基于LabVIEW的增压控制器测试设备软件设计

祁锦媛

(上海宇航系统工程研究所，上海 201109)

基于LabVIEW的增压控制器测试设备软件设计

祁锦媛

(上海宇航系统工程研究所，上海 201109)

LabVIEW作为一种功能强大的虚拟仪器开发环境得到广泛的应用；利用LabVIEW设计测试设备软件，读取存储在EXCEL表格中的贮箱压力值，通过RS485串口通信发送给增压控制器作为模拟压力值，增压控制器通过接收的压力值来控制电磁阀的启闭以此验证增压控制的功能，实现软件的测试功能；利用LabVIEW可以设计出简洁友好的界面，方便操作和观察；有效降低程序的计算量，能够做到实时读取和发送。

LabVIEW；运载火箭；增压控制器；测试设备；串口通信

Keywork: LabVIEW；launch vehicle; pressurization controller; test equipment; serial communication

0 引言

运载火箭助推模块氧箱和燃箱均区间采用箱压反馈的闭式气增压方案，需要研制压力传感器反馈的闭式增压方案[4]。压力传感器实时测试贮箱压力传送给增压控制器，增压控制器的主要功能是接收处理压力传感器测得的压力数据，并将数据与预先设定的箱压控制带比较，控制增压路的启闭[7]。为确保增压控制器设计合理正确，需要为增压控制器研制测试设备，用于提供模拟真实压力输出的测试信号。验证增压控制器接口的匹配性、通信功能的正确性和软件设计的合理性。与硬件测试设备相比较而言，利用基于LabVIEW软件模拟测试信号是更加经济、便捷、有效的方式。测试软件的研发周期远小于硬件测试设备，研制的成本也远小于硬件测试设备。测试时，软件具有简单快捷又灵活方便的优点，越来越多地在工程实践中被应用[2]。

1 总体方案设计

采用压力传感器反馈控制的增压系统由“压力传感器+增压控制器+电磁阀+节流圈”组成，氧箱和燃箱各设置一个增压控制器，实现对增压主、副路的控制。增压控制器得到压力传感器输出的贮箱压力值，获知当前贮箱压力值，将该值与设定条件比较，判断状态后驱动电磁阀工作[6]。

贮箱压力与两路电磁阀通断电的要求如图1所示。

图1 增压电磁阀通断压力范围示意图

测试软件用于增压控制器的原理性验证。为真实模拟压力传感器数据，试验中使用点火试车过程中Y箱气枕压力数据作为源数据。利用软件读取Excel中的源数据后按照CY8-44A型压力传感器的数据格式进行编帧，并通过MOXA板卡发送3路RS485总线形式的数据至增压控制器原理验证板。单机接收到测试值后，根据贮箱压力变化和电磁阀控制之间的关系来控制电磁阀工作。电磁阀的通断通过LED灯的亮暗来表示。

整个测试系统的主要组成部分有PC机、MOXA RS485、电缆和单机。具体的结构如图2所示。

图2 结构示意图

贮箱压力和电磁阀通断之间的关系如表1所示[6]。

表1 软件输入输出关系

2 测试软件设计

整个测试软件分为用户界面和程序框图两部分组成。用户界面主要用于与用户的直接对话，如显示和交互等；程序框图主要负责功能的实现，如读取，数据处理和通信等。

2.1 测试软件功能设计

测试软件模拟压力信号值，处理后传送给增压控制器，作为增压控制器的测试值。具体需要实现的功能有读取、浮点型数据到十六进制数据的类型转换、串口发送和波形显示及处理的功能。为了增强程序的可读性，将整个程序分为几个程序模块即子VI来具体实现，分别为读模块、数据类型转换模块、串口发送模块和用户界面操作模块。每个模块仅实现简单的功能，便于快速、容易地理解程序。软件的流程如图3所示。

图3 测试软件流程图

软件的主程序如图4所示。

图4 主程序框图

2.1.1 读模块

读模块要求能够实时读取Excel中存储的压力值数据。但是由于采集的数据量过于庞大，如果直接从Excel读取数据，耗时极长，不能做到实时读取。所以在读模块中利用了TDMS文件作为中间工具来缩短读取所耗时间。TDMS文件是NI公司最新推出的数据管理系统，以二进制方式存储数据，所以文件更小，速度更快。首先将数据写入到TDMS文件中，读取数据时，直接读取生成的TDMS文件，速度极快，能够满足实时读取的要求[1]。

TDMS写入子VI的大致过程为：打开Excel表单→读取单元格数据→存储到数组→写入TDMS文件→关闭Excel表单。

2.1.2 数据类型转换模块

TDMS文件中读取的是浮点型数据，而串口发送时使用的是十六进制数据类型。串口发送前要先进行数据类型的转换。

通讯接口采用RS485异步串行通讯接口，数字式压力传感器输出的数据帧包括1个字节的帧头，2个字节的压力数据字节，1个字节的校验和，以及一个字节的帧尾。每个字节为8-bit字符型数据，具体数据格式见表2。

表2 数字压力传感器通信数据帧格式

其中压力数据为2个字节(DH,DL)的整型数据，压力最小压力刻度(1 LSB)为0.1 kPa将此2个字节(16bit)整型数据乘以1 LSB。即为真实压力值，单位为(MPa)，累加和为2个压力字节(即压力高字节和压力低字节)累加后的低8bit数据。

2.1.3 串口发送模块

串口通信作为仪器通信的一部分，它的函数是VISA函数的子集。串口操作的基本过程为：配置串口参数(打开串口)→发送或接收数据→关闭串口。主要使用是串口配置函数，VISA写入函数和VISA关闭函数实现串口通信。

利用LabVIEW可以多线程运行的优点，三路串口并行发送，所以在串口配置时要对三个串口分别进行配置。串口配置的参数配置非常重要，它直接关系到串口通信是否正常。串口配置完成后使用VISA写入函数进行发送[1-3]。发送内容是类型转换模块中经转换得到的十六进制数据，以HEX方式显示。串口发送完毕后需要使用VISA关闭函数，关闭设备对话句柄，释放串口资源。

2.2 测试软件界面设计

LabVIEW的前面板是交互式图形化用户界面，这对于设计简洁友好的交互式界面有非常大的帮助。用户界面的主要组成部分有波形图、串口选择、参数设置、当前数值观察和停止键。软件本身设置了默认参数，当用户有个性化的需求时也可以自定义。此外，软件可以对波形显示的结果进行放大，缩小，取值等操作，使得用户也能够直观地得到实验结果，方便观察。用户界面如图5所示。

图5 用户界面

波形图表横轴为行数，纵轴为压力数据值，单位为兆帕(MPa)。曲线图例上有7条曲线。com1,com2,com3分别代表三路压力数据，传送至三路串口。其余4条代表4个阈值，对应表1中的P1,P2,P3,P4。波形图表右上侧的数值显示框中显示的是在当前时刻三条压力曲线的实时数值。串口选择一栏用于三路串口资源的选择，默认值分别为com1,com2,com3。参数设置一栏中列出了等待时间、波特率和行数三个参数，并设置默认参数。当前数据观察一栏中，当前数值表示实验进行中当前时刻的行数com1,com2,com3代表当前三个串口发送的数据，数据类型是十六进制数据。停止键的作用是实验进行中停止本次运行。

3 试验验证

本次试验均使用默认值进行实验。将测试软件和增压控制器原理验证板进行联试，对增压控制器进行原理性验证。实验的运行曲线如图6所示。

图6 运行曲线图

波形曲线表示的是串口传送给增压控制器的压力值。增压控制器上电磁阀的通断按照表1软件输入输出关系来确定。电磁阀的通断在增压控制器原理验证板上通过LED等的亮灭来表现。波形图中用四条白线对应四条阈值曲线。

结合图6，试验过程中，原理验证板能够正确按照表2中输入输出关系进行继电器控制，并且符合软件波形图的显示，增压控制器的功能基本实现，测试软件能够满足测试需求。

4 结论

为判断增压控制器逻辑功能，给出了基于LabVIEW的测试设备软件设计。软件模拟真实的压力信号，处理后发送给增压控制器作为测试值。整个测试软件分为读模块、数据类型转换模块、串口发送模块和用户界面操作模块，增强程序的可读性。参数调整便捷，计算速度快，能够做到实时读取和发送，数据使用波形显示，直观有效。联试试验验证结果良好，增压控制器能够按照表2中输入输出关系进行继电器控制，测试符合要求。未来可作为其他单机的测试设备，重复使用。

[1] 陈树学,刘 萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2] 阮奇桢.我和LabVIEW ——一个NI工程师的十年编程经验(第二版)[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[3] 吕向锋,高洪林,马 亮,等. 基于LabVIEW串口通信的研究[J]. 国外电子测量技术,2009,(12).

[4] 范瑞祥,田玉蓉,黄 兵. 新一代运载火箭增压技术研究[J]. 火箭推进,2012(4).

[5] 向红军,雷 彬.基于单片机系统的数字滤波方法的研究[J].电测与仪表,2005(9):55.

[6] 潘 雷.三取二平台的时钟同步算法[J].铁道通信信号,2011,12:72-73.

[7] 姚 娜,李会萍,程光平,等.新一代运载火箭推进剂贮箱的冗余氦气增压系统[J].上海航天,2014(2):42.

Software Design of Test Equipment for Pressurization Controller Based on LabVIEW

Qi Jinyuan

(Institute of Aerospace System Engineering, Shanghai 201109,China)

LabVIEW is widely used as virtual instrument development environment with powerful functions. The software of test equipment is designed based on LabVIEW, which can read the pressure value in EXCEL and send simulated pressure signal to pressurization controller through RS485. The pressurization controller can control the solenoid on and off according to the received pressure value so as to verify the function of pressurization controller. Furthermore, the software has friendly interface, convenient for operation and observation, achieving the effective reduction of computational complexity, real time read and sending.

2016-09-21；

2016-10-12。

祁锦媛(1992-)，女，上海市人，硕士生，主要从事运载火箭测量综合技术方向的研究。

1671-4598(2017)02-0113-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.031

TP311

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