基于虚拟仪器的潜艇导弹舱高压气监控系统设计

李伟刚，李厚全，李兵尚

(海军潜艇学院，山东 青岛 266199)

0 引言

在潜艇发射导弹前后，需要使用导弹舱内的高压气进行发射筒均压开盖、水舱海水吹除和移注等工作。这些工作对完成导弹发射具有重要作用。在高压气使用过程中，其压力和流量的大小及变化会直接影响相关系统能否在规定的时间内按指标完成工作。目前，对高压气压力的测量方式主要是通过艇员读取安装在管路上的机械式压力表，但压力表测量到的是瞬时压力值且误差较大；而对流量大小及变化则缺乏监控手段。这给高压气的安全使用留下了隐患。因此，有必要在导弹舱内采取简洁、高效的方法，对高压气的压力和流量进行测控。

虚拟仪器技术是基于计算机技术而发展的仪器测量技术，它的出现改变了传统测控仪器的结构和设计理念。它的一个重要概念和口号是“软件就是仪器”，即以特定的软件取代相应的硬件电路。采用虚拟仪器技术构建监控系统，开发周期短、效率高、可维护性强、功能转换与扩充方便，具有很高的性价比。美国NI公司研发的LabVIEW是目前较为成功、应用较为广泛的一款图形化软件开发环境，是一个标准的数据采集和仪器控制软件[1]。

本文提出了一种基于虚拟仪器的导弹舱高压气监控系统。系统实现了气体压力和流量数据的采集、传输、记录、实时显示等功能。

1 系统结构

对高压气的压力和流量进行测量，构建以计算机为核心的基于虚拟仪器的监控系统。首先，要可靠获得压力和流量的原始信号，并对信号进行相应变换，以适应计算机处理；同时，在信号采集、传输和处理过程中，尽可能消除各种随机误差和系统误差[2]，以提高测量结果的精度和准确度。

监控系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构框图

压力传感器和流量传感器、信号调理设备、数据采集卡、计算机等构成系统的硬件平台。压力传感器和流量传感器检测到高压气的压力和流量信号，将其转化为电量信号；信号调理设备将电量信号转换放大成标准信号后，由数据采集卡采集并转换为计算机能处理的数字信号；通过驱动程序将数字信号输入计算机，由LabVIEW程序对数字信号进行处理；在监控页面上显示压力、流量的实时值。根据需要，将数据存储到Microsoft Access数据库文件中，并保存到计算机硬盘上，以备事后回放查看。

2 系统硬件设计

为了全面、真实地获取不同系统使用高压气时的压力和流量信号，必须规划好测点的位置。考虑到导弹舱中的一部分系统直接使用高压气，而另一部分系统是将高压气减压后再使用的，因此在本系统中，对传感器的安装位置安排如下。在水舱预注海水吹除管路上安装1个压力传感器和1个流量传感器；在移注管路减压阀前后分别安装1个压力传感器和1个流量传感器；在发射筒均压管路减压阀前的总管上安装1个压力传感器和1个流量传感器；在减压阀后通入导弹发射筒的各条支管上分别安装1个压力传感器和1个流量传感器。

2.1 数据采集卡

数据采集卡能够将信号调理设备输出的模拟信号转换成计算机程序能够识别和处理的数字信号。根据“功能够用”的原则，选择合适的数据采集卡。本系统要连续采集多测点高压气压力和流量的模拟量，因此在选择数据采集卡时，主要考虑其模拟信号的输入通道数、分辨率和采样频率等指标，并且要兼顾软件与硬件的兼容性和扩展性等问题[3]。较简单的方法就是直接选用NI公司生产的数据采集卡，这样编程时就可直接调用LabVIEW中的采集数据。基于此，本系统选用了该公司生产的PCI-6024E多功能数据采集卡。该卡的主要技术参数为[4]：16个模拟输入通道或8路差分输入，8个数字输入/输出通道，12位A/D转换精度，12位分辨率，100 kHz采样率，最大量程为-10～+10 V。

2.2 传感器

传感器的精度在很大程度决定了系统的精度[5]，所以压力传感器和流量传感器的选择至关重要。本系统选用以下两种类型的传感器。

①JYB-KO-HAG型压力传感器：量程为0～40 MPa，线性输出4～20 mA电流信号。

②LWGY-40型流量传感器：量程为0～20 m3/h，可测量气体的体积瞬时流量和体积总量，线性输出4～20 mA电流信号。

由于数据采集卡只识别标准电压信号，而以上两种传感器输出的信号都是4～20mA的小电流信号，所以在传感器与数据采集卡之间需要信号调理设备，用来将小电流信号转换为标准电压信号[6]。本系统选用了16路调理接线端子板AI-IVl6A与PCI-6024E数据采集卡配套使用，将传感器输出的4～20 mA电流信号转换为0～5 V电压信号。这样即可通过数据采集卡输入电压，再由标度转换公式计算就可以得到压力和流量的实时值。

压力标度转换公式为:

y1=10(x1-1)

(1)

式中：x1为数据采集卡输入计算机的电压值；y1为x1对应的压力值。

流量标度转换公式为:

y2=5(x2-1)

(2)

式中：x2为数据采集卡输入计算机的电压值；y2为x2对应的流量值。

3 系统软件设计

系统硬件确定之后，其功能主要通过软件来实现的。系统软件设计是整个监控系统设计的重点，采用LabVIEW2013开发，体现了选择图形化开发平台的优势。系统软件设计流程如图2所示。

图2 系统软件设计流程图

基于开发平台的模块化特征，系统软件根据功能需要，设计了4个相对独立的模块：系统登录模块、数据采集模块、数据显示模块和数据管理模块。如要修改某个功能，只需修改相应的功能模块，而不必对程序进行整体改动[7]。系统功能模块组成如图3所示。

图3 系统功能模块组成框图

本系统的软件设计就是完成前面板和框图程序的设计。

3.1 前面板设计

前面板是LabVIEW的交互式用户界面，是一种与传统仪器面板相似的图形界面软面板。利用控制模板和工具模板设计输入控件和显示控件，以接收用户输入的数据和命令、显示用户所需的信息。在本系统中，前面板设计包括系统登录页面设计和监控页面设计。

3.1.1 系统登录页面

为了记录用户的操作和保护系统安全，使用用户级别和权限，设计了系统登录页面[8]。系统开机启动时，首先进入该页面，用户输入用户名和密码，进入监控页面。

3.1.2 监控页面

监控页面是本系统的主页面，用于设置初始化参数和显示测量结果。利用LabVIEW的“选项卡”控件进行设计，共设计了“发射筒均压”、“瞬时平衡吹除”、“历史数据管理”和“退出”4个选项。本文仅介绍“发射筒均压”选项的页面布置。该页面分为图形和数据显示区、数据采集参数设置区、数据保存和回放管理区。图形和数据显示区设置了4个仪表显示控件、4个量表显示控件和2个波形图表控件，分别用于显示减压阀前总管、上送风支管、中送风支管和下送风支管处的压力和流量的瞬时数值及波形曲线。数据采集参数设置区设计了3个输入控件，分别用来设置采集点数、采样频率和采样间隔。数据保存和回放管理区设计了数据保存指定路径选择框和数据保存按钮，以及打开文件选择框和数据回放按钮。当要保存测量结果时，点击数据保存按钮，可将前面板上的压力和流量实时值按选定的格式文件保存到硬盘指定位置。当系统使用完毕，要回看已保存的各测点数据时，可在打开文件选择框选择相应的文件，点击数据回放按钮，即可在显示控件上回放数据和波形曲线。

3.2 框图程序设计

每个前面板都对应一个框图程序。框图程序设计主要是对节点、数据端口和连线的设计[9]。本系统的框图程序控制和操纵定义在监控页面上的输入控件与显示控件，以实现多点压力测量、流量信号采集、波形显示、数据保存和回放等功能。

3.2.1 数据采集模块

由于选用了NI公司的数据采集卡，编程时可直接调用数据采集程序库中该采集卡的驱动控制程序。程序操作按照打开设备、设置参数、启动采集、停止采集、关闭设备等基本步骤进行。采集开始前，首先设定数据采集卡的采样点数、采样频率和采样间隔以及数据的保存路径等参数。本系统需要定时连续采集不同测点的压力和流量数据，框图程序整体采用平铺式顺序结构，在其中嵌入While Loop循环结构，在结构中加入一个为“真”的控制条件。只要点击前面板上的“开始”按钮，程序就执行While循环，启动数据采集；点击“停止”按钮则跳出循环，停止数据采集。

在“发射筒均压”选项下共要采集8路数据。多通道输入采样函数的索引号0～1、2～3、4～5、6～7分别对应减压阀前总管、上送风支管、中送风支管、下送风支管处的压力和流量通道。模块边采集边由“索引数组”函数将压力和流量数据分离，分别送到前面板上相应的显示控件。

为了实现定时采集，选择合适的等待定时器，并将时间间隔设置为100 ms。由于高压气在使用过程中会引起管路振动，加之其他一些环境因素的影响，采集的原始信号中含有高频噪声，会影响到整个系统的采集精度和显示曲线的光滑度，尤其是压力信号。在此使用LabVIEW自带的Butterworth滤波器,只要设置好采样频率、截止频率、阶次，就能很好地对输入信号进行滤波处理，去除高频噪声。

3.2.2 数据显示模块

压力、流量信号都需经过与电压的标度转换，才能在前面板上显示实时值。所以先把压力标度转换公式和流量标度转换公式分别编写成子VI，再把滤波后的多通道压力和流量信号分别连接到相应子VI的输入端。输出端与仪表显示控件和量表显示控件连接。在两个波形图表上分别集中显示4路压力信号和4路流量信号。每路信号曲线使用不同的颜色加以区分，便于艇员集中观察不同测点压力和流量的变化和差异情况，并及时对高压气的工作状况作出正确判断。

3.2.3 数据管理模块

该模块包括数据保存和数据回放两个子模块。为了能够进行离线数据处理和分析，可使用前面板上的“数据保存”按钮保存前面板上显示图像所对应的时域数据。由于采集通道多，现场实时处理和显示数据量大且速度较快，为此采用LabVIEW中的TDMS格式文件存储数据。TDMS格式文件具有高速存储的特性，适合海量数据的保存[10]。在该模块中，通过LabVIEW数据库链接工具包调用Microsoft Access数据库，实现数据的保存[11]。

数据回放子模块用于对保存的数据进行回放分析。在回放时可以通过移动光标在波形图上的位置，观察信号某一时刻的时域值，也可以使用缩放工具对信号进行局部观测。数据回放可以设置成自动或手动、顺序或逆序方式，还可以控制数据回放的快慢[12]。选择要回放文件的保存路径，使用“TDMS 文件读取”函数读取文件，使用“TDMS 文件关闭”函数关闭文件，数据回放快慢调节使用定时结构控件来实现。

4 结束语

本文基于虚拟仪器，设计了一种潜艇导弹舱高压气压力和流量监控系统，以测控在导弹发射过程中高压气压力和流量的大小及变化情况，为相关系统的使用和精确控制提供依据和保障。与采用硬件为核心的监控系统相比，该系统弥补了数据采集、处理、显示和存储方面的不足，很好地解决了交互性和扩展性差的问题，具有较高的测量精度与工程应用价值。整个系统结构简单、开发时间短，还可根据测试对象和测量参数的变化进行相应的软硬件更新扩展，能够推广应用到其他监控环境中。