基于LabWindows/CVI的多路电动舵机自动化综合测试系统设计

摘 要：舵机有三种工作状态（航向、俯仰、滚动），其性能指标直接决定着导弹功能实现。为实现舵机三种工作状态下的空载和加载性能指标测试，设计了一种基于LabWindows/CVI的多路电动舵机自动化综合测试系统。该系统应用1553B总线、PC104总线、虚拟仪器、多线程等技术，可实现同时对多路、多种测试功能模块的实时测试，测试过程中数据能够自动读取、处理、显示以及生成和存储报表。本文详细论述了电动舵机自动化测试系统的硬件、软件设计和功能组成。该系统已被应用于某型舵机的功能和性能指标的测试，人机交互界面友好，操作简单，运行稳定。

关键词：LabWindows/CVI；电动舵机；测试系统；PC104总线；1553B总线；多线程技术；加载平台

中图分类号：TP273+.5；TM383 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）03-0-03

0 引 言

随着科学技术发展的突飞猛进，武器装备也有了质的飞跃。在军事领域内，对武器装备的可靠性、精确性要求越来越高。而其可靠性、精确性极大程度上依赖于执行机构的性能指标[1-2]。导弹作为现代战争中的一柄利器，其制导过程中的主要执行机构为电动舵机，其性能指标直接决定着导弹制导系统的精度与功能实现。因此，电动舵机系统的测试对舵机的质量及技术性能起着极其重要的作用[3-4]。

传统的测试通信方式为模拟通信，该通信方式技术落后且传输过程容易失真，导致测试不充分、测试精度低；同时测试模块独立，且每次只能对一台舵机进行测试，导致自动化程度低、测试效率低。现测试装置已无法满足现代军事工业中对电动舵机批量生产的需求，并且对电动舵机测试项目无法进行高精度、高效率的检测。

为了解决上述问题，本文设计了一种基于LabWindows/CVI的多路电动舵机自动化综合测试系统。该系统应用1553B总线、PC104总线、虚拟仪器、多线程等技术，可实现同时对多路、多种测试功能模块的实时测试，测试过程中数据能够自动读取、处理、显示以及生成和存储报表。舵机性能和功能的全面测试，确保舵机的空载和加载性能指标满足设计需求，使导弹制导过程的可靠性和精确度得到了保障。

1 系统测试需求

1.1 测试功能要求

舵机系统包括1个控放组合和6个舵机。舵机分为三组，分别控制俯仰、航向和滚动三个方向的飞行姿态，每组又分为左右两个。系统需同时对6个回路的空载和加载性能指标进行测试，完成离合器线圈电阻值、机械限位角度、电气零位、舵机反馈电压极性、空载角速度、负载角速度、系统传动比和系统交叉控制等8类项目的测试。

1.2 测试设备要求

（1）测试系统供电功能：保证控放组合、各路舵机、测试系统及加载台的正常运行，同时具有上电自检、测试过程实时监测功能。

（2）提供测试过程中所需的16路模拟量及4路舵机控制信号；对测试过程中6路输出信号、4路反馈信号可实时精确检测。

（3）具有友好的人机交互界面，操作简单，可方便切换舵机工作状态及状态显示。

（4）测试方式可实现手动测试和自动测试方式的切换，手动测试可以对任意测试项目进行选择测试；自动测试可对所有项目一次完成测试。

（5）测试过程中数据可以实时显示，测试数据可以自动存储和打印，存储文件会保存到设置路径。

（6）前面板需具有计量检测接口，可通过接口完成各路输出电压及输出信号的检测。

2 系统硬件组成及原理

2.1 系统硬件原理

依据系统测试需求，结合舵机系统组成，设计出测试系统工作原理：通过测试系统驱动控放组合工作，向舵机发送各种激励信号。这时，测试系统的采集模块只需对控放组合的输入输出节点信号进行采样后送入测试系统，测试系统按照要求进行数据的处理。测试系统的硬件结构如图1所示。

PC104主控计算机是整个测试系统的核心[5-8]，控制着整个测试系统的测试流程，完成供电电源、各功能模块的控制，完成数据读取、显示、存储及处理。供电模块为测试设备提供所需直流电源；信号转换模块输出4路模拟信号，每路模拟信号均可独立编程控制；信号采集模块完成舵机控制信号、加载装置反馈信号的采集，计算出舵机的限位角、空负载角速度等；多路开关转换模块控制模拟量输出的通断；程控直流电源分别为控放组合、舵机及加载装置提供所需的直流电源；信号调理电路对舵机反馈电压信号、舵机电流信号、舵放电压、舵机电压等信号进行隔离、调理以及滤波；接口适配器[9-10]提供控放组合的电源及信号接口、舵机电源接口，加载装置电源及信号接口、前面板接口，用于连接自动化测试系统，测试信号传递采用1553B总线方式。

测试时，通过多路开关转换模块、信号转换模块、程控直流电源模块施加激励，激励信号通过信号调理模块及接口适配器，驱动控放组合工作，向舵机发送各种激励信号。反馈信号经接口适配器送入信号调理模块、信号采集模块，进行波形转换后经数据采集卡，送入工控计算机，进行数据的处理与存储。

2.2 电动舵机加载装置工作原理

加载装置由电机控制器、力矩电机、传感器组、减速机构、加载台底座组成。以单通道为例，加载装置测试控制机构如图2所示。力矩电机是加载装置执行部分，提供测试过程中电动舵机所需的负载转矩；传感器组包括扭矩传感器和光电编码器，用来测试转矩、转速和角位置。

力矩电机与舵机通过减速机构和力矩传感器连接起来，在加载实验时，舵机做主动运动，负载模拟器跟随舵机运动，同时输出力矩，实现对电动舵机舵面进行实时加载。其工作流程如下：PC104主控计算机按照加载控制信号，驱动控放组合工作，使电动舵机开始运转。控放组合实时返回反馈信号，主控计算机根据此信号控制力矩电机控制器使力矩电机按照要求输出模拟载荷。同时，主控计算机接收加载装置反馈回的信号，并对其结果进行状态判断，以此构成闭环系统来调节转矩的输出。

3 系统软件设计

软件开发平台采用了由NI公司提供的LabWindows/CVI[11]，该平台提供了丰富的功能面板、库函数，是能够完成采集、处理、分析等功能的集成化平台，为测试、数据采集、过程监控等提供了理想的软件开发环境。

3.1 软件组成

为了便于后续系统维护及逻辑化程序设计，软件设计采用模块化的设计理念。测试软件分为：用户管理模块、操作界面模块、报表打印模块、自检模块、数据库功能模块、数据采集模块。其各模块的组成如图3所示，测试过程中，通过多个模块的共同配合，完成测试项目。

3.2 多线程技术

该检测系统在对电动舵机进行测试的过程中，需对舵机系统及测试设备工作时的电压、电流实时进行监控及显示。同时，还需要对控放组合施加激励/控制信号，对反馈信号进行数据的采集、分析、处理及显示，完成各模块功能的测试。若采用单线程技术，会存在实时性交叉、数据更新较慢等问题。因此，该检测系统采用多线程技术。

LabWindows/CVI提供了2种实现多线程的方法[12]：线程池与异步定时器。按照测试要求，测试系统所需线程为：人机交互界面控制、激励信号控制、指令信号控制、反馈信号及控制信号的采集，采集数据的分析、处理、显示与存储，电压电流的实时监测。将人机交互界面控制设为主线程，其余数据相关模块设计为次线程，实现多线程的同时执行，保证了数据实时性。

3.3 测试软件工作流程

系统测试前，需将测试设备与控放组合、3组舵机按照正确方式连接，构成完整的测试系统。测试顺序为：测试设备、控放组合和舵机供电、用户登录、选定测试项目、设定测试方式、运行测试软件、向控放组合发送控制信号、采集反馈信号、采集数据、数据分析处理及保存、测试完成后设备断电。

4 系统验证

系统验证是基于硬软件通信皆正常的情况下进行的[13-14]，主要对检测设备的功能及可靠性进行验证。由于控放组合各个通道一致性较好，系统验证是在任意通道中选用一路进行的测试。测试方法为通过对自动化检测设备前面板使用万用表测量和人工传统设备测量方式，进行5次试验，观察表1、表2对比数据，得出结论：电动舵机自动化测试系统可完成八个项目的自动测试，测试精度符合要求，一致性较好，满足设计要求。相比于传统的测量方法，电动舵机自动化测试系统测量精度更高、测试时间更短、自动化程度高。

5 结 语

综上所述，基于LabWindows/CVI的多路电动舵机自动化综合测试系统可同时对多路电动舵机的空载和加载性能指标完成测试。该测试系统功能及精度满足测试要求，测试完成的数据可自动实现读取、处理、显示以及报表的生成和存储。该测试系统不仅解决了传统测试方式存在的问题，而且测试系统性能稳定、操作方法简单、功能齐全。软件程序中应用软件层和硬件接口层及硬件设计时所预留的引脚和接口，考虑了设备后续智能化测试模块对设备的优化，提高了设备的应用和推广价值。

参考文献

[1]谭亚丽，宋科，郭霞. 弹用电动舵机加载性能测试系统设计[J]. 火力与指挥控制，2021，46（5）：132-136.

[2]金源，刘吉，武锦辉，等. 基于LabWindows/CVI的多路电动舵机检测系统设计[J]. 国外电子测量技术，2019，38（12）：125-129.

[3]王世涛，董海迪.导弹电动舵机控制系统设计[J].计算机测量与控制，2021，29（11）：116-121.

[4]傅质彬. 某舵机的初制导综合力测试系统研制[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2018.

[5]郭嘉成. 基于某型特种舵机性能测试系统的嵌入式PLC设计研究[D].天津：天津工业大学，2019.

[6]张晋铭，杨洋，文丰，等.基于FPGA的高精度采集系统的优化设计[J]. 现代电子技术， 2023， 46（2）： 53-56.

[7]刘潺，陈立平，史世杰，等.航天器接口数据单映射建模与仿真研究[J].现代电子技术， 2022， 45（19）： 14-18.

[8]邢焕洲，武锦辉，刘吉. 基于LabWindows/CVI的多区间弹丸测速系统[J]. 国外电子测量技术，2020，39（2）：138-141.

[9]张海超，张北伟. 基于STM32的多串口通信系统设计[J]. 国外电子测量技术，2019，38（2）：99-102.

[10]张磊，许辉辉，徐叔喜，等.一种基于APB总线接口的高精度频率采集控制器设计[J].现代电子技术，2023，46（2）： 49-52.

[11]郭苗苗，秦梅. 基于LabWindows/CVI的频谱分析仪自动测试系统的开发及应用[J]. 电子质量，2022，43（6）：52-55.

[12]陈星.一种基于线性任务的嵌入式系统软件构架[J].现代电子技术，2022，45（12）：81-84.

[13]陈明亮，蔡卫平，古建平. 基于LabWindows的数字多用表自动校准系统[J]. 国外电子测量技术，2012，31（11）：61-63.

[14]林海，赵昶宇. 嵌入式系统软件调试和固化方法研究[J]. 科技与创新，2020，7（10）：29-30.