基于LabV IEW的双通道正弦机

王忠勇,司凯威,段琳琳,2,郭军伟

(1.郑州大学,河南郑州 450001;2.信息工程大学理学院,河南郑州 450001)

在火炮跟踪系统调试和维修过程中,需要使用双通道正弦机产生阶跃、正弦、等速信号,以便检测跟踪系统的静态误差和动态跟踪性能[1]。根据信号产生方式不同,可以分为机电式模拟正弦机和基于微处理器的数字正弦机。前者由分立模拟器件组成,存在体积大、质量大、运动参数修改困难、输出信号精度易受环境温度和电磁环境影响且不具有自检功能等缺点;后者是以单片机、ARM、DSP等嵌入式微处理器为核心,辅助以键盘、液晶等外设构成的数字正弦机系统,虽具有体积小、质量轻、位置显示直观等优点,但是其存储器容量有限且软件升级成本高等不足,难以满足火炮跟踪系统性能检测中预置多套标准运动参数和实时显示运动位置的要求。为有效降低正弦机操作的复杂度,缩短测试时间,提高快速检测、维修能力,需要开发功能通用化、测试接口标准化、人机界面友好的新一代正弦机。

本文在研究虚拟仪器技术和数据库技术的基础上,充分利用工控机的高速数据处理能力和存储能力,研制出一种不仅可在高低、方位通道上实时输出阶跃、正弦、等速信号,还具有可视化的参数设置、运动波形观察界面的正弦机,以降低系统操作复杂度。

1 系统组成及工作原理

本设计的硬件部分主要包括便携式工控机、数字量输入输出卡、DSC模块以及DC-DC电源等模块,系统结构如图1所示。软件部分由基于图形化程序开发环境LabVIEW设计的人机交互模块和正弦机算法处理模块、数字量输入输出卡的驱动模块、数据库管理模块组成。

工控机根据用户设置产生阶跃、正弦、跟踪位置信号,经定标、拆分后,通过PCI接口送入数字量输入输出卡中。根据被测设备的接口类型,程序自动设定板卡端口的工作模式和映射相应端口地址,由双向数据端口输出到DSC模块上,经滤波、放大后驱动火射炮跟踪系统。为扩展正弦机的应用范围,兼容其他火炮数字跟踪系统,本系统设计有可编程的数字通信接口。

正弦机用户在进行静态误差测试、等速跟踪性能测试、正弦跟踪性能测试时,既可以通过测试类型选择界面,调用预置数据库中的标准运动参数组,也可以通过参数设置界面添加、修改、删除运动参数组,以完成自定义测试项目,同时在波形查看界面里实时观察输出信号。

2 硬件组成

正弦机系统硬件由研华公司的便携式工控机、美国模拟器件公司的DSC模块、泓格公司的数字量输入输出卡、上海恒率电源有限公司的DC-DC电源模块以及测试连接电缆组成,所有模块均通过PCI转接板固定在便携式工控机内部。

2.1 DSC模块

DSC模块将PCI板卡输出的数字位置量转换成火炮跟踪系统所需的三路模拟电压输出信号。DSC模块主要由参考变压器、象限选择开关、正余弦乘法器、功率放大器和输出变压器5个部分组成[2-3],如图2所示。参考变压器从外部获得频率为400 H z的载波作为输出端的参考信号;象限转换器根据输入数字量的高两位控制输出信号的象限;正余弦乘法器将输入角位置数字量的低位经正弦、余弦函数计算后,得到调制信号;功率放大器使得调制信号具有驱动负载的能力,再经输出变压器隔离、升压后,驱动火炮跟踪系弦。

本系统采用美国模拟器件公司的DSC0512的参考信号为115 V、400 H z交流电,输入码是 12位二进制数,最大输出功率是 5 VA,温度范围为-55～105℃。

2.2 数字量输入输出卡

数字量输入输出卡通过PCI接口接收正弦机软件产生的命令和数据,设置端口的输出/输入模式和把离散角位置量输出到高低和方位系统粗、精通道对应的DSC模块上,并为正弦机算法处理模提供硬件定时中断信号,保证数据计算、输出时间的精度,避免因时标不准而使伺服系统出现的抖动。

本系统中数字量输入输出卡采用的是泓格公司生产的PIO-D56,结构如图3所示。其具有48个符合TTL电平规范并且内部带有上拉和下拉功能的双向引脚,各引脚均可通过板卡跳线来选择默认启动电平状态,在本系统中可以直接与高低、方位系统的精、粗通道的DSC模块进行互连。板载一个时钟源可选的32位的计数器,具有触发系统中断的功能,用于提供时标信号。

2.3 电源模块

电源模块为DSC模块提供±15 V的工作电压。本系统使用的电源模块是从上海恒率电源有限公司定制的DC-DC电源。其输入频率范围是47～440H z,开关频率范围为40～100 kH z,输出电压±15 V,输出功率为0.1 ～40W,模块自然冷却,无需加散热器。由试验可得,一个电源模块可驱动两路DSC模块工作。

3 软件设计

正弦机系统软件是利用图形化程序开发软件LabVIEW设计的,主要包括用户管理理、参数设置、数据库管理模、信号发生以及硬件管理等模块,如图4所示。

1)用户管理模块,负责用户身份验证、修改密码和新用户注册等。

2)参数设置模块,设置阶跃、正弦、跟踪运动参数并进行运动范围判断。

3)数据库管理模块,数据库连接检查和对运动参数组执行添加、更新、删除以及查询等操作。

4)信号产生模块,根据运动参数产生标准阶跃、正弦、等速信号,并对位置全角量进行定标及拆分。

5)硬件管理模块,负责检查硬件驱动可用性和设置板卡定时器的工作模式和计数初值,根据运动状态设置数据输入输出端口的工作模式和电平状态。

3.1 LabVIEW

LabVIEW是美国国家仪器公司(NI)推出的新一代基于“数据流”编程思想的图形化虚拟仪器集成开发环境。其不仅具有丰富的硬件接口通信函数库,方便与数据采集和控制卡互连,还具有强大的第3方软件接口能力,便调用VC、MA TLAB等软件编写的功能模块,已经广泛应用在虚拟仪器开发之中。借助NI提供的功能强大的数字信号处理函数集,可以快速设计具有信号产生、变换和输出等功能的仪器。

3.2 正弦机状态

根据某火炮跟踪系统测试规范,为使跟踪系统过渡平滑,在正弦和等速性能测试中,需要加入前引程过程和后引导过程[4],则正弦机状态转换过程如图5所示。

正弦机被启动后,先进入“前引导”运动状态,经过一定时间后,自动触发状态跳转信号,进入设置信号“标准信号”状态,当到达指定位置或用户停止,则自动进入“后引导＂状态,后引导一定时间后,自动进入“停止”状态,正弦机停止输出信号,退出正弦机数值计算与处理模块。

为有效保护火炮跟踪系统,软件中设计有错误检测机制,实时监控输出信号。在运动过程中,若出现计算错误、时标错误或越界错误等,程序立即退出信号计算状态,进入错误处理状态,并根据错误等级,提示相应的错误信息和解决方法。

3.3 正弦机算法

3.3.1 阶跃运动

阶跃运动是指以最大速度运转到指定位置[2]。0为当前位置,A为目标位置。

3.3.2 等速运动

等速运动是指按指定速度匀速运动到指定位置,其中v为速度,T为引导时间。

3.3.3 正弦运动

正弦运动是指以当前位置为中心,做正弦往返运动。A是正弦运动的幅值,T为正弦运动的周期,t为正弦运动的时间。定义0～3T为前引导阶段,3T～(N-3)T为正弦运动阶段,(N-3)T～NT为后引导阶段。

定义F为1 s数据输出点数,则一个周期内输出点数M=T×F,对式(3)离散化得:

设置2A=2 000m il,T=1 s,则有正弦机仿真波形如图6所示。

3.4 硬件定时

在位置量输出过程中,为满足数据计算模块对定时精度的要求,本系统利用具有自动重装功能的板载硬件定时器,向W indow s发出周期中断信号,并自动重装计数初值,保证连续输出位置信号的精确性。

3.5 数据库管理

根据输出信号类型选择和参数设置,系统软件利用数据库辅助工具包DBTool自动生成SQL语句,以完成数据库连接性检查和对存储在数据库中的随动测试规范中规定的正弦机运动参数组数据进行的读取、添加、修改和删除等操作。

4 结束语

该设备不仅克服了机电正弦机的固有缺陷,还设计有图形化的人机接口。试验表明,该系统能够满足跟踪系统对信号的要求,并且具有质量小、体积小,参数设置方便和信号显示直观等优点,在跟踪系统的检测与维修中有广泛的应用前景。

[1] 胡祜德,马东升,张莉松.伺服系统原理与设计[M].北京:北京理工大学出版社,1999:12-16.HU You-de,M A Dong-sheng,ZHANG Li-song.Theory and design o f servo system[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,1999:12-16.(in Chinese)

[2] 王忠勇,石申同,李清池.基于DSP和CPLD的双通道数字正弦机[J].火炮发射与控制学报,2008(3):52-55.WANG Zhong-yong,SH I Shen-tong,LIQing-chi.Dual-channel sinusoidal generator based on DSP and CPLD[J].Journal of Gun Launch&Control,2008(3):52-55.(in Chinese)

[3] 马东升,胡祜德.DSC及其在伺服系统中的应用[J].北京理工大学学报,1999(6):725-728.M A Dong-sheng,HU You-de.DSC and It's app lication in servo system[J].Journalof Beijing Institute of Technology,1999(6):725-728.(in Chinese)

[4] 王军政,温子云,赵江波,等.基于虚拟仪器技术的高炮随动系统测试装置[J].北京理工大学学报,2006(10):871-874.WANG Jun-zheng,WEN Zi-yun,ZHAO Jiang-bo,et al.Testdevice for flack flow ing systems based on virtual instrument techno logy[J].Journal of Beijing Institute of Technology,2006(10):871-874.(in Chinese)