LabWindows／CVI在飛行模擬器中的應用

摘要：闡述了借助LabWindows／CVI環(huán)境實現(xiàn)飛行模擬器測控系統(tǒng)的設計過程。介紹系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，同時描述了利用軟件的方法實現(xiàn)操縱負荷系統(tǒng)信號的采集、控制TCP通信，自動參數(shù)測試等功能。實際使用表明：該系統(tǒng)操作方便，人機界面友好，工作性能穩(wěn)定可靠，為模擬飛行器的檢測維修提供強有力的技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabWindows／CVI；飛行模擬器；數(shù)據(jù)采集

    為了滿足基于教學工作過程需要，凸現(xiàn)航空特色，創(chuàng)設集“教、學、做”一體化的教學情境環(huán)境，開發(fā)了運5簡易飛行模擬器設備，該項目以真實的運5飛機為載體，以LabWindows／CVI為開發(fā)環(huán)境，主要面向?qū)W生演示飛機的飛行的姿態(tài)(縱向、升降、傾向、俯仰、橫滾和航向)以及飛行過程中各種儀器儀表的變化，使學生對飛機的飛行原理以及駕駛技術(shù)具有一定了解，使其在模擬器上完成簡單的飛行操作。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    由于該模擬器僅用于教學，參觀演示，僅涉及了飛機飛行過程一些飛機飛行過程中的必須設備和必須功能，因此，對模擬器簡易化處理后，它主要包括儀表控制系統(tǒng)、操縱負荷系統(tǒng)和視景環(huán)境模擬系統(tǒng)，該飛行器控制系統(tǒng)用框圖如圖1所示。

1．1 操縱模擬控制系統(tǒng)
    操縱模擬控制系統(tǒng)義稱操縱負荷系統(tǒng)，是整個項目的核心，主要為飛行員提供逼真的座艙操縱感覺。座艙操縱感覺是飛行員移動操縱感覺時的負荷感覺，它受到操縱面偏轉(zhuǎn)的影響，并由此產(chǎn)生操縱輸入引起飛機的響應。操縱負荷系統(tǒng)分為操縱負荷裝置和飛機操縱系統(tǒng)模型兩部分。其中。操縱負荷裝置用于產(chǎn)生實際的模擬器座艙操縱力；飛行操縱系統(tǒng)模型用于仿真給定條件下特定飛機操縱系統(tǒng)的各種力的形成。通過這兩部分的集成，仿真實現(xiàn)所需的座艙操縱力，從而產(chǎn)生操縱力的感覺，這種感覺與飛行員在真實飛機中的體驗感覺相似。
    運5模擬器的操縱負荷系統(tǒng)采用電動系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括兩個主要的子系統(tǒng)：操縱負荷計算機子系統(tǒng)和操縱負荷裝置子系統(tǒng)。前者用于計算飛機飛行操縱系統(tǒng)以及作動器控制回路的數(shù)學模型，控制器的輸出提供驅(qū)動作動器通道的控制信號；而后者用于將控制信號轉(zhuǎn)換為電動作動器的運動，驅(qū)動座艙操縱裝置。
1．2 模擬儀表控制系統(tǒng)
    運5模擬器儀表控制系統(tǒng)是運5模擬器的重要組成部分。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)運5飛機在模擬飛行狀態(tài)時。各個儀表在操縱系統(tǒng)作用下的指示，讓操作者有身臨其境的感覺。運5簡易模擬器采用運5飛機上的真實儀表，座艙內(nèi)基本保持運5飛機結(jié)構(gòu)不變。整個儀表控制系統(tǒng)的驅(qū)動信號由模擬信號控制系統(tǒng)和氣壓信號控制系統(tǒng)構(gòu)成，它結(jié)合視景及音響實時顯示飛機的飛行姿態(tài)以及所處的高度等。
1．3 3D環(huán)幕視景仿真系統(tǒng)
    3D環(huán)幕視景系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是舵通道圖形處理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)處理高分辨率的視頻文件或圖片，在圖形處理系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)源文件的多通道分割，舵通道圖像重疊，融合帶的亮度調(diào)節(jié)、像素級的邊緣集合校正、羽化處理。最后實現(xiàn)多通道無縫完整圖像輸出；二是3D多通道輸出系統(tǒng)，接收到經(jīng)圖形處理系統(tǒng)處理過的源文件后，經(jīng)過本身處理器件的2D、3D效果的多通道視頻或圖片。
    整個系統(tǒng)從性能與方便性著手。在保證了完美融合效果的基礎上簡化了系統(tǒng)的控制過程，使整個系統(tǒng)更實用、更人性化。
1．4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計
    整個模擬器以工控機為核心，運行信號均源于操縱負荷系統(tǒng)，操縱負荷系統(tǒng)分為操縱負荷裝置和飛機操縱系統(tǒng)，如圖2所示。其中操縱負荷裝置可以產(chǎn)生實際的模擬器座艙操縱力，使升降舵、副翼和方向舵發(fā)生相對的運動，通過傳感器對位移，角度進行測量。工控機對所收到的信號進行分析處理，通過以太網(wǎng)傳給視景仿真計算機，使視景顯示器顯示相應的視景畫面：工控機還將分析處理過的信號通過適配箱送往座艙儀表，驅(qū)動儀表顯示相應的數(shù)值。

2 基于LabWindows／CVI的模擬器軟件實現(xiàn)
2．1 LabWindows／CVl開發(fā)環(huán)境的選擇
    LabWindows／CVI是一個基于ANSI C的交互式可視化軟件開發(fā)環(huán)境，是美國NI公司推出的面向儀器與測控過程的C／C++交互式開發(fā)平臺。它將功能強大、應用廣泛的C語言與測控專業(yè)工具有機地結(jié)合起來，利用其集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、豐富的函數(shù)面板、強大的接口功能、豐富的庫函數(shù)以及功能齊全的軟件工具包，大大增強了C語言的功能。它將源代碼編輯、強有力的儀器庫、32位ANSI C編譯、鏈接、調(diào)試以及標準ANSI C庫集成在一個交互式開發(fā)環(huán)境中，極大地簡化了圖形用戶接口的設計，同時為使用者提供了靈活的、內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集分析和顯示功能。具有多種與硬件通信的方式，例如RS232，VXI等。同時，也可以建立TCP／IP通信機制。相對于VC、VB等其他開發(fā)工具，LabWi-ndows／CVI具有更強的硬件控制和數(shù)據(jù)分析處理能力，特別適用于各種測試、控制、故障分析及信息處理軟件的開發(fā)，尤其是大型復雜的測控軟件，可獲得優(yōu)良的測控性能。在LabWindows／CVI中，還加入了數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡開發(fā)的軟件包，使其能夠滿足超大容量數(shù)據(jù)的存儲和大型分布式遠程網(wǎng)絡測控系統(tǒng)的開發(fā)。
    鑒于以上LabWindows／CVI的優(yōu)點，考慮到整個模擬器運行的信號都來源于操縱負荷系統(tǒng)，這便構(gòu)成了以操縱負荷系統(tǒng)為主的測控系統(tǒng)。故本項目以LabWindows／CVI虛擬儀器編程語言作為軟件開發(fā)平臺。
2．2 系統(tǒng)軟件設計實現(xiàn)
2．2．1 軟件結(jié)構(gòu)模塊設計
    軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設計思想，提高了編程效率，增強了軟件的可維護性和可擴展性。根據(jù)需要，系統(tǒng)軟件模塊設計了數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行控制與輔助三大模塊，具體有以下9個部分。其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    1)數(shù)據(jù)采集模塊 負責各種標準信號的采集，按通道傳送給顯示、存儲模塊，并對輸入的波形信號進行同步，其中還包括硬件的初始化和采集參數(shù)的設置。
    2)數(shù)據(jù)存儲模塊 按照規(guī)定的格式將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。
    3)數(shù)據(jù)顯示模塊 根據(jù)不同的需要實時顯示模擬器航姿、仰角等參數(shù)以及波形、軌跡和各種譜圖。
    4)數(shù)據(jù)分析模塊 將采集回來的數(shù)據(jù)進行分析，和預設的數(shù)據(jù)相比較，進而算出調(diào)節(jié)量。采用的數(shù)據(jù)分析方法有：時域分析、頻域分析、相關(guān)分析、回歸分析、數(shù)理統(tǒng)計、趨勢分析和高級分析等。
    5)儀表驅(qū)動模塊 將控制數(shù)據(jù)發(fā)送至通道，產(chǎn)生各種調(diào)節(jié)儀器的控制命令。
    6)文件管理模塊 提供數(shù)據(jù)輸出、報表打印以及歷史查詢。
    7)數(shù)據(jù)庫管理模塊 實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中各類數(shù)據(jù)進行有效的管理，同時存放檢測數(shù)據(jù)和結(jié)論，根據(jù)檢測內(nèi)容做出記錄表單。
    8)報警模塊 系統(tǒng)出現(xiàn)故障時報警，顯示故障類型并啟動保護措施。
    9)TCP通信模塊 完成3D視景系統(tǒng)之間的通信。
    運5操縱負荷系統(tǒng)仿真系統(tǒng)采用該軟件進行設計，其流程如圖4所示。

    主程序完成初始化后，調(diào)用權(quán)限操作、采集、視景通信模塊、控制(儀表驅(qū)動、操作機構(gòu)、俯仰控制)等模塊。并隨時響應串口和鍵盤中斷。為防止干擾，采集模塊采用多次采集，去掉最大和最小數(shù)據(jù)，取平均值的方法。經(jīng)采集所取得的數(shù)據(jù)經(jīng)由存儲模塊和顯示模塊存入數(shù)據(jù)庫并顯示于面板，需要的時候可以通過數(shù)據(jù)庫管理模塊和文件管理模塊進行查詢和打印。另外，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息便可通過儀表驅(qū)動模塊完成操縱機構(gòu)、俯仰控制等功能。
2．2．2 軟件編程中的關(guān)鍵模塊
    1)俯仰控制模塊 函數(shù)int ComWrt(int COMPort，charbuffer[]，int count)通過串口COMPort向變頻器發(fā)送控制命令，命令數(shù)據(jù)存儲在存儲器buffer[]中，數(shù)據(jù)長度為count字節(jié)?？刂谱冾l器的運行、停止、正／反轉(zhuǎn)。
   
    函數(shù)void CRC_WrtFre(int FRECOM，unsigned int DValue，unsigned FreAdr，int Length_CRC)設定變頻器的工作頻率。通過串口FRECOM向變頻器發(fā)送工作頻率值Dvalue。
    調(diào)用：
   
    2)操縱機構(gòu)控制模塊 函數(shù)double sensor_com(int ID)；功能說明：向傳感器發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令，讀取和存儲傳感器輸出的原始數(shù)據(jù)，并計算出傳感器的位移量。計算方法為：
   
    3)儀表驅(qū)動控制模塊 函數(shù)void da_send(int corn，intkahao，int channel，double da_sendata)用來發(fā)送電壓表所需的電壓值；函數(shù)double AD24(int COM，int CardID，int way，double*Val)用來采集電壓，對于需要采集的電壓進行采集并將其顯示在面板上；函數(shù)void Relay(int comport，int cardlD，intchanelNum，char ctrldata[17])用來控制繼電器的通斷狀態(tài)；函數(shù)void YB_High(double sjd_A)根據(jù)升降舵的變化來控制高度表和升降速度表的指示，其中YB_High為函數(shù)名，sjd_A為升降舵值；函數(shù)void YB_Airspeed(double ymg_V)根據(jù)油門桿來控制變頻器的頻率；函數(shù)void YB_Qhq(double Value)和void YB_Pq(double Value)分別是汽化器溫度表和排氣溫度表的驅(qū)動函數(shù)，驅(qū)動變量為副翼；函數(shù)void YB_Wxdhizh(double Value)用來驅(qū)動無線電高度表，其中YB_Wxdhigh是函數(shù)名，Value為油門桿位置；函數(shù)void YB_Sy(double Value)三用表的驅(qū)動，其中YB_Sy為函數(shù)名，Value為油門桿位置；函數(shù)void YB_Dq(double Value)驅(qū)動大氣溫度表，其中YB_Dq為函數(shù)名，Value為油門桿位置。
    4)視景音響控制模塊 函數(shù)void calculate()根據(jù)3個舵面和油門桿的數(shù)據(jù)計算視點位置的x坐標、y坐標、z坐標、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角；函數(shù)void(*InitNet)(int fig)，函數(shù)功能：初始化網(wǎng)絡。初始化包括IP地址，端口號等信息；函數(shù)void(*SendFlightData)(int flg)向視景計算機傳送數(shù)據(jù)。
    函數(shù)void(*CloseNet)(int fig)用于關(guān)閉網(wǎng)絡；函數(shù)void(*ChangeData)(float viewx，float viewy，float viewz，float thet，float gam，float psi)用于交換數(shù)據(jù)。將控制系統(tǒng)軟件生成的數(shù)據(jù)FlyData傳送到視景軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時更新交換，這是實時通信的基礎所在。

3 結(jié)束語
    該系統(tǒng)以LabWindows／CVI虛擬儀器編程語言作為軟件開發(fā)平臺，以性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)處理能力強大的工控機為硬件系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)庫技術(shù)和模塊化相結(jié)合，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，同時使得系統(tǒng)具有良好的可視性、交互性和擴展性。它能夠完成飛行模擬器各個參數(shù)的采集、控制，并通過計算機的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)控制、實時曲線、事故報警等畫面，使操作人員能夠了解機載設備的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題，測試功能齊全，防差錯能力強，工作運行穩(wěn)定可靠，用戶界面友好，為飛行器裝備的技術(shù)保障提供強大支持。