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虛擬儀器技術(shù)是軟件代替部分硬件設計的技術(shù)，其中硬件模塊實(shí)現信號的調理、采集和輸出，而軟件實(shí)現信號的處理、顯示和產(chǎn)生。利用軟件快速、靈活的運算處理能力，簡(jiǎn)化硬件模塊功能，減少硬件模塊體積，提高系統的穩定性和可靠性。另外，該技術(shù)只需更改軟件就能滿(mǎn)足大部分信號的測試，具有很強的靈活性和擴展性。 目前，傳統的航空機載陀螺儀測試系統采用分立儀器搭建，具有成本高、自動(dòng)化程度低、擴展性差的缺點(diǎn)，因此，這里提出一種基于虛擬儀器技術(shù)的航空機載陀螺儀自動(dòng)測試系統的設計方案。 1 陀螺儀測試系統硬件設計 該系統硬件主要是以C8051F005單片機為核心，結合相應的外圍電路實(shí)現A/D、D/A轉換以及開(kāi)關(guān)量的控制，采用模塊化設計，通過(guò)RS-232總線(xiàn)與計算機控制系統進(jìn)行通信�？紤]到該系統設計的模塊較多，且為了后續擴展，選用標準的3U工業(yè)機箱。其系統硬件原理圖如圖1所示。 1.1 測試轉臺 測試轉臺用于標校陀螺精度，每種型號的陀螺都有各自的測試轉臺。在對陀螺進(jìn)行測試前，需要將陀螺固定在測試轉臺上，并將轉臺調整到水平位置。測試轉臺上有俯仰和傾斜指示刻度，可根據要求將陀螺調整到相應位置。 1.2 陀螺儀和航空連接器 陀螺轉子是陀螺儀的基本部件，常采用同步電機、三相交流電機等拖動(dòng)方法使陀螺轉子高速?lài)@自轉軸旋轉;內、外框架(或稱(chēng)內、外環(huán))是陀螺自轉軸獲得所需角轉動(dòng)自由度的結構;附件是指力矩馬達、信號傳感器等。 根據旋轉物體的旋轉軸所指方向在不受外力影響時(shí)不改變的原理來(lái)保持方向，制造出來(lái)的陀螺裝置就叫陀螺儀。陀螺儀在工作時(shí)要給它一個(gè)力，使它能快速旋轉起來(lái)，一般能達到每分鐘幾十萬(wàn)轉，可以工作很長(cháng)時(shí)間，然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動(dòng)將數據信號傳給控制系統。 陀螺儀的種類(lèi)很多，按用途可分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運動(dòng)的自動(dòng)控制系統中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器;指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。不同型號的陀螺儀通過(guò)不同的連接器與信號調理箱連接。因此，測試系統根據陀螺儀的連接情況，需要配備多個(gè)連接器。 1.3 電源部件 電源部件為航空機載陀螺儀自動(dòng)測試系統提供所需的直流和交流電源，直流輸出為+27V，交流輸出為三相36V400Hz和三相115V 400 Hz。陀螺儀型號不同，其消耗功率也不同，交直流一般約O.5 A。 1.4 計算機控制系統 計算機控制系統對采集的數據進(jìn)行處理，并進(jìn)行圖像顯示，向操作人員提示及報警。對試驗結果進(jìn)行分析記錄，以測試報表形式輸出。軟件采用全漢化處理，選用菜單對話(huà)形式，將每一步操作方法都顯示在顯示屏上。操作人員可以按照提示完成操作。 通信模塊實(shí)現板卡與計算機之間的通信，計算機使用RS232總線(xiàn)，而智能板卡使用CAN總線(xiàn)，轉換模塊完成數據的采集功能，如圖2所示。 C8051F005單片機實(shí)現對D/A轉換器DAC714和A/D轉換器TLC2543的控制，產(chǎn)生直流電壓信號，經(jīng)輸出采樣電路的電壓/電流轉換、放大，輸出穩定的直流電流。使用D/A輸出、A/D采樣，與主控單片機形成閉環(huán)控制系統�？捎面I盤(pán)進(jìn)行電流數值設定，用LED(發(fā)光二極管)進(jìn)行顯示，智能板卡數據采集框圖如圖3所示。 1.5 信號調理箱 信號調理箱實(shí)現信號的調理、采集和輸出。通過(guò)分析不同型號陀螺的工作原理，其輸出信號有同步器、模擬量和開(kāi)關(guān)量等信號。根據信號性質(zhì)，信號調理箱包含S/D、A/D和繼電器等集成電路，能夠將同步器信號、模擬量信號轉換為數字信號，達到與計算機通信的目的。 采用CJ24Y4L和CJ24W型航空智能板卡采集陀螺儀的輸出模擬量。CJ24W航空智能板卡可以滿(mǎn)足模擬信號的輸出，輸出電壓為0～23 V。模擬量采集為24路單端輸入和8路差分輸入，分辨率為24位，可以采集0～300 V的電壓，0～2 A的電流。采集數據精度高、速度快、穩定性好。由于陀螺儀的信號輸出數量多，不可能將所有信號同時(shí)輸入到信號調理箱，必須經(jīng)過(guò)繼電器矩陣進(jìn)行切換，繼電器切換必須具有足夠快的響應時(shí)間，能通斷較大的信號，因此選用型號為JDQ航空智能板卡，實(shí)現信號的連接、斷開(kāi)和轉換。該航空智能板卡工作電壓為DC+27 V，信號的采集和模擬均符合航電設備的輸入輸出要求。 2 系統軟件設計 系統軟件采用美國NI公司的虛擬儀器軟件LabWindows/CVI進(jìn)行設計開(kāi)發(fā)，CVI是在C語(yǔ)言(ANSIC)的基礎上增加了儀器控制和工具函數庫的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件，具有友好的圖形用戶(hù)界面，因此選用CVI可以加快測試程序開(kāi)發(fā)。系統軟件原理圖如圖4所示。 為了方便和規范測試系統程序的編寫(xiě)，將各個(gè)硬件模塊的驅動(dòng)編譯生成動(dòng)態(tài)庫，由測試系統程序根據需要進(jìn)行調用。系統程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，硬件驅動(dòng)和虛擬儀器界面的開(kāi)發(fā)是重點(diǎn)。 硬件驅動(dòng)設計是對智能板卡進(jìn)行程控，方便測試系統程序的編寫(xiě)和集成。航空智能板卡驅動(dòng)程序是上位機與下位機程序通信的紐帶，通過(guò)調用驅動(dòng)函數實(shí)現計算機對硬件的控制。虛擬儀器界面提供人機接口，操作員根據需要施加信號，實(shí)時(shí)監測信號。CVI提供了開(kāi)發(fā)虛擬儀器界面的用戶(hù)接口資源文件(*.uir)、各種控制和顯示控件，用于模擬實(shí)際儀表界面。分析完成航空電源智能采集板上位機采集功能所需的各種控件。根據CVI軟件編程，完成控件的編制，除了一些基本的控制顯示控件外，還有一個(gè)示波器顯示控件，它用于顯示采集數據的波形。機載陀螺進(jìn)行檢測系統軟件流程如圖5所示。 控制函數的編寫(xiě)過(guò)程中，由于在板卡功能設計中有交流和直流之分，因此在波形顯示界面設計時(shí)，也將其分為交流和直流2個(gè)波形顯示界面。而在運行程序過(guò)程中，采集交流或直流，都需將另外一個(gè)隱藏起來(lái)，這就用到函數SetCtrlAttribute(panelHandle，PANEL_STRIPCHAR- T，ATTR_VISIBLE，1)和函數 SetCtrlAttribute(panelHandle，PANEL_GRAPH，ATTR_VISIBLE，0)。在控制函數中，繪制波形的函數 PlotStrip Chart(panelHandle，PANEL_STRIPCHART，data，1，0，0，VAL_DOUBLE); 采用函數SetCtrlAttribute(panelHandle，PANEL_TIMER，ATTR_ ENABLED，1)打開(kāi)時(shí)鐘，進(jìn)行數據采集。 3 應用設計 采用基于虛擬儀器技術(shù)的機載陀螺儀自動(dòng)測試系統，成功構建了多套航空測試設備，例如陀螺智能綜合測試設備(包括陀螺穩定平臺、垂直陀螺、航向陀螺等)、操縱臺智能測試儀、單相靜止變換器校驗設備、飛參模擬器等。機載陀螺自動(dòng)測試系統檢測項目：準備時(shí)間，垂直陀螺在傾斜和俯仰4°時(shí)，接通電源1 min后應以±2°的精度輸出水平信號;鎖定時(shí)間，當隨動(dòng)托架、外環(huán)架和陀螺組合件處于任何位置時(shí)，鎖定時(shí)間應不超過(guò)15s;修正速度，橫向修正速度 2～8(°)/min，縱向修正速度l～3(°)/min;陀螺漂移(轉動(dòng))，垂直陀螺以1(°)/s的角速度旋轉360°后，在沿傾斜方向的漂移不大于±2.5°(實(shí)際為±3.5°)等。圖6為某型號陀螺的電位計零位測試界面。 4 結論 基于虛擬儀器技術(shù)的機載陀螺儀自動(dòng)測試系統利用電子電路集成技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢，以及多總線(xiàn)設備互補的功能，實(shí)現了對多種型號陀螺儀的自動(dòng)化測試，具有測試自動(dòng)化程度高、成本低、易于擴展的特點(diǎn)。該項技術(shù)可以應用到航空航天、測控、醫療器械等領(lǐng)域。 |
