艦船慣導系統陀螺電機多信息測試系統設計＊

孫 劍 黃 起 王學杰 郭 斌

（1.海軍海南地區裝備修理監修室 三亞 572018）（2.海軍工程大學導航工程系 武漢 430033）

1 引言

慣導系統屬于大型的精密導航設備，其結構復雜，分系統眾多，各設備之間連接關系繁雜，承載的信息量大，從而使得慣導系統的可靠性難以得到保證。且慣導系統本身的監測預報功能不強，導致其維修難度大，任務重，故障定位慢。目前對慣導系統及其組成部件的維修仍以事后維修和定期維修為主。事后維修是指在發現了慣導系統發生故障時再對其進行檢修，這使得維修開始時系統功能已經遭到了破壞，從而影響系統正常工作。而定期維修主要包括日常維護、定期更換零部件、定期檢測系統的狀態，這在一定程度上監測了系統所處的狀態，能夠在故障發生的短期時間前對設備進行檢修，以預防故障的發生，但是定期更換部件會導致一些組成部件沒有達到其使用壽命而被廢棄，這一方面造成了資源浪費，另一方面系統會因為頻繁的更換零部件而影響工作狀態或精度。

隨著傳感器技術、計算機以及測控技術的發展，基于設備狀態監測的視情維修模式得到了廣泛重視。視情維修利用傳感器采集和監測設備運行時的各種信息，通過采集地信息提取與設備狀態相關的特征參數，從而實現對設備狀態的評估和診斷。

艦船慣性導航系統作為一種完全自主的導航方式，擔負著為艦船安全航行和指控、武備系統提供航向、姿態、速度、位置等重要導航信息的使命，其性能狀態直接決定了艦船的生命力和戰斗力。而陀螺儀是艦船慣導系統的核心部件，文獻［1］指出，陀螺電機故障為陀螺儀最主要的故障模式，直接影響陀螺儀的工作狀態，陀螺電機的支承結構是影響其狀態性能的關鍵因素。因此，對艦船慣導系統的核心部件——陀螺電機的狀態進行監測和評估，可為艦船慣導系統的狀態檢測和性能評估提供數據支持，具有重要的現實意義和軍事意義。

20世紀80年代以來，隨著計算機技術、大規模集成電路技術和通信技術的飛速發展，美國國家儀器公司提出了虛擬儀器技術。虛擬儀器技術通過模塊化的數據采集設備實現對傳感器信息的采集，通過軟件編程自定義和設計儀器功能和界面，實現了測試儀器的軟件化。因此，本文基于虛擬儀器技術，構建了以NI－4070數據采集設備和PXI機箱為硬件構建，以LabVIEW為軟件開發平臺的陀螺電機多信息測試系統。系統通過光點轉速傳感器、聲音傳感器等實現了陀螺電機工作狀態下的電壓、電流、聲音。轉速等多信息的無損測試，測試結果可直接存儲了計算機數字量，可為陀螺儀的狀態檢測和性能評估提供有效的數據支持。

2 虛擬儀器技術及其軟件平臺

2.1 虛擬器件技術及特點

電子測量儀器的發展經歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器的過程［2］。微電子技術，尤其是大規模集成電路技術的發展，促進了從模擬儀器到數字化儀器、智能儀器的發展。儀器的精度越來越高功能越來越強，性能越來越好。但是，智能儀器沒有擺脫獨立使用的模式，對于較為復雜、測試參數較多的場合，使用起來不太方便，而且其他方面的局限性也就慢慢地顯示出來。

1986年，美國國家儀器公司（National Instruments，NI）首先提出虛擬儀器的概念，把儀器測試技術的發展帶到了一個新的歷史時期。所謂虛擬儀器是指在通用微型計算機上加入必要的模塊化功能硬件（如數據采集卡），在計算機屏幕上用圖形界面模擬儀器面板，用程序控制信號的采集、分析、顯示、存儲和輸出等，實現真實儀器的功能。測試系統功能可根據軟件模塊的功能及不同組合而靈活配置。它的實質是將傳統儀器和最新計算機軟件結合起來，以實現擴充傳統儀器的功能。實現了“軟 件 即 是 儀 器 （The software is the instrument）”［3］。

虛擬儀器和傳統的儀器一樣，由數據采集與控制、數據分析和處理、數據表達和結果顯示三部分組成［4］。數據采集與控制通過特定的儀器接口實現與傳感器的交互與控制；數據分析與處理是虛擬儀器的核心部分，通過將采集的數據進行分析處理，輸出控制信息與被測設備或軟件界面實現交互；數據表達與現實是虛擬儀器的交互界面，通過文件I／O，網絡接口等方式，實現數據和處理結果的表達與顯示。

與傳統儀器相比，虛擬儀器有其鮮明的特點［5］：測量精度高，可重復行好；測量速度快；組建系統時間短，儀器硬件開銷低，同時也降低了系統故障率；實現了用戶自定義測量功能，可測傳統物理儀器不可測量的對象；易于擴展；具有較短的系統更新周期。

2.2 LabVIEW開發環境

任何一種虛擬儀器系統都是通過應用軟件將通用硬件與通用計算機相結合，它是虛擬儀器的核心，其過程與主要工作內容就是編制應用軟件的過程，而目前流行的軟件工具主要有兩類：一類是文本式編程語言，如C、Visual C＋＋、Visual Basic、Labwindows／CVI等；另一類是圖形化編程語言，如LabVIEW、HPVEE等。

與傳統的編程語言類似，LabVIEW也具有相似的數據類型、數據流控制結構、程序的調試工具等［6］。它與文本編程語言相比，最大的區別就在于LabVIEW利用各種圖標、圖形符號、連線、圖形框架來編寫程序，控制程序的流程［7］。從而使得程序的開發者和工程技術人員不需要懂得繁瑣枯燥的程序源代碼，而只需要利用自己熟悉的術語、流程圖來編寫和開發程序，大大提高了工作效率。作為圖形化編程語言的典型代表，LabVIEW簡易的編程風格、強大的數據可視化分析能力、良好的可移植性和直觀、友好的人機交互界面使之成為目前國際上應用最廣的數據采集和控制的開發環境之一，主要應用于數據采集、分析和處理、儀器控制等領域，能夠與多種不同的操作系統平臺兼容。

3 系統硬件設計

陀螺電機為陀螺儀轉動提供驅動力矩，因此陀螺電機工作時的電壓、電流、轉速等信息直接反映了陀螺電機的狀態。此外，當陀螺電機轉子轉動時，由于轉子與定子之間的摩擦、轉子的風阻等因素影響，電機因振動而產生聲音，該聲音信號也間接表征了陀螺電機的性能狀態。因此，為有效進行陀螺電機的狀態監測，可以對陀螺電機啟動、停止和工作過程中的電流、電壓以及轉速和聲音信號進行測試，采集陀螺工作全過程的多類型信息。

根據陀螺電機的信息測試需求，構建了基于NI4070數據采集卡的電機多信息采集系統硬件構建。系統的信息采集流程如圖所示，系統由NI公司的NI－4070數據采集卡、啟動磁滯陀螺電機、光電轉速傳感器、聲傳感器、陀螺電機專用供電電源以及各種信號線組成［8］。傳感器系統由電壓、電流、聲音、轉速傳感器組成。電壓和電流傳感器采用綿陽市維博電子有限責任公司的WB3U411U07三相三線交流電流傳感器和WB3I411S37三相三線交流電壓傳感器。

NI－4070是NI公司開發的用于電流、電壓和電阻測量的萬用表卡，本身并不是用于數據采集的數據采集卡，但是其本身也帶有連續測量的模式和功能，可以實現對電流和電壓的采集［9］。NI－4070最高具有61／2位的采集精度，在輸入電壓幅值為100V（交流電壓幅值為±104V），電流小于200mA的直流或交流電壓條件下，電壓分辨率為100μV，電流分辨率為100nA，具有很高的測試精度［10］。陀螺電機的供電電源改用了定制電源，使得電壓信號在波形穩定度上有很大的提高，陀螺電機額定狀態下的工作更加穩定，另外，定制電源具有很低的風扇噪聲，有效減小了風扇噪聲對于陀螺電機聲音信號的干擾［11］。

針對測量轉速的光電傳感器的安裝問題，將傳感器集成為一個只有一個圓柱形探頭的傳感裝置，通過電機內壁上的小孔固定（見圖1），不僅簡化安裝，不影響電機的正常工作，而且和感光帶之間的距離易于測量和固定。

為了實現對陀螺電機工作時間的控制，因此需要設計相應的繼電器電路來控制電路的通斷，使陀螺電機在設定的工作時間內工作。基于NI的PXI中的數字I／0板卡為繼電器發送電平來改變繼電器的工作狀態，達到控制電路通斷的目的。

按照上述硬件方案，基于自動化測試的思想，構建了測試系統的硬件部分，其硬件組成如圖2所示。

圖1 轉速光電傳感器的安裝

圖2 陀螺電機多信息測試系統的硬件組成圖

從上述可知，陀螺電機多信息測試系統分為數據采集部分、傳感器電路部分、電機工作狀態控制部分。系統工作原理為：當測試系統開始運行時，軟件進行數據的采集并開始計時，此時電機并不工作只是采集實驗室條件下的噪聲信息；當采集時間達到了預先設定的電機通電時刻時，計算機給USB－6251板卡的數字通道賦予一個高電平信號，繼電器電路在接收到高電平信號后接通電機工作電路，電機開始轉動，系統繼續采集電機工作時的信息；當采集時間達到了預先設定的電機斷電時刻，此時計算機給USB－6251板卡的數字通道賦予一個低電平信號，繼電器接收到低平信號后使電機工作電路斷開，電機因斷電而進入停機階段，測試系統繼續采集電機停機階段的信息；當采集時間達到預先設定的采集時間時，當此采集結束，測試系統判斷采集次數是否達到了預先的設定次數而開始下一次采集或退出程序。

4 軟件實現

完成測試方案設計和硬件搭建后，為了實現測試程序的自動化以及軟硬件系統的兼容，設計了軟件的程序流程并編程實現。

根據陀螺電機的測試要求和測試方案，程序的設計實現了測試系統采集時間和次數的自動控制。當測試系統開始采集時，程序應根據用戶設定的采集時間和采集次數來實現采集的停止，程序首先計算采集的時間，當采集時間達到用戶設定的時間以后，測試系統應進行下一次采集周期，采集次數增加一次，而當實際的采集次數于設定的待采集次數相等時，程序跳出循環結束采集，程序的整體流程如圖3所示。

硬件上使用了繼電器外圍電路來控制電機的工作時間，但是繼電器工作必須要軟件給予相應的激勵使之改變工作狀態，從而實現測試系統的自動控制。對電機的采集包含電機從啟動到穩定再到斷電停機到轉子靜止的全部工作過程，因此程序應該能夠自動控制電機的通電時間來滿足實驗需要，而且在電機斷電以后程序繼續采集停機過程的數據。圖4為控制電機通電時間程序的流程圖。

圖3 測試系統主程序流程圖

圖4 電機工作時間控制流程圖

根據以上流程，進行了程序的編寫和調試，完成了對信息測試系統的軟件設計。

5 慣導系統測試和評定試驗

為驗證陀螺電機多信息測試系統的有效性和實用性。在實驗室條件下的陀螺電機進行實際測試和采集試驗，試驗情況如圖5所示。在完成硬件連接后，啟動陀螺電機多信息測試系統軟件，根據測試需求設定測試時間、次數、采樣間隔等參數，開始進行陀螺電機的多信息測試。實驗室條件下進行了20次測試實驗，每次設定不同的測試參數，以驗證測試系統的可靠性。試驗過程中，測試系統工作穩定、可靠。

圖5 陀螺電機多信息測試系統外形圖

圖6為陀螺電機多信息測試系統采集的陀螺電機工作全過程的電壓數據，圖7為電機在停轉時刻的電壓波形放大圖。從圖中可以清楚看出，雖然在停機時刻，陀螺電機的工作電壓較小，系統信噪比較小，但是系統能夠有效測試出電壓波形，具有較高測測試精度。因此，陀螺電機多信息測試系統實現了對電壓信號的高精度測試，可為后續的信號處理提供數據支持，利于提取更精確的表征陀螺電機狀態的信號特征。

圖6 陀螺電機工作電壓

圖7 陀螺電機停機時刻的電壓波形

圖8為光電傳感器輸出的脈沖信號，由圖可知陀螺電機多信息測試系統測試的脈沖波形規則、噪聲干擾小。經過轉換計算后，系統的轉速測試精度達到了0.001rad／s。

圖8 測試的轉速傳感器脈沖輸出

6 結語

針對艦船慣導系統狀態檢測和性能評估需求，以其核心組成部件陀螺電機為研究對象，以Lab－VIEW為開發平臺，基于虛擬儀器技術，構建了以NI－4070數據采集設備和PXI機箱為硬件構建，以LabVIEW為軟件開發平臺的陀螺電機多信息測試系統。系統可以根據測試需求設置電機的測試時間、測試次數、采樣間隔等測試參數，實現對陀螺電機工作狀態下的電壓、電流、聲音、轉速等多信息的無損測試，且測試結果可直接存儲了計算機數字量。實驗室條件下的陀螺電機測試實驗表明，構建的陀螺電機多信息測試系統工作穩定、可靠，測試數據可信，為陀螺電機特征參數的提取和預測提供數據依據，為陀螺儀及艦船慣導系統的性能評估提供技術途徑。

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