基于虚拟仪器的引信定时器测试系统

王 冠，李 波，张 亚

（中北大学机电工程学院，山西太原 030051）

基于虚拟仪器的引信定时器测试系统

王 冠，李 波，张 亚

（中北大学机电工程学院，山西太原 030051）

在引信定时器的批量产品参数测试中，传统的人工测量方式测试效率低精度差，针对这一不足提出了基于虚拟仪器的自动测试系统。虚拟仪器硬件部分应用了TiePie公司的最新产品Handyscope-HS4作为波形采集器，软件部分由Lab VIEW作为系统编程的开发平台。测试软件界面直观、操作简便，经实验测试表明该系统相比传统人工测量方式的效率与精度都有明显提升。在批量产品参数测试中得到了很好的应用，具有一定的实用价值。

引信定时器；参数测试；虚拟仪器；Handyscope-HS4

0 引言

引信中的电子定时器在炮弹发射过程中通过预定的时间定时控制点火电路引爆传爆序列，是电子定时引信的重要组成部分。电子定时器的相关参数是其性能评估的主要依据，其性能直接影响着引信的整体性能指标。

国内引信测试技术在很大程度上停留在手工测试阶段，或使用抽样试验方法来对其性能进行测试，这种方法存在着测试效率低、精度差的问题［1］。本文针对此问题，提出了基于虚拟仪器的引信定时器测试系统。

1 虚拟仪器技术

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，有着性能高、扩展性强、节约时间、无缝集成等四大优势［2］，在测试、测量、控制、设计等领域被广泛应用。

虚拟仪器硬件部分选用荷兰TiePie（泰谱）公司生产的Handyscope-HS4作为信号采集器。它可以提供四个信道来检测信号，并且提供最高5 MHz的采样率，每通道存储量128 Ksamples，采用USB2.0通信方式，传输速率可达480 Mb/s。满足了试验所需的四条波形信号同时接收与100 k Hz采样频率、100 Ksamples存储量的试验要求，是一款快速精确并有着大存储量的信号采集器。

虚拟仪器软件部分选用美国NI公司所设计的虚拟仪器开发平台-Lab VIEW，它是一种图形化的编程语言，软件界面设计与功能设计相互独立，修改人机界面无需对整个程序进行调整［3］。Lab VIEW利用数据流框图接受指令，这样就使得程序简单明了，缩短了虚拟仪器的开发周期，消除了虚拟仪器编程的复杂过程，充分发挥G语言的优点。Lab-VIEW现已广泛用于电子信息技术、测试测量、控制理论、振动分析、跨平台设计等应用领域［4-5］。

2 引信定时器测试系统

2.1 电子定时引信工作过程

选择以某引信发射前开始供电的电子定时器作为待测对象对其性能参数的测试技术加以研究。该定时器为时间固定型电子定时器，由滑膛炮发射。在发射前，通过发射装药尾管的次级线圈与炮座底部的初级线圈向发射装药尾管中的点火具和定时器中的二级电源（储能电容）感应充电，定时器中的RC定时集成电路上电复位后开始工作，定时器计时开始。约5～10 ms后，点火具引燃发射药，定时器飞离初级线圈，完成充电过程。经过固定延时，点火电路输出点火脉冲引爆传爆序列。

2.2 电子定时引信参数选择

选择与电子定时引信技战术指标、可靠性、安全性密切相关的重要性能参数加以研究。实验共测试4种电压信号曲线（充电电压、供电电压、RC电路端压、点火脉冲电压）作为待测特征参数的数据来源，各信号典型波形如图1所示。

图1 信号波形图Fig.1 Signal waveform diagram

充电电压：5～10 ms的电压脉冲，为电子定时器储能电容提供初始电能；供电电压：电子定时器在充电完成后储能电容的端压。在定时器工作过程中，定时器的供电电压是不断降低的动态过程，当供电电压降低到阈值以下时，可导致点火脉冲初始电压过低或RC定时模块故障，造成定时器瞎火等故障。因此这里将供电电压的初始电压与点火时的电压值以及电压的损耗率作为待测参数；RC电路端压：为电子定时器提供基准频率。它是保证电子定时器定时精度的关键参数。该电子定时器定时模块中的RC振荡电路在发射前即完成起振，这里以RC振荡器起振时刻与点火脉冲产生时刻之间的平均振荡频率作为待测参数；点火脉冲：定时时间到后控制电路提供的点火电压，它反映了当定时器记时时间到时其二级电源剩余能量能否有效引爆传爆序列的能力。试验时通过检测点火脉冲初始电压是否小于阈值来判断是否会造成定时器瞎火；定时时间：它是电子定时器从计时起点至输出点火脉冲的时间间隔。这里以外电源触发时刻作为计时起点，选择点火脉冲上升沿时刻作为计时终点，对定时时间进行测量。

2.3 测试系统的硬件模块

测试系统硬件模块由计算机、Handyscope-HS4采集器、脉冲波形发生器组成，测试系统组成关系如图2所示，其中箭头为信号转递方向。

图2 系统硬件组成关系Fig.2 System hardware composition

图2中计算机的操作系统为Windows xp/7，并装有Lab VIEW软件与采集器驱动软件，主要负责采集器的控制与波形信号的接收与参数获取；Handyscope-HS4为信号采集器，接收计算机发出的控制信号完成波形采集并传输到计算机中；脉冲波形发生器为自制可编程波形发生器，以51单片机为核心设定了脉宽为7 ms幅值为20 V的电压脉冲，由串口通信接收计算机指令为储能电容充电模拟炮弹发射时的充电脉冲信号。

2.4 测试系统的软件模块

软件是引信参数测试分析系统的核心，它的主要功能是完成整个测试系统的硬件控制与数据分析［6］。测试软件采用了模块化设计，各个功能相互配合交换数据实现软件的各个模块功能。软件系统共由5个模块构成，如图3所示。

图3 软件构成Fig.3 Software architecture

采集器通信模块：是软件与信号采集器通信的桥梁。利用此模块可将各种控制信号如采样频率、采样点、触发电平等重要的参数设置输入到测量设备中，并且可将采集器所接收的波形信号传输到测试软件。Lab VIEW提供了库函数调用的功能，通过调用硬件的动态链接库文件（Dynamic Linkable Library，简称DLL，是一个可执行、可多方共享的程序模块，库内存放的是可供应用程序使用的函数、变量等）进行软件平台的开发，使新的软件平台更适应测量的要求。动态链接库虽然是一个可执行模块，但它并不可以直接运行，它只是提供一群函数供Windows应用程序或其他动态链接库调用以完成其特殊任务软件［7］。使用其中的库函数须正确设定函数入口与出口变量的名称、数据类型、传递类型等。如图4为设置信道触发电平函数的设置对话框，byCh为选择触发电平对应通道的变量名，以无符号8位整型数值方式传递。

图4 库函数设置对话框Fig.4 Library function Settings dialog

TiePie公司提供了采集器的动态链接库文件使得第三方软件与采集器通信成为了可能。在采集器的驱动程序运行时，库函数程序就会与驱动程序进行通信传递数据与指令，之后驱动程序与采集器通信完成指令反之亦然。这样实现了第三方软件与采集器的匹配。如图5上半部为ADC-GetDataVoltCh函数的库调用程序，可实现对应通道的波形数据获取。调用框左侧为输入变量接口，变量1、2、3、4可确定通道ch1、ch2、ch3、ch4。调用框右侧为输出变量接口，返回8Byte双精度数组数据指针形式的波形数据。图5下部则为对4个通道的灵敏度、滞后触发电平、触发电平、触发模式的参数值设定，同样也是调用了对应的库函数，进行四次循环对输入变量赋值完成各通道的参数设置。

图5 库函数调用程序框图Fig.5 Library function program block diagram

参数测量模块：程序通过所设定的算法完成信号波形指定参数测量。测量的关键是找到对应的采样点，找到采样点就可得到其对应电压以及采样点之间的采样点数从而推算出时间间隔。截取采样点之间的波形又可对其进行波形的分析，测出指定参数。由于参数相互关联有先后产生的顺序，因此不可同级执行运算，必须以层迭式顺序结构进行。测量模块应用了4层顺序结构完成测量，如图6为顺序结构的第三层也是该模块程序的主要部分。程序的前两层完成了波形关键时间点的获取以及定时时间与点火脉冲初始电压，在此基础上将关键时间点作为输入变量利用索引数组VI、获取XY值VI将信号分离找出关键点对应值。利用获取波形子集VI将待测波形分离为单频检测、曲线拟合、极值寻点，第四层再根据前三层各参数数据进行运算，最后完成波形各参数测量。

DAT波形读取模块：根据DAT与LVM文件的资料格式，截取DAT文件的数据部分并与对应数据的LVM文件头合并，转换为Lab VIEW程序可读的LVM文件［8］。这样采集器通用程序的DAT类型波形就可被读取，增加了软件的通用性。如图7为该模块程序的主要部分，首先截取了DAT文件的数据部分，并利用搜索替换字符串VI将数据部分的格式与LVM数格式匹配，最后与LVM文件的文件头合并保存。值得注意的是此时生成的临时文件为打开状态，必须利用关闭文件VI将其关闭才可被后续程序打开使用。

图6 参数测量程序框图Fig.6 Parameter measurement program block diagram

波形显示模块：此模块通过库函数所传送的波形数据将波形显示在计算机上，并提供了相应的波形图控制功能如幅值、区域缩放、坐标等方便观察与分析。

图7 DAT波形读取程序框图Fig.7 Program block diagram of reading DAT waveform

数据管理模块：波形参数数据产生后需要对其管理存储，在写入数据时模块自动对每一组参数编号添加每次试验的环境温度参数，同时可任意修改或删除无效数据。试验完成后对波形参数数据以XLS文件形式存储，方便被Excel软件打开。同时软件可将参数的Excel数据以图表形式显示使数据更加直观方便数据的分析，数据管理模块前面板如图8。

图8 数据管理模块前面板Fig.8 Front panel of data management module

3 实验流程结果及数据精度分析

3.1 实验流程

正确连接设备后，运行VI测试程序（Virtual Instrument，简称VI，Lab VIEW程序后缀名）。初始化成功后，软件将设定好的采样频率、存储长度、触发电平、预触发值等参数传输到Handyscope-HS4信号采集器中，信号采集器接收到控制信号后开始工作，随后控制波形发生器为电子时间引信提供充电脉冲，电子时间引信开始工作。当充电脉冲达到软件设置的触发电平时，信号采集器开始采集电压信号，经过设定的采样时间后信号采集器将测量好的波形参数数据输入到计算机并由测试程序的波形显示模块显示波形信号，最后利用测试程序的参数测量模块进行测试与数据管理。

3.2 试验结果

如图9为一次测量完成后的软件界面，图中央为波形显示区域，显示了四条波形并以不同颜色区分。根据波形可判断预定的配置指令在采集器中得到了正确执行，数据传输快速准确，采集器与测试软件形成了良好的匹配。同时界面的左侧中部区域得到了对应波形的参数列表，经验证各采样点选点合理、参数计算准确。之后又进行了多组实验并利用数据管理模块对各组数据编排及存储。最后读取了DAT波形文件并成功测量其参数，实验总体效果良好。

图9 测试软件界面Fig.9 Mersurement software interface

3.3 数据精度分析

器具误差：采集器的电压分辨率有12 bit、14 bit、16 bit三种，其误差范围为0.2%of full scale ±1 LSB。这里选用了12 bit的分辨率以及40 V的量程，所以其电压误差范围为（0.080±0.001）V。而测试系统选取的采样率为100 k Hz，因此其最大测量时间误差为5μs。方法误差：由参数测量方法引起的误差。器具误差与方法误差是测试系统测量误差的主要组成。由于引信信号的不可重复性，测试系统测量误差是无法独立出来的，会与引信的自身误差所混合。但多组测量时的最大测量误差可作为测试系统测量误差的上限，因此，可反应测试系统的误差范围。这里进行20组测量并以均值为约定真值统计其最大误差如表1。

表1 参数最大误差统计表Tab.1 Maximum error of parameters

表1中各参数最大误差均在测量误差要求范围内，因此满足实验的精度要求。

4 结论

本文提出了基于虚拟仪器的引信定时器测试系统。该系统将Handyscope-HS4采集器的控制程序转到了Lab VIEW软件平台上并结合软件强大的信号处理功能设计了一种对应引信定时器参数计算程序与波形显示、数据管理等模块共同组成软件部分，操作简便界面直观。在测量电子定时引信的波形参数实验测试中运行快速参数准确，批量产品测试中相比传统人工测试也节省了大量的测量时间提高了测试精度，对引信研发测试有着一定的实用价值。该软件也具有一定的通用性。由于该采集器速度快、精度高、存储量大，因此可应用到各种高速测量实验中，这时只需把该软件参数测量模块改换就可完成对应实验测试。使该测试系统发挥其最大效用也体现了虚拟仪器技术的强大优势。

［1］王翠.基于虚拟仪器的引信时序电路测试系统的研制［D］.南京：南京航空航天大学，2008.

［2］虚拟仪器技术发展前景可期［J］.仪器仪表用户，2014（1）：53.

［3］韩学平，芮筱亭，杨富锋，等.基于Lab VIEW的引信机构控制与测试系统［J］.微电脑与信息，2008，24（16）：81-83.

［4］周鹏，许刚，马晓瑜，等.精通Lab VIEW信号处理［M］.第1版.北京：清华大学出版社，2013.

［5］陈锡辉，张银洪.Lab VIEW8.20程序设计从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［6］程顺，贾永红，刘志.基于LabVIEW的电容近炸引信综合参数测试系统的研究［J］.探测与控制学报，2003，25（S）：29-32.

［7］刘敏林，刘伯运，宋智勇，等.虚拟仪器技术及其在振动测试中的应用［J］.振动工程学报，2004，17（S）：1154-1157.

［8］刘福臻，齐华，黄瑞金，等.基于数字化成图中的数据格式转换［J］.四川测绘，2007，30（5）：228-229.

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，硕士研究生，研究方向：机械电子工程。E-mail：wg-zbdx123@163.com。