舰船惯导系统陀螺电机多信息测试系统设计＊

孙 剑 黄 起 王学杰 郭 斌

（1.海军海南地区装备修理监修室 三亚 572018）（2.海军工程大学导航工程系 武汉 430033）

1 引言

惯导系统属于大型的精密导航设备，其结构复杂，分系统众多，各设备之间连接关系繁杂，承载的信息量大，从而使得惯导系统的可靠性难以得到保证。且惯导系统本身的监测预报功能不强，导致其维修难度大，任务重，故障定位慢。目前对惯导系统及其组成部件的维修仍以事后维修和定期维修为主。事后维修是指在发现了惯导系统发生故障时再对其进行检修，这使得维修开始时系统功能已经遭到了破坏，从而影响系统正常工作。而定期维修主要包括日常维护、定期更换零部件、定期检测系统的状态，这在一定程度上监测了系统所处的状态，能够在故障发生的短期时间前对设备进行检修，以预防故障的发生，但是定期更换部件会导致一些组成部件没有达到其使用寿命而被废弃，这一方面造成了资源浪费，另一方面系统会因为频繁的更换零部件而影响工作状态或精度。

随着传感器技术、计算机以及测控技术的发展，基于设备状态监测的视情维修模式得到了广泛重视。视情维修利用传感器采集和监测设备运行时的各种信息，通过采集地信息提取与设备状态相关的特征参数，从而实现对设备状态的评估和诊断。

舰船惯性导航系统作为一种完全自主的导航方式，担负着为舰船安全航行和指控、武备系统提供航向、姿态、速度、位置等重要导航信息的使命，其性能状态直接决定了舰船的生命力和战斗力。而陀螺仪是舰船惯导系统的核心部件，文献［1］指出，陀螺电机故障为陀螺仪最主要的故障模式，直接影响陀螺仪的工作状态，陀螺电机的支承结构是影响其状态性能的关键因素。因此，对舰船惯导系统的核心部件——陀螺电机的状态进行监测和评估，可为舰船惯导系统的状态检测和性能评估提供数据支持，具有重要的现实意义和军事意义。

20世纪80年代以来，随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，美国国家仪器公司提出了虚拟仪器技术。虚拟仪器技术通过模块化的数据采集设备实现对传感器信息的采集，通过软件编程自定义和设计仪器功能和界面，实现了测试仪器的软件化。因此，本文基于虚拟仪器技术，构建了以NI－4070数据采集设备和PXI机箱为硬件构建，以LabVIEW为软件开发平台的陀螺电机多信息测试系统。系统通过光点转速传感器、声音传感器等实现了陀螺电机工作状态下的电压、电流、声音。转速等多信息的无损测试，测试结果可直接存储了计算机数字量，可为陀螺仪的状态检测和性能评估提供有效的数据支持。

2 虚拟仪器技术及其软件平台

2.1 虚拟器件技术及特点

电子测量仪器的发展经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器的过程［2］。微电子技术，尤其是大规模集成电路技术的发展，促进了从模拟仪器到数字化仪器、智能仪器的发展。仪器的精度越来越高功能越来越强，性能越来越好。但是，智能仪器没有摆脱独立使用的模式，对于较为复杂、测试参数较多的场合，使用起来不太方便，而且其他方面的局限性也就慢慢地显示出来。

1986年，美国国家仪器公司（National Instruments，NI）首先提出虚拟仪器的概念，把仪器测试技术的发展带到了一个新的历史时期。所谓虚拟仪器是指在通用微型计算机上加入必要的模块化功能硬件（如数据采集卡），在计算机屏幕上用图形界面模拟仪器面板，用程序控制信号的采集、分析、显示、存储和输出等，实现真实仪器的功能。测试系统功能可根据软件模块的功能及不同组合而灵活配置。它的实质是将传统仪器和最新计算机软件结合起来，以实现扩充传统仪器的功能。实现了“软 件 即 是 仪 器 （The software is the instrument）”［3］。

虚拟仪器和传统的仪器一样，由数据采集与控制、数据分析和处理、数据表达和结果显示三部分组成［4］。数据采集与控制通过特定的仪器接口实现与传感器的交互与控制；数据分析与处理是虚拟仪器的核心部分，通过将采集的数据进行分析处理，输出控制信息与被测设备或软件界面实现交互；数据表达与现实是虚拟仪器的交互界面，通过文件I／O，网络接口等方式，实现数据和处理结果的表达与显示。

与传统仪器相比，虚拟仪器有其鲜明的特点［5］：测量精度高，可重复行好；测量速度快；组建系统时间短，仪器硬件开销低，同时也降低了系统故障率；实现了用户自定义测量功能，可测传统物理仪器不可测量的对象；易于扩展；具有较短的系统更新周期。

2.2 LabVIEW开发环境

任何一种虚拟仪器系统都是通过应用软件将通用硬件与通用计算机相结合，它是虚拟仪器的核心，其过程与主要工作内容就是编制应用软件的过程，而目前流行的软件工具主要有两类：一类是文本式编程语言，如C、Visual C＋＋、Visual Basic、Labwindows／CVI等；另一类是图形化编程语言，如LabVIEW、HPVEE等。

与传统的编程语言类似，LabVIEW也具有相似的数据类型、数据流控制结构、程序的调试工具等［6］。它与文本编程语言相比，最大的区别就在于LabVIEW利用各种图标、图形符号、连线、图形框架来编写程序，控制程序的流程［7］。从而使得程序的开发者和工程技术人员不需要懂得繁琐枯燥的程序源代码，而只需要利用自己熟悉的术语、流程图来编写和开发程序，大大提高了工作效率。作为图形化编程语言的典型代表，LabVIEW简易的编程风格、强大的数据可视化分析能力、良好的可移植性和直观、友好的人机交互界面使之成为目前国际上应用最广的数据采集和控制的开发环境之一，主要应用于数据采集、分析和处理、仪器控制等领域，能够与多种不同的操作系统平台兼容。

3 系统硬件设计

陀螺电机为陀螺仪转动提供驱动力矩，因此陀螺电机工作时的电压、电流、转速等信息直接反映了陀螺电机的状态。此外，当陀螺电机转子转动时，由于转子与定子之间的摩擦、转子的风阻等因素影响，电机因振动而产生声音，该声音信号也间接表征了陀螺电机的性能状态。因此，为有效进行陀螺电机的状态监测，可以对陀螺电机启动、停止和工作过程中的电流、电压以及转速和声音信号进行测试，采集陀螺工作全过程的多类型信息。

根据陀螺电机的信息测试需求，构建了基于NI4070数据采集卡的电机多信息采集系统硬件构建。系统的信息采集流程如图所示，系统由NI公司的NI－4070数据采集卡、启动磁滞陀螺电机、光电转速传感器、声传感器、陀螺电机专用供电电源以及各种信号线组成［8］。传感器系统由电压、电流、声音、转速传感器组成。电压和电流传感器采用绵阳市维博电子有限责任公司的WB3U411U07三相三线交流电流传感器和WB3I411S37三相三线交流电压传感器。

NI－4070是NI公司开发的用于电流、电压和电阻测量的万用表卡，本身并不是用于数据采集的数据采集卡，但是其本身也带有连续测量的模式和功能，可以实现对电流和电压的采集［9］。NI－4070最高具有61／2位的采集精度，在输入电压幅值为100V（交流电压幅值为±104V），电流小于200mA的直流或交流电压条件下，电压分辨率为100μV，电流分辨率为100nA，具有很高的测试精度［10］。陀螺电机的供电电源改用了定制电源，使得电压信号在波形稳定度上有很大的提高，陀螺电机额定状态下的工作更加稳定，另外，定制电源具有很低的风扇噪声，有效减小了风扇噪声对于陀螺电机声音信号的干扰［11］。

针对测量转速的光电传感器的安装问题，将传感器集成为一个只有一个圆柱形探头的传感装置，通过电机内壁上的小孔固定（见图1），不仅简化安装，不影响电机的正常工作，而且和感光带之间的距离易于测量和固定。

为了实现对陀螺电机工作时间的控制，因此需要设计相应的继电器电路来控制电路的通断，使陀螺电机在设定的工作时间内工作。基于NI的PXI中的数字I／0板卡为继电器发送电平来改变继电器的工作状态，达到控制电路通断的目的。

按照上述硬件方案，基于自动化测试的思想，构建了测试系统的硬件部分，其硬件组成如图2所示。

图1 转速光电传感器的安装

图2 陀螺电机多信息测试系统的硬件组成图

从上述可知，陀螺电机多信息测试系统分为数据采集部分、传感器电路部分、电机工作状态控制部分。系统工作原理为：当测试系统开始运行时，软件进行数据的采集并开始计时，此时电机并不工作只是采集实验室条件下的噪声信息；当采集时间达到了预先设定的电机通电时刻时，计算机给USB－6251板卡的数字通道赋予一个高电平信号，继电器电路在接收到高电平信号后接通电机工作电路，电机开始转动，系统继续采集电机工作时的信息；当采集时间达到了预先设定的电机断电时刻，此时计算机给USB－6251板卡的数字通道赋予一个低电平信号，继电器接收到低平信号后使电机工作电路断开，电机因断电而进入停机阶段，测试系统继续采集电机停机阶段的信息；当采集时间达到预先设定的采集时间时，当此采集结束，测试系统判断采集次数是否达到了预先的设定次数而开始下一次采集或退出程序。

4 软件实现

完成测试方案设计和硬件搭建后，为了实现测试程序的自动化以及软硬件系统的兼容，设计了软件的程序流程并编程实现。

根据陀螺电机的测试要求和测试方案，程序的设计实现了测试系统采集时间和次数的自动控制。当测试系统开始采集时，程序应根据用户设定的采集时间和采集次数来实现采集的停止，程序首先计算采集的时间，当采集时间达到用户设定的时间以后，测试系统应进行下一次采集周期，采集次数增加一次，而当实际的采集次数于设定的待采集次数相等时，程序跳出循环结束采集，程序的整体流程如图3所示。

硬件上使用了继电器外围电路来控制电机的工作时间，但是继电器工作必须要软件给予相应的激励使之改变工作状态，从而实现测试系统的自动控制。对电机的采集包含电机从启动到稳定再到断电停机到转子静止的全部工作过程，因此程序应该能够自动控制电机的通电时间来满足实验需要，而且在电机断电以后程序继续采集停机过程的数据。图4为控制电机通电时间程序的流程图。

图3 测试系统主程序流程图

图4 电机工作时间控制流程图

根据以上流程，进行了程序的编写和调试，完成了对信息测试系统的软件设计。

5 惯导系统测试和评定试验

为验证陀螺电机多信息测试系统的有效性和实用性。在实验室条件下的陀螺电机进行实际测试和采集试验，试验情况如图5所示。在完成硬件连接后，启动陀螺电机多信息测试系统软件，根据测试需求设定测试时间、次数、采样间隔等参数，开始进行陀螺电机的多信息测试。实验室条件下进行了20次测试实验，每次设定不同的测试参数，以验证测试系统的可靠性。试验过程中，测试系统工作稳定、可靠。

图5 陀螺电机多信息测试系统外形图

图6为陀螺电机多信息测试系统采集的陀螺电机工作全过程的电压数据，图7为电机在停转时刻的电压波形放大图。从图中可以清楚看出，虽然在停机时刻，陀螺电机的工作电压较小，系统信噪比较小，但是系统能够有效测试出电压波形，具有较高测测试精度。因此，陀螺电机多信息测试系统实现了对电压信号的高精度测试，可为后续的信号处理提供数据支持，利于提取更精确的表征陀螺电机状态的信号特征。

图6 陀螺电机工作电压

图7 陀螺电机停机时刻的电压波形

图8为光电传感器输出的脉冲信号，由图可知陀螺电机多信息测试系统测试的脉冲波形规则、噪声干扰小。经过转换计算后，系统的转速测试精度达到了0.001rad／s。

图8 测试的转速传感器脉冲输出

6 结语

针对舰船惯导系统状态检测和性能评估需求，以其核心组成部件陀螺电机为研究对象，以Lab－VIEW为开发平台，基于虚拟仪器技术，构建了以NI－4070数据采集设备和PXI机箱为硬件构建，以LabVIEW为软件开发平台的陀螺电机多信息测试系统。系统可以根据测试需求设置电机的测试时间、测试次数、采样间隔等测试参数，实现对陀螺电机工作状态下的电压、电流、声音、转速等多信息的无损测试，且测试结果可直接存储了计算机数字量。实验室条件下的陀螺电机测试实验表明，构建的陀螺电机多信息测试系统工作稳定、可靠，测试数据可信，为陀螺电机特征参数的提取和预测提供数据依据，为陀螺仪及舰船惯导系统的性能评估提供技术途径。

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