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[導(dǎo)讀]設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器技術(shù)的航空機(jī)栽陀螺儀自動測試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對多種型號陀螺儀的自動化測試,具有小型、快速、智能、靈活、低成本的特點(diǎn)。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要以C8051F系列單片機(jī)為核心,結(jié)合相應(yīng)的外圍電路實(shí)現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換以及開關(guān)量的控制,同時(shí)通過CAN總線和RS232總線擴(kuò)展多個(gè)專用設(shè)備;而系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)則采用基于C語言的虛擬儀器軟件Lab Windows/CVI,實(shí)現(xiàn)對機(jī)載陀螺儀各項(xiàng)性能參數(shù)的自動檢測。自動測試系統(tǒng)憑借電子電路集成技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢,以及多總線設(shè)備互補(bǔ)的功能,具有測試自動化程度高、成本低、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于航空航天、測控、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

虛擬儀器技術(shù)是軟件代替部分硬件設(shè)計(jì)的技術(shù),其中硬件模塊實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)理、采集和輸出,而軟件實(shí)現(xiàn)信號的處理、顯示和產(chǎn)生。利用軟件快速、靈活的運(yùn)算處理能力,簡化硬件模塊功能,減少硬件模塊體積,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外,該技術(shù)只需更改軟件就能滿足大部分信號的測試,具有很強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性。
    目前,傳統(tǒng)的航空機(jī)載陀螺儀測試系統(tǒng)采用分立儀器搭建,具有成本高、自動化程度低、擴(kuò)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(jī)載陀螺儀自動測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 陀螺儀測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)硬件主要是以C8051F005單片機(jī)為核心,結(jié)合相應(yīng)的外圍電路實(shí)現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換以及開關(guān)量的控制,采用模塊化設(shè)計(jì),通過RS-232總線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。考慮到該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊較多,且為了后續(xù)擴(kuò)展,選用標(biāo)準(zhǔn)的3U工業(yè)機(jī)箱。其系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。


1.1 測試轉(zhuǎn)臺
    測試轉(zhuǎn)臺用于標(biāo)校陀螺精度,每種型號的陀螺都有各自的測試轉(zhuǎn)臺。在對陀螺進(jìn)行測試前,需要將陀螺固定在測試轉(zhuǎn)臺上,并將轉(zhuǎn)臺調(diào)整到水平位置。測試轉(zhuǎn)臺上有俯仰和傾斜指示刻度,可根據(jù)要求將陀螺調(diào)整到相應(yīng)位置。
1.2 陀螺儀和航空連接器
    陀螺轉(zhuǎn)子是陀螺儀的基本部件,常采用同步電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動方法使陀螺轉(zhuǎn)子高速圍繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn);內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán))是陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結(jié)構(gòu);附件是指力矩馬達(dá)、信號傳感器等。
    根據(jù)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指方向在不受外力影響時(shí)不改變的原理來保持方向,制造出來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(zhuǎn)起來,一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn),可以工作很長時(shí)間,然后用多種方法讀取軸所指示的方向,并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。
    陀螺儀的種類很多,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(yùn)動的自動控制系統(tǒng)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不同的連接器與信號調(diào)理箱連接。因此,測試系統(tǒng)根據(jù)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(jī)載陀螺儀自動測試系統(tǒng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
    計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并進(jìn)行圖像顯示,向操作人員提示及報(bào)警。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析記錄,以測試報(bào)表形式輸出。軟件采用全漢化處理,選用菜單對話形式,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(xiàn)板卡與計(jì)算機(jī)之間的通信,計(jì)算機(jī)使用RS232總線,而智能板卡使用CAN總線,轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)的采集功能,如圖2所示。
C8051F005單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對D/A轉(zhuǎn)換器DAC714和A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換、放大,輸出穩(wěn)定的直流電流。使用D/A輸出、A/D采樣,與主控單片機(jī)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)??捎面I盤進(jìn)行電流數(shù)值設(shè)定,用LED(發(fā)光二極管)進(jìn)行顯示,智能板卡數(shù)據(jù)采集框圖如圖3所示。


1.5 信號調(diào)理箱
    信號調(diào)理箱實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)理、采集和輸出。通過分析不同型號陀螺的工作原理,其輸出信號有同步器、模擬量和開關(guān)量等信號。根據(jù)信號性質(zhì),信號調(diào)理箱包含S/D、A/D和繼電器等集成電路,能夠?qū)⑼狡餍盘枴⒛M量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,達(dá)到與計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)精度高、速度快、穩(wěn)定性好。由于陀螺儀的信號輸出數(shù)量多,不可能將所有信號同時(shí)輸入到信號調(diào)理箱,必須經(jīng)過繼電器矩陣進(jìn)行切換,繼電器切換必須具有足夠快的響應(yīng)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(xiàn)信號的連接、斷開和轉(zhuǎn)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(shè)備的輸入輸出要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
   
系統(tǒng)軟件采用美國NI公司的虛擬儀器軟件LabWindows/CVI進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā),CVI是在C語言(ANSIC)的基礎(chǔ)上增加了儀器控制和工具函數(shù)庫的虛擬儀器開發(fā)軟件,具有友好的圖形用戶界面,因此選用CVI可以加快測試程序開發(fā)。系統(tǒng)軟件原理圖如圖4所示。


    為了方便和規(guī)范測試系統(tǒng)程序的編寫,將各個(gè)硬件模塊的驅(qū)動編譯生成動態(tài)庫,由測試系統(tǒng)程序根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用。系統(tǒng)程序開發(fā)過程中,硬件驅(qū)動和虛擬儀器界面的開發(fā)是重點(diǎn)。
    硬件驅(qū)動設(shè)計(jì)是對智能板卡進(jìn)行程控,方便測試系統(tǒng)程序的編寫和集成。航空智能板卡驅(qū)動程序是上位機(jī)與下位機(jī)程序通信的紐帶,通過調(diào)用驅(qū)動函數(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對硬件的控制。虛擬儀器界面提供人機(jī)接口,操作員根據(jù)需要施加信號,實(shí)時(shí)監(jiān)測信號。CVI提供了開發(fā)虛擬儀器界面的用戶接口資源文件(*.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(jī)采集功能所需的各種控件。根據(jù)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(shù)據(jù)的波形。機(jī)載陀螺進(jìn)行檢測系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。


    控制函數(shù)的編寫過程中,由于在板卡功能設(shè)計(jì)中有交流和直流之分,因此在波形顯示界面設(shè)計(jì)時(shí),也將其分為交流和直流2個(gè)波形顯示界面。而在運(yùn)行程序過程中,采集交流或直流,都需將另外一個(gè)隱藏起來,這就用到函數(shù)SetCtrlAttribute(panelHandle,PANEL_STRIPCHAR-T,ATTR_VISIBLE,1)和函數(shù)SetCtrlAttribute(panelHandle,PANEL_GRAPH,ATTR_VISIBLE,0)。在控制函數(shù)中,繪制波形的函數(shù)PlotStrip Chart(panelHandle,PANEL_STRIPCHART,data,1,0,0,VAL_DOUBLE); 采用函數(shù)SetCtrlAttribute(panelHandle,PANEL_TIMER,ATTR_ ENABLED,1)打開時(shí)鐘,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 應(yīng)用設(shè)計(jì)
    采用基于虛擬儀器技術(shù)的機(jī)載陀螺儀自動測試系統(tǒng),成功構(gòu)建了多套航空測試設(shè)備,例如陀螺智能綜合測試設(shè)備(包括陀螺穩(wěn)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(yàn)設(shè)備、飛參模擬器等。機(jī)載陀螺自動測試系統(tǒng)檢測項(xiàng)目:準(zhǔn)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(yīng)以±2°的精度輸出水平信號;鎖定時(shí)間,當(dāng)隨動托架、外環(huán)架和陀螺組合件處于任何位置時(shí),鎖定時(shí)間應(yīng)不超過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(zhuǎn)動),垂直陀螺以1(°)/s的角速度旋轉(zhuǎn)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(jì)零位測試界面。



4 結(jié)論
    基于虛擬儀器技術(shù)的機(jī)載陀螺儀自動測試系統(tǒng)利用電子電路集成技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢,以及多總線設(shè)備互補(bǔ)的功能,實(shí)現(xiàn)了對多種型號陀螺儀的自動化測試,具有測試自動化程度高、成本低、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用到航空航天、測控、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

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