拟仪器; 信标

0 引言

目前鱼雷合作信标检测系统采用分立元件或模块构建, 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, 检测功能完全固化难以升级扩展; 长期使用后存在器件老化、阻容参数变化大等问题, 导致测量精度显著下降、工作状态不稳定等现象, 而且只能人工操作和记录结果, 检测时间长、自动化程度低。由于合作信标待测的信号种类多, 不仅有模拟信号、数字脉冲信号和开关控制信号等, 而且待测信号参数多, 如对于数字脉冲信号, 不仅要测量其频率、周期和脉冲宽度, 还要测量脉冲相对时延信号等参数。由于信标接口不规范, 通用性较差。为解决上述问题, 本文提出了基于LabVIEW虚拟仪器的鱼雷合作信标检测方法。

1 虚拟仪器与LabVIEW语言概述

1.1 虚拟仪器

虚拟仪器(virtual instruments, VI)是针对计算机的一个概念, 它通过编程使计算机实现特定仪器设备的一种软件系统[1]。虚拟仪器通过输入/输出接口设备完成信号的采集测量, 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分析、运算和处理, 从而使计算机具有各种测试功能[2]。

1.2 LabVIEW语言

LabVIEW是一个基于G语言的图形化编程系统, 它将计算机强大的数据处理能力与仪器的硬件测试控制能力很好地结合在一起, 应用于仪器采集与控制、数据分析以及数据表达等[3]。LabVIEW内置了各种用于控制数据采集卡的虚拟仪器模块, 便于与实现硬件连接, 同时LabVIEW封装了大量输入输出控件, 为波形信号和其他信息的显示提供了便利, 因此利用LabVIEW语言可以轻松构建用户所需的虚拟仪器[4-5]。

2 基于虚拟仪器的合作信标检测方法

目前的合作信标检测方法主要依靠人工操作信标检测系统前面板开关、按钮或旋钮, 通过A/D器件模块、定时器模块和计数器模块和LED显示器等模块完成模拟和数字信号采集测量和显示; 测量结果依靠人工分析并判断是否正常或合格; 测量结果记录和存储也只能由人工输入计算机并制作成word, excel等格式检测表, 最后通过打印机打印输出。

基于虚拟仪器的合作信标检测方法以NI (National Instruments)数据采集卡和计算机为测控平台, 在Windows系统下利用LabVIEW语言开发测试软件, 依托计算机系统丰富的资源、高速处理能力和LabVIEW软件丰富强大的软件资源来实现鱼雷合作信标信号采集控制、分析处理、显示存储与信息共享, 整个检测过程无需人工干预。图1为基于虚拟仪器的信标检测系统示意图。

图1 基于虚拟仪器的合作信标检测系统原理框图

2.1 基于虚拟仪器的合作信标硬件设计

根据前述设计思想以及待测信标的信号类型和特点, 构建如图2所示信标测试系统。测试系统分别由电缆适配器、模拟数字信号调理电路、数据采集卡和计算机等组成, 最大可对32路单端模拟(或16路差分)信号和48路数字信号进行采集测量, 同时能产生4路模拟输出信号, 完全能满足各种信标测试测量的需求。

图2 鱼雷合作信标检测系统总体组成框图

电缆适配器按照统一接口标准对信标信号进行分类排序和屏蔽保护, 可方便与各种型号信标接口, 解决信标接口不兼容的问题。模拟数字信号隔离电路主要由模拟信号输入输出隔离、数字输入输出隔离电路、电源管理单元、控制单元等组成, 用于对模拟和数字输入输出信号进行调理, 并提供合作信标启停、预热等控制逻辑接口。数字信号隔离器件采用ADI公司AduM7510芯片, 模拟信号隔离器件采用T5550有源高精度变送器。信号隔离电路采用冗余设计便于日后升级和扩展。采用NI公司X 系列USB-6353数据采集卡[6], 它内含4个通用32位计数器、1片高速16位A/D、1片高速16位D/A转换器和丰富模拟数字I/O接口等硬件资源, 能够实现复杂模拟和数字混合信号采集测量。在检测软件控制下, 计算机配合数据采集卡完成信标启/停控制、信号采集测量、分析处理、显示存储、数据检索和查询与打印等功能。

2.2 基于虚拟仪器的合作信标软件设计

软件就是仪器,仪器就是软件[2]。所以虚拟仪器软件编写直接关系到合作信标测试系统的性能和使用效果。本检测软件采用LabVIEW 语言进行开发, 提供了很多外观与传统仪器(如示波器、仪表盘等)类似的控件, 可用来方便地创建用户界面, 这给编程带来了极大的便利, 而且附带数据采集卡的驱动程序, 使用简单、操作方便。

由于要采集的信号参数多, 检测软件采取层次化、模块化思想进行自顶而下设计, 以实现软件的通用性、可维护性和扩展性。检测软件平台设计主要包括用户界面、参数设置界面、参数设置和采集测量子VI模块等, 软件总体结构如图3所示。图4 为软件流程图。

在LabVIEW检测软件控制下, 计算机向数据采集卡发出启动信标指令, 信标信号经过调理后由数据采集卡进行采集测量, 采集后的数据送入计算机进行分析处理、显示存储或打印归档。借助LabVIEW软件的ActiveX技术, 检测软件可将测试数据转换为Word, Excel等格式检测表, 并利用LabVIEW软件附带的TCP/IP工具包来构建网络通信接口, 实现测量数据网络传输与共享, 从而真正实现了信标一体化、自动化和信息化测试测量的要求。

图3 软件总体结构

图4 检测系统软件流程图

检测系统软件操作界面如图5所示。LabVIEW使检测系统的操作得到极大的简化, 所有的操作均在操作界面前面板上用鼠标点击操作界面的按键或旋钮完成, 操作非常简单方便。操作界面主要分为4个区域: 状态指示区、系统控制区、检测项目区和测量结果显示区。状态指示区指示当前系统工作状态和检测进度; 系统控制区主要由各种虚拟开关、按钮和指示灯组成, 完成信标启停控制、恒温晶振预热控制、内外同步切换等操作。检测项目区提供手动操作和自动操作模式, 可根据需要选择完成信号检测。数据显示区实时显示当前测量项目结果, 并自动判断测量结果是否正常或合格。

图5 信标检测系统操作界面

3 性能验证与检测结果精度分析

采集卡基准频率为10 MHz, 具有16位的A/D采样分辨率和32位通用计数器, 其理论值可以达到52mV的最小电压精度和1ms的最小时间精度。采用标准信号源Tektronix AFG3021B分别输出100 kHz, 3 V, 1 V, 2 ms特征波形, 使用本测试系统及Tektronix TDS2012B示波器分别测试10次, 求得测试结果误差, 其最大测量误差结果如表1。从表1可看出, 本测试系统具有很高测量精度, 完全能够满足信标信号的测量要求。

表1 测试系统最大误差

4 结束语

本文设计的基于LabVIEW的鱼雷合作信标检测系统, 已在多种型号鱼雷合作信标测试测量中得到了应用。实际使用结果表明, 该系统完全满足信标信号测量所提出的指标要求。整个测量系统自动化程度高, 操作简单, 测量精度高, 测量速度快, 降低了操作人员的工作强度, 取得了很好的测量效果。同时该系统在软硬件采用了通用化和标准化设计, 经适当完善后, 完全可应用于鱼雷其他系统的检测, 这对于简化鱼雷检测设备、实现检测设备的通用化, 具有较好的可借鉴价值。

[1] 田甜, 李启虎, 王磊, 等. 基于虚拟仪器技术的多路水声信号同步采集及处理平台设计[J]. 应用声学, 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] 李红英, 杜军, 杨金刚, 等. 基于虚拟仪器的装定器检测方法[J]. 探测与控制学报, 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] 陈锡辉, 张银鸿. LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M]. 北京: 清华大学出版社, 2007.

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

[5] 陆绮荣. 基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006.

[6] National Instruments China. NI X系列USB-6353采集卡数据手册[M/OL]. Shanghai: National Instruments China, 2010[2014-2-23].http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang /zhs/nid/209072.

(责任编辑: 许 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.

谢 胜(1976-), 男, 硕士, 工程师, 研究方向为水声测控.