基于PXI總線的某型舵系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

摘要：基于PXI平臺(tái)，并結(jié)合高效靈活的LabVIEW軟件組成的虛擬儀器系統(tǒng)完成對(duì)某型舵系統(tǒng)的檢測(cè)。通過使用PXI-6713板卡輸出的信號(hào)控制系統(tǒng)的工作，并利用PXI-6254板卡采樣經(jīng)系統(tǒng)調(diào)理后反饋的各路信號(hào)，再利用計(jì)算機(jī)根據(jù)指標(biāo)來分析判斷該系統(tǒng)工作是否正常及各項(xiàng)參數(shù)是否符合技術(shù)指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；PXI總線；LabVIEW

O 引言
    隨著虛擬儀器技術(shù)、PXI總線技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，要求測(cè)試設(shè)備要具有小型化、集成化、智能化的特點(diǎn)，并且在部隊(duì)裝備搶修時(shí)，也對(duì)測(cè)試設(shè)備在振動(dòng)、溫度與濕度方面提出了較高的要求。利用虛擬儀器技術(shù)，采用PXI總線開發(fā)可視化故障診斷平臺(tái)，可以方便地將專家的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)資料等信息融入到診斷流程開發(fā)中，完成測(cè)試程序的開發(fā)。實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)裝備的快速故障診斷，提高對(duì)裝備的臨時(shí)搶修和應(yīng)急、機(jī)動(dòng)保障能力。

1 某型舵系統(tǒng)的工作原理
    該系統(tǒng)由舵機(jī)放大器(以下簡稱舵放)、四個(gè)電動(dòng)舵機(jī)(以下簡稱舵機(jī))和舵面組成，作為慣性控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，舵放將輸入信號(hào)和舵機(jī)的位置、速度反饋信號(hào)，變換成一定的控制信號(hào)給舵機(jī)，再由舵機(jī)帶動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)角度跟蹤達(dá)到穩(wěn)定和控制彈體飛行的目的，對(duì)導(dǎo)彈的航向、俯仰和傾斜進(jìn)行自動(dòng)控制，結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

    輸入信號(hào)和本系統(tǒng)的位置、速度反饋信號(hào)經(jīng)舵放變換后輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作，將舵機(jī)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過減速器傳遞到輸出軸。當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，電動(dòng)舵機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩不可能傳遞到輸出軸，輸出軸不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)輸入信號(hào)為正電壓時(shí)，將電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過減速器傳遞到輸出軸，致使輸出軸向—個(gè)方向偏轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)電壓時(shí)，致使輸出軸向另一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)。
    為穩(wěn)定系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)角，并使輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)成正比，采用電位器進(jìn)行位置反饋。
    為使系統(tǒng)工作穩(wěn)定和改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作品質(zhì)，采用測(cè)速發(fā)電機(jī)進(jìn)行速度反饋。

2 測(cè)試原理
    PXI工控機(jī)利用D／A轉(zhuǎn)換模塊輸出控制信號(hào)，用來模擬舵系統(tǒng)的輸入信號(hào)，同時(shí)電動(dòng)舵機(jī)輸出相應(yīng)的位置、速度反饋信號(hào)，該反饋信號(hào)經(jīng)調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)理，再由A／D數(shù)據(jù)采集模塊采集送入工控機(jī)?？刂朴?jì)算機(jī)將采集的數(shù)據(jù)與相對(duì)應(yīng)舵系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析、比較，來判定各項(xiàng)參數(shù)是否滿足要求，最終確定舵系統(tǒng)工作是否正常，并通過顯示器顯示出測(cè)試結(jié)果。

    PXI控制計(jì)算機(jī)提供調(diào)理模塊工作所需資源的集成環(huán)境，+28．5 V和±15 V直流電源分別為被測(cè)對(duì)象和調(diào)理模塊提供正常工作的電源。

3 硬件設(shè)計(jì)
3．1 測(cè)試平臺(tái)
    PXI平臺(tái)是一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用量身定制的模塊化儀器平臺(tái)，具備機(jī)械、電氣、軟件等多方面的專業(yè)特性。充分利用了當(dāng)前最普及的臺(tái)式計(jì)算機(jī)高速標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)一PCI，是compactPCI規(guī)范的擴(kuò)展，是以CompactPCI為基礎(chǔ)再加上一些特有的信號(hào)組合而成的一個(gè)架構(gòu)，繼承了PCI的電氣信號(hào)，擁有如PCI bus的極高傳輸數(shù)據(jù)的能力。
    PXI產(chǎn)品具有級(jí)別更高、定義更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)沫h(huán)境一致性指標(biāo)，符合工業(yè)環(huán)境下振動(dòng)、撞擊、溫度與濕度的極限條件，尺寸上，4U的PXI機(jī)箱比絕大多數(shù)的臺(tái)式機(jī)或工業(yè)計(jì)算機(jī)平臺(tái)更加緊湊，這對(duì)于狹小環(huán)境下的測(cè)試來說是一項(xiàng)重要的特性。
    PXI模塊化、前插式結(jié)構(gòu)給維護(hù)和升級(jí)帶來極大的便利，如果系統(tǒng)中的一個(gè)模塊需要修理，工程師可以將其取出而不影響其他模塊，模塊化減少的停機(jī)時(shí)間降低了系統(tǒng)壽命內(nèi)的維護(hù)成本。
3．2 板卡選擇
    數(shù)據(jù)采集采用高速數(shù)據(jù)采集卡PXI-6254，D／A轉(zhuǎn)換采用轉(zhuǎn)換模塊PXI45713。
3．3 調(diào)理電路設(shè)計(jì)
    調(diào)理模塊完成直流電源以及各路所需信號(hào)的幅值調(diào)理。調(diào)理原理示意圖如圖3所示。

3．4 保護(hù)設(shè)計(jì)
    檢測(cè)臺(tái)電源的輸入、輸出設(shè)計(jì)有瞬間熔斷保險(xiǎn)絲，具有電過載保護(hù)功能，電纜、電纜組件的布局和接線應(yīng)保證外露接頭不帶電，以防意外短路，并且電連接器應(yīng)有防插錯(cuò)設(shè)計(jì)。
3．5 計(jì)量接口設(shè)計(jì)
    配置電源和信號(hào)的專用檢測(cè)、計(jì)量接口，通過對(duì)該接口信號(hào)的測(cè)量，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行計(jì)量、鑒定和故障定位。
3．6 電磁兼容性設(shè)計(jì)
    (1)電路板采用多層板設(shè)計(jì)，將電源層和地層分別單獨(dú)敷設(shè)；
    (2)印刷板設(shè)計(jì)布局：
    元器件的位置應(yīng)按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、電流大小等進(jìn)行分組，以免相互干擾，所有連接器應(yīng)安排在印刷電路板的一側(cè)，盡量避免從兩側(cè)引出電纜，減少共模輻射；
    (3)線路板的布線線寬不要突變，導(dǎo)線不要突然拐角；
    (4)采用屏蔽電纜，并且電纜布線應(yīng)按照傳輸信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行分類歸并，以便使可能發(fā)生的串?dāng)_減少到最小。
    (5)在控制線進(jìn)入印尉板的入口處加接R-C去耦電路，以便消除長線傳輸中可能出現(xiàn)的干擾因素。

4 軟件設(shè)計(jì)
4．1 軟件描述
    開發(fā)軟件采用NI LabVIEW 2009，它是一種真正意義上的圖形化編程語言，采用工程技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語和圖形化符號(hào)代替常規(guī)的文本語言編程，具有界面友好、操作簡單、開發(fā)周期短等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示等方面，在各大公司、科研機(jī)構(gòu)日益普及，得到廣泛應(yīng)用。
    軟件的輸入主要為檢測(cè)人員錄入的數(shù)據(jù)、用戶輸入的操作指令及相關(guān)的項(xiàng)目檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于測(cè)試的實(shí)現(xiàn)，將應(yīng)完成的測(cè)試步驟及正常的參數(shù)結(jié)果范圍等信息提前保存，在測(cè)試過程中根據(jù)測(cè)試步驟產(chǎn)生控制條件加載指令，完成各測(cè)試步驟后，讀取測(cè)試結(jié)果信息，將測(cè)試值與正常的參數(shù)結(jié)果范圍進(jìn)行分析比較，從而確定該步驟是否通過。
    軟件的輸出主要采用測(cè)試數(shù)據(jù)庫，包括以下內(nèi)容：檢測(cè)時(shí)間、人員、檢測(cè)對(duì)象序列號(hào)、參數(shù)名稱、數(shù)值、測(cè)量參數(shù)的參考值及可能的故障部件等測(cè)試結(jié)果信息，并提供相應(yīng)的格式進(jìn)行打印預(yù)覽和打印輸出。
4．2 軟件功能
    包括系統(tǒng)自檢、測(cè)試參數(shù)的裝訂、按測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行舵系統(tǒng)電參數(shù)的測(cè)試、根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行故障的自動(dòng)診斷和定位、顯示和打印測(cè)試結(jié)果、建立測(cè)試數(shù)據(jù)庫。
4．3 測(cè)試項(xiàng)目及方法
    (1)輸出軸偏轉(zhuǎn)極性測(cè)試：分別給系統(tǒng)加正、負(fù)控制信號(hào)。查看舵機(jī)的輸出軸偏轉(zhuǎn)方向；
    (2)傳遞系數(shù)測(cè)試：給系統(tǒng)加一組輸入信號(hào)，分別計(jì)算出各個(gè)舵的反饋系數(shù)、線性度誤差值；
    (3)轉(zhuǎn)速測(cè)試：計(jì)算出舵機(jī)輸出軸從一個(gè)方向最大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)到另一個(gè)方向最大轉(zhuǎn)角的平均轉(zhuǎn)速；
    (4)過程過渡時(shí)間測(cè)試：輸入一定的階躍控制信號(hào)，同時(shí)開始計(jì)時(shí)和測(cè)量該時(shí)間；
    (5)零位電壓測(cè)試：給系統(tǒng)加一定的輸入信號(hào)然后回零，測(cè)出其零位的反饋電壓；
    (6)最大轉(zhuǎn)角測(cè)量：根據(jù)反饋電壓和舵機(jī)轉(zhuǎn)角的比例關(guān)系，計(jì)算出舵機(jī)偏轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)角；
    (7)控制信號(hào)測(cè)試：給舵放加一組輸入信號(hào)，然后檢測(cè)出其相應(yīng)輸出給舵機(jī)的控制信號(hào)。
4．4 軟件構(gòu)成
    軟件主要由人機(jī)界面模塊、自檢測(cè)模塊、測(cè)試模塊、檢定模塊、幫助說明模塊組成。
    人機(jī)界面模塊要求在顯示器上顯示出供操作者選用相應(yīng)的功能選項(xiàng)，操作者一旦選擇了某項(xiàng)功能，檢測(cè)臺(tái)就打開相應(yīng)的測(cè)試模塊完成該項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后回到主菜單。
    自檢測(cè)模塊是對(duì)檢測(cè)儀的各個(gè)板卡進(jìn)行檢測(cè)，利用自檢測(cè)程序完成板卡各通道的檢測(cè)。自檢完成后，屏幕顯示自檢測(cè)結(jié)果，當(dāng)有故障時(shí)，顯示故障定位，如果提示有故障，則其余測(cè)試模塊將不允許操作。
    測(cè)試模塊是檢測(cè)儀按照測(cè)試項(xiàng)目對(duì)舵系統(tǒng)完成各項(xiàng)電參數(shù)檢測(cè)。并要求測(cè)試模塊每次得出測(cè)試結(jié)果后都可調(diào)用數(shù)據(jù)庫的指標(biāo)，通過對(duì)比得出測(cè)試結(jié)果，若出現(xiàn)故障則需得出故障模式，做出故障定位。
    通過檢定模塊此模塊可以完成對(duì)設(shè)備的計(jì)量檢定。
    幫助說明模塊提供檢測(cè)儀組成、功能、測(cè)試程序概述、使用方法、注意事項(xiàng)。
4．5 軟件流程

4．6 軟件安裝和維護(hù)
    完成軟件的設(shè)計(jì)后，生成可執(zhí)行文件，測(cè)試時(shí)點(diǎn)擊該文件即可運(yùn)行程序。為便于軟件的維護(hù)，在正確完成系統(tǒng)和各個(gè)功能板卡驅(qū)動(dòng)的安裝后，進(jìn)行系統(tǒng)備份。同時(shí)，為了確保系統(tǒng)的安全，設(shè)置重置功能，一旦使用該功能，系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

5 結(jié)束語
    該檢測(cè)臺(tái)基于高速的PXI總線平臺(tái)，能夠滿足該舵系統(tǒng)的檢測(cè)要求，利用PXI總線的模塊完成信號(hào)采集與測(cè)試，硬件通道數(shù)和規(guī)模均可擴(kuò)展，并且用戶通過友好的軟件界面即可完成操作，提供開放的二次開發(fā)接口，功能強(qiáng)大，擴(kuò)展靈活，提高了系統(tǒng)檢測(cè)的機(jī)動(dòng)性和靈活性，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)對(duì)象的快速故障診斷，同時(shí)降低了診斷流程開發(fā)的難度，提高了實(shí)用性。