基于虛擬儀器的旋變/數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　摘要：針對(duì)某型航跡繪算儀的軸角測(cè)試問(wèn)題，提出了一種基于LabVIEW和PCI-1753的軸角信號(hào)測(cè)試方法，并給出了具體實(shí)施方案。應(yīng)用結(jié)果表明，其性能完全符合要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航跡儀軸角信號(hào)的測(cè)試。

　　關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)變壓器;LabVIEW;PCI-1753;數(shù)據(jù)采集

　　引言

　　航跡繪算儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)航跡儀)是非常重要的航海導(dǎo)航設(shè)備，用于自動(dòng)推算船舶的船位并將其航跡自動(dòng)繪制在麥卡托海圖上。當(dāng)航跡儀出現(xiàn)故障進(jìn)廠維修時(shí)，需構(gòu)建航跡儀仿真運(yùn)行與測(cè)試平臺(tái)，完成航跡儀在線工作環(huán)境的模擬和解算輸出的檢測(cè)，以方便維修人員對(duì)故障進(jìn)行排除和檢測(cè)維修后的航跡儀經(jīng)緯度輸出精度是否滿(mǎn)足要求等。對(duì)于大量采用旋轉(zhuǎn)變壓器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“旋變”)、自整角機(jī)等微電機(jī)作為機(jī)械解算元件的航跡儀來(lái)說(shuō)，軸角信號(hào)的采集是其仿真運(yùn)行與測(cè)試平臺(tái)需重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一。本文以一路緯度信號(hào)(旋轉(zhuǎn)變壓器輸出，轉(zhuǎn)值2°/r，激磁40V400Hz，信號(hào)電壓23V，增量式輸出)的采集為例介紹一種旋變軸角模擬信號(hào)的采集方法。

　　設(shè)計(jì)方案

　　為了保證系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展性，采用基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)試平臺(tái)?？紤]到體積、重量等因素，采用固態(tài)技術(shù)，而不使用機(jī)械式旋轉(zhuǎn)變壓器。為了提高開(kāi)發(fā)速度，軸角轉(zhuǎn)換模塊的控制采用數(shù)字I/O卡，避免基于PCI總線板卡的軟硬件設(shè)計(jì)。仿真運(yùn)行與測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建航跡儀所需的工作環(huán)境，并對(duì)航跡儀各旋轉(zhuǎn)變壓器解算輸出進(jìn)行檢測(cè)。整個(gè)仿真運(yùn)行與測(cè)試平臺(tái)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。軸角信號(hào)的采集基于航跡儀仿真運(yùn)行與測(cè)試平臺(tái)，其系統(tǒng)組成如圖1所示。圖中，軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊用于將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬角度信號(hào)轉(zhuǎn)換成與TTL電平兼容的并行自然二進(jìn)制碼數(shù)字量[1,2]，其工作所需的激磁和工作電源分別由激磁電源和直流電源提供。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　軸角信號(hào)采集的硬件由研華工控機(jī)及其配件、數(shù)字I/O卡、朝陽(yáng)一體化變頻電源、軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字軸角轉(zhuǎn)換電路板、信號(hào)轉(zhuǎn)接底板等組成。軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)軸角旋變模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，其選型根據(jù)輸出的緯度信號(hào)的性質(zhì)決定，包括分辨率、激磁、變比等，經(jīng)分析后定制SDC1806[2]。數(shù)字I/O卡選用研華的一款基于PCI總線的數(shù)字量I/O卡PCI-1753，非常適合航跡儀仿真運(yùn)行與測(cè)試平臺(tái)，其主要特點(diǎn)為：96路TTL數(shù)字量I/O;仿真8255 PPI，模式0;提供比8255更高的驅(qū)動(dòng)能力緩沖電路;系統(tǒng)熱啟動(dòng)后，保持I/O口設(shè)置和數(shù)字量輸出值;支持干、濕接點(diǎn)[3]。信號(hào)轉(zhuǎn)接底板完成數(shù)字I/O卡、多功能采集卡、電源信號(hào)與軸角轉(zhuǎn)換電路之間的連接、軸角轉(zhuǎn)換電路與航跡儀之間的連接以及電源信號(hào)與電平及脈沖信號(hào)采集電路板之間的連接等。圖2給出了SDC1806模塊與數(shù)字I/O卡和旋轉(zhuǎn)變壓器等的連接關(guān)系。

軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)是軸角信號(hào)采集的靈魂。用基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的軟件運(yùn)行在工控機(jī)平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器軸角信號(hào)的采集、處理及顯示等。軟件總體上包括零位對(duì)準(zhǔn)模塊、緯度采集模塊、角度解算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放模塊等。

　　零位對(duì)準(zhǔn)模塊

　　假設(shè)初始緯度為80°，此時(shí)旋變輸出應(yīng)為0°，由于旋變存在機(jī)械零位，實(shí)際上緯度采集值不為0°，而為包含0-2°之間的某一個(gè)角度如1.95°的值，因此必須把該角度作為一個(gè)初始零位，在此后每次采集時(shí)都要加上這個(gè)初始零位。具體方法為：緯度采集值加上2°，減去緯度零位，所得值如小于2°，則直接所得值作為緯度實(shí)際值輸出;所得值如大于2°則將所得值減去2°后作為緯度實(shí)際值輸出。

　　緯度采集模塊

　　緯度采集模塊完成對(duì)PCI-1753數(shù)字I/O卡和SDC1806旋變/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的程序控制，并把旋變輸出的模擬角度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字角度信息。緯度采集模塊為一個(gè)順序程序結(jié)構(gòu)，第1幀使用DIOWriteBit.vi將PCI-1753的PC05置0，即向SDC1806模塊的“/INH”引腳發(fā)一個(gè)邏輯低電平，使模塊停止計(jì)數(shù)，輸出的數(shù)據(jù)不變。第2幀使用DIOWriteBit.vi將PCI-1753的PC07置1，即向SDC1806模塊的“BYSEL”引腳發(fā)送邏輯高電平，此時(shí)決定模塊采用字輸出方式，模塊的輸出與16位數(shù)據(jù)總線對(duì)應(yīng)連接[4]。第3幀使用DIOReadPortByte.vi讀取PC-1753板卡3#、4#端口輸出的14位二進(jìn)制角碼，然后二進(jìn)制角碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制角度，如圖3所示。由于旋變的轉(zhuǎn)值為2°，故模塊輸出的最大值為214-1=16383，即代表2°。第4幀使用DIOWriteBit.vi將PCI-1753的PC05置1，即向SDC1806模塊的“/INH”引腳發(fā)一個(gè)邏輯高電平，使模塊重新工作，輸出的數(shù)據(jù)開(kāi)始變化。

　　角度解算模塊

　　角度解算模塊的框圖程序如圖4所示。輸出緯度信息的旋變的轉(zhuǎn)值為2°/r，角度信息為增量輸出方式，而系統(tǒng)要求得到緯度信息的連續(xù)數(shù)據(jù)，因此必須解決解算過(guò)程中的角度區(qū)間問(wèn)題，確定轉(zhuǎn)角的區(qū)間后即能得到實(shí)際的緯度值。顯而易見(jiàn)，在采樣周期內(nèi)緯度變化不可能超過(guò)0.5°(即1/4圓周)，因此可將0-2°按相位劃分為0-0.5°、0.5-1°、1-1.5°和1.5-2°四個(gè)象限。以ain表示本次緯度采集值、bin表示上次緯度采集值、fai代表本次實(shí)際緯度值、fai0代表上次實(shí)際緯度值。解算判別的關(guān)鍵就在于看旋變是否過(guò)零位。當(dāng)本次采樣為第Ⅰ象限，上次采樣為第Ⅳ象限時(shí)，表明旋變順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一周，則實(shí)際緯度值需加上一圈，即fai=fai0+2+ain-bin;當(dāng)本次采樣為第Ⅳ象限，上次采樣為第Ⅰ象限時(shí)，表明旋變逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一周，則實(shí)際緯度值需減去一圈，即fai=fai0-2+ain-bin;其它情況下，實(shí)際緯度值只需加上緯度增量值即可，即fai=fai0+ain-bin。

　　數(shù)據(jù)顯示模塊

　　數(shù)據(jù)顯示模塊可以數(shù)字、圖形等方式實(shí)時(shí)顯示理論經(jīng)緯度、采集經(jīng)緯度、時(shí)間信息及其它測(cè)試相關(guān)信息。經(jīng)緯度數(shù)字顯示為度分格式(因航跡儀本身僅輸出度分格式)，由數(shù)據(jù)顯示模塊根據(jù)角度解算模塊輸出的經(jīng)緯度信息和理論推算經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換而來(lái)。航跡曲線按照地理坐標(biāo)方式(即橫軸為經(jīng)度、縱軸為緯度)同時(shí)顯示理論航跡和解算航跡。緯度計(jì)算值與緯度采集值分別通過(guò)Convert to Dynamic Data函數(shù)轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類(lèi)型，然后通過(guò)Merge Signals合并為一路信號(hào)，作為航跡曲線XY Graph的Y軸數(shù)據(jù)。用同樣的方法得到航跡曲線XY Graph的X軸數(shù)據(jù)(經(jīng)度)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放模塊

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可以實(shí)現(xiàn)將理論推算經(jīng)緯度信息和采集到的經(jīng)緯度信息附帶時(shí)間信息以xls格式存儲(chǔ)于工控機(jī)的硬盤(pán)中，便于對(duì)航跡儀的解算數(shù)據(jù)進(jìn)行事后分析。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的程序框圖如圖5所示。數(shù)據(jù)回放模塊可將xls格式的歷史航跡數(shù)據(jù)回放，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析，方便維修人員對(duì)故障的分析和解算精度的評(píng)判。程序選用LabVIEW中文件存儲(chǔ)模板的中級(jí)函數(shù)及底層函數(shù)節(jié)點(diǎn)，這種方式雖然編程較繁瑣，但針對(duì)諸如存儲(chǔ)位置選擇及操作異常等情況的處理，保證了軟件的穩(wěn)定性及友好性[4-5]。

　　結(jié)語(yǔ)

　　利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，便于設(shè)備更新和功能的補(bǔ)充與完善，越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用到自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中。文中提出的基于LabVIEW和數(shù)字I/O卡的軸角采集方案應(yīng)用到航跡儀仿真運(yùn)行與測(cè)試平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航跡儀內(nèi)部解算部件、對(duì)外輸出接口的檢測(cè)和故障診斷，對(duì)航跡儀的性能評(píng)估發(fā)揮了重要作用。采用文中所述方法構(gòu)建的軸角采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠，已被推廣應(yīng)用到羅經(jīng)、計(jì)程儀等裝備的測(cè)試系統(tǒng)中。