謝 勝, 尚 凡, 林少興

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一種基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的魚(yú)雷合作信標(biāo)檢測(cè)方法

謝 勝, 尚 凡, 林少興

(中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì), 廣東 湛江, 524022)

現(xiàn)有魚(yú)雷合作信標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)基于分立元件設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)復(fù)雜、通用性差, 測(cè)試過(guò)程依靠人工操作和記錄, 檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、效率低。針對(duì)這些問(wèn)題, 提出了一種基于虛擬儀器技術(shù)的魚(yú)雷合作信標(biāo)檢測(cè)方法。該方法采用高性能數(shù)據(jù)采集卡作為測(cè)控硬件, 充分利用LabVIEW軟件強(qiáng)大的儀器控制和信號(hào)采集功能, 實(shí)現(xiàn)了合作信標(biāo)信號(hào)一體化采集、分析處理和顯示存儲(chǔ)等功能。實(shí)際使用結(jié)果表明, 基于該方法的測(cè)試系統(tǒng)具有人機(jī)界面友好, 操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高, 能夠滿足各型號(hào)魚(yú)雷合作信標(biāo)的測(cè)試要求。

魚(yú)雷; LabVIEW軟件; 數(shù)據(jù)采集; 虛擬儀器; 信標(biāo)

0 引言

目前魚(yú)雷合作信標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)采用分立元件或模塊構(gòu)建, 其設(shè)計(jì)較復(fù)雜, 靈活性差, 沒(méi)有擺脫獨(dú)立使用與手工操作的模式, 檢測(cè)功能完全固化難以升級(jí)擴(kuò)展; 長(zhǎng)期使用后存在器件老化、阻容參數(shù)變化大等問(wèn)題, 導(dǎo)致測(cè)量精度顯著下降、工作狀態(tài)不穩(wěn)定等現(xiàn)象, 而且只能人工操作和記錄結(jié)果, 檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、自動(dòng)化程度低。由于合作信標(biāo)待測(cè)的信號(hào)種類(lèi)多, 不僅有模擬信號(hào)、數(shù)字脈沖信號(hào)和開(kāi)關(guān)控制信號(hào)等, 而且待測(cè)信號(hào)參數(shù)多, 如對(duì)于數(shù)字脈沖信號(hào), 不僅要測(cè)量其頻率、周期和脈沖寬度, 還要測(cè)量脈沖相對(duì)時(shí)延信號(hào)等參數(shù)。由于信標(biāo)接口不規(guī)范, 通用性較差。為解決上述問(wèn)題, 本文提出了基于LabVIEW虛擬儀器的魚(yú)雷合作信標(biāo)檢測(cè)方法。

1 虛擬儀器與LabVIEW語(yǔ)言概述

1.1 虛擬儀器

虛擬儀器(virtual instruments, VI)是針對(duì)計(jì)算機(jī)的一個(gè)概念, 它通過(guò)編程使計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)特定儀器設(shè)備的一種軟件系統(tǒng)[1]。虛擬儀器通過(guò)輸入/輸出接口設(shè)備完成信號(hào)的采集測(cè)量, 利用計(jì)算機(jī)顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板, 由用戶(hù)設(shè)計(jì)虛擬面板, 以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果, 并利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析、運(yùn)算和處理, 從而使計(jì)算機(jī)具有各種測(cè)試功能[2]。

1.2 LabVIEW語(yǔ)言

LabVIEW是一個(gè)基于G語(yǔ)言的圖形化編程系統(tǒng), 它將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力與儀器的硬件測(cè)試控制能力很好地結(jié)合在一起, 應(yīng)用于儀器采集與控制、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)表達(dá)等[3]。LabVIEW內(nèi)置了各種用于控制數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器模塊, 便于與實(shí)現(xiàn)硬件連接, 同時(shí)LabVIEW封裝了大量輸入輸出控件, 為波形信號(hào)和其他信息的顯示提供了便利, 因此利用LabVIEW語(yǔ)言可以輕松構(gòu)建用戶(hù)所需的虛擬儀器[4-5]。

2 基于虛擬儀器的合作信標(biāo)檢測(cè)方法

目前的合作信標(biāo)檢測(cè)方法主要依靠人工操作信標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)前面板開(kāi)關(guān)、按鈕或旋鈕, 通過(guò)A/D器件模塊、定時(shí)器模塊和計(jì)數(shù)器模塊和LED顯示器等模塊完成模擬和數(shù)字信號(hào)采集測(cè)量和顯示; 測(cè)量結(jié)果依靠人工分析并判斷是否正?；蚝细? 測(cè)量結(jié)果記錄和存儲(chǔ)也只能由人工輸入計(jì)算機(jī)并制作成word, excel等格式檢測(cè)表, 最后通過(guò)打印機(jī)打印輸出。

基于虛擬儀器的合作信標(biāo)檢測(cè)方法以NI (National Instruments)數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)為測(cè)控平臺(tái), 在Windows系統(tǒng)下利用LabVIEW語(yǔ)言開(kāi)發(fā)測(cè)試軟件, 依托計(jì)算機(jī)系統(tǒng)豐富的資源、高速處理能力和LabVIEW軟件豐富強(qiáng)大的軟件資源來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷合作信標(biāo)信號(hào)采集控制、分析處理、顯示存儲(chǔ)與信息共享, 整個(gè)檢測(cè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)。圖1為基于虛擬儀器的信標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。

圖1 基于虛擬儀器的合作信標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

2.1 基于虛擬儀器的合作信標(biāo)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)前述設(shè)計(jì)思想以及待測(cè)信標(biāo)的信號(hào)類(lèi)型和特點(diǎn), 構(gòu)建如圖2所示信標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)分別由電纜適配器、模擬數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等組成, 最大可對(duì)32路單端模擬(或16路差分)信號(hào)和48路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集測(cè)量, 同時(shí)能產(chǎn)生4路模擬輸出信號(hào), 完全能滿足各種信標(biāo)測(cè)試測(cè)量的需求。

圖2 魚(yú)雷合作信標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)總體組成框圖

電纜適配器按照統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)排序和屏蔽保護(hù), 可方便與各種型號(hào)信標(biāo)接口, 解決信標(biāo)接口不兼容的問(wèn)題。模擬數(shù)字信號(hào)隔離電路主要由模擬信號(hào)輸入輸出隔離、數(shù)字輸入輸出隔離電路、電源管理單元、控制單元等組成, 用于對(duì)模擬和數(shù)字輸入輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理, 并提供合作信標(biāo)啟停、預(yù)熱等控制邏輯接口。數(shù)字信號(hào)隔離器件采用ADI公司AduM7510芯片, 模擬信號(hào)隔離器件采用T5550有源高精度變送器。信號(hào)隔離電路采用冗余設(shè)計(jì)便于日后升級(jí)和擴(kuò)展。采用NI公司X 系列USB-6353數(shù)據(jù)采集卡[6], 它內(nèi)含4個(gè)通用32位計(jì)數(shù)器、1片高速16位A/D、1片高速16位D/A轉(zhuǎn)換器和豐富模擬數(shù)字I/O接口等硬件資源, 能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜模擬和數(shù)字混合信號(hào)采集測(cè)量。在檢測(cè)軟件控制下, 計(jì)算機(jī)配合數(shù)據(jù)采集卡完成信標(biāo)啟/?？刂啤⑿盘?hào)采集測(cè)量、分析處理、顯示存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)檢索和查詢(xún)與打印等功能。

2.2 基于虛擬儀器的合作信標(biāo)軟件設(shè)計(jì)

軟件就是儀器,儀器就是軟件[2]。所以虛擬儀器軟件編寫(xiě)直接關(guān)系到合作信標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)的性能和使用效果。本檢測(cè)軟件采用LabVIEW 語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā), 提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、儀表盤(pán)等)類(lèi)似的控件, 可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶(hù)界面, 這給編程帶來(lái)了極大的便利, 而且附帶數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序, 使用簡(jiǎn)單、操作方便。

由于要采集的信號(hào)參數(shù)多, 檢測(cè)軟件采取層次化、模塊化思想進(jìn)行自頂而下設(shè)計(jì), 以實(shí)現(xiàn)軟件的通用性、可維護(hù)性和擴(kuò)展性。檢測(cè)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)主要包括用戶(hù)界面、參數(shù)設(shè)置界面、參數(shù)設(shè)置和采集測(cè)量子VI模塊等, 軟件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖4 為軟件流程圖。

在LabVIEW檢測(cè)軟件控制下, 計(jì)算機(jī)向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出啟動(dòng)信標(biāo)指令, 信標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集測(cè)量, 采集后的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理、顯示存儲(chǔ)或打印歸檔。借助LabVIEW軟件的ActiveX技術(shù), 檢測(cè)軟件可將測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Word, Excel等格式檢測(cè)表, 并利用LabVIEW軟件附帶的TCP/IP工具包來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信接口, 實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸與共享, 從而真正實(shí)現(xiàn)了信標(biāo)一體化、自動(dòng)化和信息化測(cè)試測(cè)量的要求。

圖3 軟件總體結(jié)構(gòu)

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖

檢測(cè)系統(tǒng)軟件操作界面如圖5所示。LabVIEW使檢測(cè)系統(tǒng)的操作得到極大的簡(jiǎn)化, 所有的操作均在操作界面前面板上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作界面的按鍵或旋鈕完成, 操作非常簡(jiǎn)單方便。操作界面主要分為4個(gè)區(qū)域: 狀態(tài)指示區(qū)、系統(tǒng)控制區(qū)、檢測(cè)項(xiàng)目區(qū)和測(cè)量結(jié)果顯示區(qū)。狀態(tài)指示區(qū)指示當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)和檢測(cè)進(jìn)度; 系統(tǒng)控制區(qū)主要由各種虛擬開(kāi)關(guān)、按鈕和指示燈組成, 完成信標(biāo)啟?？刂?、恒溫晶振預(yù)熱控制、內(nèi)外同步切換等操作。檢測(cè)項(xiàng)目區(qū)提供手動(dòng)操作和自動(dòng)操作模式, 可根據(jù)需要選擇完成信號(hào)檢測(cè)。數(shù)據(jù)顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前測(cè)量項(xiàng)目結(jié)果, 并自動(dòng)判斷測(cè)量結(jié)果是否正?；蚝细?。

圖5 信標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)操作界面

3 性能驗(yàn)證與檢測(cè)結(jié)果精度分析

采集卡基準(zhǔn)頻率為10 MHz, 具有16位的A/D采樣分辨率和32位通用計(jì)數(shù)器, 其理論值可以達(dá)到52mV的最小電壓精度和1ms的最小時(shí)間精度。采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源Tektronix AFG3021B分別輸出100 kHz, 3 V, 1 V, 2 ms特征波形, 使用本測(cè)試系統(tǒng)及Tektronix TDS2012B示波器分別測(cè)試10次, 求得測(cè)試結(jié)果誤差, 其最大測(cè)量誤差結(jié)果如表1。從表1可看出, 本測(cè)試系統(tǒng)具有很高測(cè)量精度, 完全能夠滿足信標(biāo)信號(hào)的測(cè)量要求。

表1 測(cè)試系統(tǒng)最大誤差

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的魚(yú)雷合作信標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng), 已在多種型號(hào)魚(yú)雷合作信標(biāo)測(cè)試測(cè)量中得到了應(yīng)用。實(shí)際使用結(jié)果表明, 該系統(tǒng)完全滿足信標(biāo)信號(hào)測(cè)量所提出的指標(biāo)要求。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)化程度高, 操作簡(jiǎn)單, 測(cè)量精度高, 測(cè)量速度快, 降低了操作人員的工作強(qiáng)度, 取得了很好的測(cè)量效果。同時(shí)該系統(tǒng)在軟硬件采用了通用化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì), 經(jīng)適當(dāng)完善后, 完全可應(yīng)用于魚(yú)雷其他系統(tǒng)的檢測(cè), 這對(duì)于簡(jiǎn)化魚(yú)雷檢測(cè)設(shè)備、實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的通用化, 具有較好的可借鑒價(jià)值。

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(責(zé)任編輯: 許 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.

謝 勝(1976-), 男, 碩士, 工程師, 研究方向?yàn)樗暅y(cè)控.