姿控發動機減壓閥性能測試系統設計

（海軍裝備部駐重慶軍事代表局，成都 610100）

氣體減壓閥是姿控發動機的重要組件之一，在姿控發動機工作過程中發揮著壓力調節器的作用，可以將控制氣、吹除氣、貯箱擠壓氣等高壓氣體減壓到所需的壓力。減壓閥工作特性的好壞直接影響著姿控發動機的性能，也影響到火箭發射或衛星軌道確定及軌道保持的成敗。

減壓閥性能測試系統是姿控發動機的一個地面測試設備。用于完成對姿控發動機出廠前以及發射加注前減壓閥性能的測試。該系統是在繼承其他型號檢測設備先進性能的基礎上，對各分系統進行了優化設計，在設備工作可靠性、安全性得到保證的前提下開發的減壓閥地面測試設備。整套設備結構緊湊輕巧，便于移動和使用維護，為一款便攜式地面測試設備。該測試系統基于PC-104 計算機總線架構，集測量控制功能于一體，具有檢測精度高、可靠性高、操作便利等特點，能夠完成對減壓閥的零流量抗沖擊試驗和3種不同流量下的流量特性試驗。在測試過程中，可以實時動態顯示測試結果，高速記錄減壓閥的入口壓力和出口壓力，并具有完善的數據處理功能，可以快速打印測試結果。

本文設計的測試系統所采用的減壓閥、電磁閥、管路連接件等工藝管件均為成熟標準設備，所采用的嵌入式計算機、采集卡、顯示器等均為寬溫、軍品級元件，目的是提高系統的可靠性。軟件主要由驅動程序和用戶程序所組成，驅動程序采用C++語言結合動態鏈接庫技術、虛擬設備驅動程序技術進行設計，用戶程序則采用Delphi7 語言進行開發。

1 系統組成及測試原理

減壓閥性能測試系統由手動截止閥、高壓電磁閥、10 L 氣瓶、2 L 氣瓶、1.6 mm 孔徑限流圈、1.0 mm 孔徑限流圈、0.5 mm 孔徑限流圈、壓力變送器、采集控制器等組成，其測試原理如圖1所示。

圖1 減壓閥性能測試系統原理圖

該系統采用模塊化結構，其主要模塊為減壓閥配氣臺和采集控制器，配氣臺可以為減壓閥性能測試提供高達25 MPa的高壓氣源，采集控制器則完成對減壓閥的控制和測量參數的檢測任務。在對減壓閥進行性能測試時，需要對其進行零流量抗沖擊試驗和3種不同流量下的流量特性試驗，目的是模擬和檢測減壓閥在電爆閥瞬間零流量狀態下減壓閥的抗沖擊性能和起爆后3種流量下減壓閥的流量特性。

2 測試系統硬件組成

采集控制器是減壓閥性能測試系統的核心設備，主要由嵌入式主機、DM5416 多功能卡、電磁閥驅動電路、壓力變送器、智能數顯表和熱敏打印機等組成，其硬件結構如圖2所示。該控制器采用嵌入式系統設計方法進行設計，具有低成本、低功耗、智能化、小型化、高可靠性的特點，其主要測試指標如下：

1）壓力測量精度：0.4級；

2）8路電磁閥控制通道，4路模擬量測量通道；

3）采樣分辨率為16 位，采樣速率為1 000點/s；

圖2 硬件組成框圖

主控計算機是控制器的核心部件，為了可靠和便于設備集成，采用研華公司的PCM-3353 嵌入式計算機進行設計，其主頻為500 MHz，工作溫度寬，平均無故障時間長，磁盤采用比一般硬盤更耐震動與沖擊的電子盤，有利于提高控制器的可靠性。DM5416 多功能卡（RTD 公司）具有16路模擬輸入通道和16路開關量通道，采集速度可達100 kHz，主要用于參數的測量和電磁閥的控制。電磁閥驅動電路具有8個通道，固態繼電器最大電流為4 A，導通時間小于0.058 ms，關斷時間小于0.1 ms，漏電流小于10 μA。采用1 臺5V/9A 和1 臺24V/2A的穩壓電源為主控機、電磁閥和變送器供電。系統采用嵌入式熱敏打印機，能適應惡劣工作環境，可在電源反接下不被損毀，供電電壓為直流24 V，安裝于操作臺面板上，接口方式為串口或并口。

3 測試系統軟件設計

系統軟件主要由驅動程序和用戶程序所組成，驅動程序采用C++語言編程實現，用戶程序采用面向對象的編程語言Object Pascal，開發工具為Delphi 7.0[1]，軟件運行平臺為Window98 專業版。系統軟件從實際需求出發，結合軟件工程設計方法進行設計，主要實現減壓閥性能參數的實時采集、實時存儲、實時顯示，電磁閥的自控控制和手動控制，歷史數據的曲線回放和曲線報表打印等功能。軟件開發采用模塊化結構，其主要功能模塊如圖3所示。

圖3 軟件總體結構框圖

測試系統主流程圖如圖4所示。測試程序啟動后，數據采集任務隨之執行，但并不執行數據存儲任務，減壓閥入口壓力和出口壓力以曲線和數字方式顯示。當自動控制程序啟動后，開始數據的實時存儲。測試完成后可以對數據進行歷史回放或報表打印等數據處理工作。

圖4 測試系統流程圖

3.1 用戶程序開發

1）數據采集程序開發。數據采集程序用來對減壓閥入口壓力和出口壓力進行采集、記錄和顯示等功能操作。應用程序通過調用硬件驅動程序庫中的A/D 控制函數來實現采集功能，采集速率為1 000通道/s。采集數據讀入緩存，然后調用Delphi 中的Tchart 控件，利用Tchart 控件中的series的ADDXY函數將采集數據以波形曲線方式顯示。

2）數據回放。減壓閥性能測試完后，可以對采集結果進行數據回放。數據回放時，先將歷史數據導入計算機內存中，供曲線繪制時使用。減壓閥入口壓力曲線和出口壓力曲線采集采用不同顏色進行區分，允許用戶通過選擇按鈕隱藏某一條曲線，而單獨顯示另外一條曲線。允許用戶通過控制按鈕或快捷功能鍵控制曲線進行上下移動或左右移動等操作，采用鼠標來獲取曲線上某一點的坐標值。

3）數據報表打印。數據處理完以后，需要對數據曲線進行報表打印。數據報表打印前，需要設置打印紙類型：A4 紙或自定義紙長。允許用戶按時間分段打印曲線并可以設置曲線的上限和下限。數據報表具備打印預覽功能，借助該功能，用戶可以檢查打印紙長度和曲線上下限的設置是否合理。

3.2 軟件設計的關鍵技術

1）動態鏈接庫技術。動態鏈接庫（Dynamic-Link Library，DLL）是Windows的一項極其重要的技術，通過它可以讓應用程序共享代碼和資源。DLL是個可執行的模塊，但它沒有自己的堆棧，必須在調用動態鏈接庫函數的程序環境下運行。Windows利用動態鏈接庫給多個應用程序提供公用的函數或資源。減壓閥性能測試系統驅動程序開發采用了DLL 動態鏈接庫技術，建立了硬件驅動函數庫。在Delphi 開發環境下通過調用DLL 庫中驅動函數便可實現對硬件的操作[2]。

2）多線程技術。在Windows 98中，一個程序無法獨占所有的CPU 執行時間。而且一個程序也不是從頭到尾一條線。相反，一個程序在執行中可分為多個程序片斷同時執行。這些能同時執行的程序片斷稱為線程[3]。線程能執行程序代碼的任何部分，包括由其他線程執行的部分，它是操作系統為其分配CPU時間的基本實體。合理采用多線程技術可以有效地加快程序的反應速度、提高執行效率。減壓閥性能測試系統軟件設計采用了多線程技術，可以一個線程采集并處理數據，另一個程序根據處理結果作出控制或其他的工作，這將有利于保證采集和控制的實時性。

3）虛擬設備驅動程序技術。Windows 98系統核心由虛擬機管理器VMM 和虛擬設備驅動程序VxD[4]的集合組成。系統內核提供了900 多個服務函數來管理系統內存、控制物理設備、處理中斷、創建網絡協議棧、管理文件系統等，這些服務函數都可以被用戶編寫的VxD 調用。VxD 運行在系統的Ring0級，擁有與操作系統同等的級別，用戶可以利用它來支持硬件設備的管理。該系統開發了定時器中斷虛擬設備驅動程序Clock.VxD 向VPICD注冊專用的中斷通道，這為實現實時控制提供了前提，利用DM5416的定時器可以產生2 ms定時中斷。

4 結束語

減壓閥性能測試系統研制完后已投產使用，經多次使用表明，該系統測量精度高、穩定性好、可靠性高、抗惡劣環境能力強、人機界面友好、操作簡便，為一款便攜式地面檢測設備。該系統的成功研制為姿控發動機減壓閥的測試工作帶來了極大的方便，具有極高的應用價值。

[1]江義華.Delphi7 完美經典[M].北京:中國鐵道出版社,2003:542-544.

[2]張惠強,萬永菁.在VC 和Delphi 下共享DLL 文件[J].現代計算機,2001(1):72-74.

[3]湯彬,李培耀.Windows 下多線程編程技術[J].上海工程技術大學學報,2002,16(4):310-313.

[4]溫世讓,李博.Win98 下硬件虛擬設備驅動程序的開發及實例[J].現代計算機,2000(7):36-38.