基于LabVIEW的激光慣導顯示控制系統?

黃春福 查 峰

（海軍工程大學導航工程系 武漢 430033）

基于LabVIEW的激光慣導顯示控制系統?

黃春福 查 峰

（海軍工程大學導航工程系 武漢 430033）

慣導系統的信息交互流程復雜、信息量大，便捷高效的顯示控制系統是實現慣導操作測試、數據交互的必要條件。基于虛擬儀器技術，利用LabVIEW圖形化編程語言設計了某型激光慣導裝備的顯控系統。首先，根據激光慣導裝備的通訊協議，完成了顯控系統的軟件流程設計；其次，根據用戶需求，合理規劃了顯控系統功能并進行了程序實現；最后，分別進行了慣導裝備數據采集、顯控系統離線調試、軟硬件聯合調試實驗。系統實現了對激光慣導裝備輸出數據的解析和多樣化顯示，初始裝訂及狀態切換等功能。

慣性導航；LabVIEW；顯示控制；虛擬儀器

ClassNum ber TP316

1 引言

慣性導航不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量，具有良好的隱蔽性，不受外界電磁干擾的影響，是現代導航的重要手段。慣性導航系統能提供位置、速度、航向和姿態角等數據，信息全面［1～3］，需要合理的界面顯示。在實際運行中顯示控制系統需要對大量的數據進行采集、處理和顯示，且需要進行實時操作。采用傳統的手工記錄顯然不能滿足需求；采用示波器顯示，理論上可行，但電路設計復雜，且不能對慣性導航系統實施控制；Matlab、Visual Basic等編程軟件雖然能實現對慣導裝備的顯示和控制，但編程方法復雜，且不利于后期的調試、修改［4］。

LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，運用圖形化編程語言G編寫程序，產生框圖形式的程序，使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，基本上不寫文字代碼，可以大大提高工作效率［5～6］。

根據慣導裝備的信息顯示控制需求，基于虛擬儀器技術在測控編程上的技術優勢，利用Lab-VIEW設計了一種慣性導航顯示控制系統。該系統能實現對實際慣導裝備數據采集及在設計的顯示面板顯示，同時發送控制命令實現對慣導裝備的初始裝訂和狀態切換。

2 虛擬儀器與LabVIEW開發環境

虛擬儀器是美國National Instruments（簡稱NI）公司在計算機平臺上通過自己的產品把工業測量與控制和計算機的結合的一種技術。它是計算機硬件、軟件技術和總線技術日益發展并向其他領域滲透過程中，與測試測量、自動化技術等密切結合，孕育出的一項全新成果。其核心思想是“軟件即是儀器”，將計算機作為統一的硬件平臺，充分利用計算機的快速運算、大容量存儲，易于操作等特點，把傳統儀器軟件化、圖形化，模擬出傳統儀器的功能。虛擬儀器相比于傳統儀器優勢明顯，如體積減小，性能大大提高，人機交互友好，可與網絡及周邊設備互聯，便于測試等［7～10］。

LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench的簡稱，是NI公司為虛擬儀器設計的軟件開發環境，具有簡單直觀、易于理解和開發效率高等特點。它盡可能地使用科學家、工程師所熟悉的概念、圖標，無論是否有豐富的開發經驗，均能順利應用。LabVIEW軟件是NI設計平臺的核心，在數據采集、儀器控制、測量分析與數據顯示等領域應用十分廣泛［11～14］。

3 激光慣導裝備結構與組成

本設計根據某型激光慣導系統［15～17］實際裝備的數據顯示和采集需求設計激光慣導顯控系統。該型裝備如圖1所示，采用27±2V供電，數據輸出采用RS232串行通信［18～20］，串口輸出采用A5口，數據傳輸波特率為9600，8位數據位，無校驗，1位停止位。

圖1 某型激光慣導裝備及電源

系統開機之后持續輸出數據，若輸入狀態字“i”，系統返回信息提示輸入經緯度和高度，輸入后完成裝訂。若輸入狀態字“m”，系統返回提示信息，根據提示可進入準備、對準、導航等狀態。系統數據交互流程如圖2所示。

圖2 某型激光慣導裝備數據交互流程圖

4 總體設計

激光慣導顯控系統根據激光慣導裝備的數據交互流程和通訊協議，完成激光慣導裝備與上位機之間的數據交互。系統的結構如圖3所示。激光慣導裝備接收來自顯示控制系統的信息包括狀態選擇指令、狀態變化指令、系統初始經度、緯度等，從而完成激光慣導裝備的初始裝訂和流程控制。同時，激光慣導在完成初始位置裝訂后，利用陀螺儀和加速度計量測的運動信息進行慣導解算，輸出解算后的速度、姿態、航向、位置等導航信息，此外還包括系統狀態、陀螺和加速度計等原始數據。激光慣導顯控系統接收數據后，進行數據的識別、截取、解析等操作以獲取導航數據，并通過文本、圖表等方式實時顯示。

5 軟件設計與實現

顯示控制系統前面板由選項卡控件將其分為兩個面板，分別用于顯示基本信息和顯示圖表信息。基本信息面板由串口設置、流程控制、數據分類顯示、綜合顯示四個部分組成。串口設置用于對串口通訊參數的設置，如：波特率、校驗等；流程控制包括初始裝訂及準備、對準、導航等狀態的選擇；數據分類顯示將原始數據進行處理后按照位置、速度、姿態等分類顯示，從而更加直觀地獲得導航參數；綜合顯示窗口用于顯示提示信息，原始數據等。圖表顯示面板采用波形圖實時顯示經緯度、高度及速度、姿態等信息，顯示更為清楚、直觀。程序前面板如圖4所示。

圖3 激光慣導顯控系統整體設計

圖4 程序前面板

后面板程序框圖包括串口設置部分、接收顯示部分、命令發送部分。串口設置中波特率、奇偶校驗等均為可調，為不同的通訊協議提供方便設置。接收部分接收數據后進入緩沖區，經過一定時間延遲進入顯示部分，這里采用搜索/拆分字符串、截取字符串兩個函數獲得位置、速度、姿態等信息，從而分類顯示。發送部分采用事件結構，通過按鈕值改變觸發。觸發前在各對應的輸入框輸入參數，通過連接字符串函數按照通訊格式連接，點擊對應按鈕即觸發事件，參數發送。整個框圖外圍采用分支結構打開串口，采用循環結構與按鈕組合退出程序。程序后面板程序框圖如圖5所示。

圖5 程序框圖

6 系統通訊實驗

為驗證激光慣導顯控系統的可行性和可靠性，分別進行了不同條件下的測試實驗。首先，利用串口通訊工具與激光慣導裝備進行測試，采集慣導裝備的數據，確定通訊流程和數據協議；在此基礎上，利用串口助手進行顯控系統的通訊調試，測試顯控系統對數據的解析；最后進行慣導裝備和顯控系統的軟硬件聯調。

激光慣導裝備開機后，將其接入便攜式計算機，利用串口工具進行數據采集。按照通訊協議，選擇不同的慣導裝備狀態，以采集不同狀態下的系統輸出，驗證慣導裝備通訊協議正確性。實驗結果表明，激光慣導裝備能夠穩定輸出數據，并根據用戶的選擇進行狀態變換。

得到激光慣導的輸出數據后，利用其進行激光慣導顯控系統的離線測試。通過軟件虛擬一對串口將串口工具與顯控系統相連。串口工具發送采集的慣導裝備輸出數據，顯控系統進行數據接收和解析，完成數據顯示。實驗結果表明串口助手發送的數據顯控系統均能收到，能正常顯示且解析正確，同時，顯控系統發送的命令字，串口助手也均能接收，如圖6所示。

圖6 串口助手與LabVIEW程序通訊測試

在完成系統的離線調試后，進行激光慣導裝備與顯控系統的軟硬件聯調，實驗如圖7所示。激光慣導裝備通電后，按照通訊協議發出數據。用戶可以通過顯控系統選擇狀態，慣導裝備根據用戶的選擇切換自身狀態。同時，對慣導裝備的輸出進行快速、準確解析，通過文本、圖形等不同形式顯示，如圖8。試驗表明，顯控系統運行穩定、可靠、人機交互便捷。

7 結語

利用計算機和激光慣導裝備在LabVIEW編程環境下完成了慣導裝備輸出數據的解算顯示和對慣導裝備進行初始裝訂及控制。使用軟件編程，方便后期調試和修改。使用串口助手和激光慣導裝備進行測試，保證測試的可靠性。該顯示控制系統直觀、簡潔、操作簡單，滿足了實際慣導裝備的顯示控制需求。

圖7 實驗測試環境

圖8 顯控系統數據圖形顯示

［1］陳永冰，鐘斌.慣性導航原理［M］.北京：國防工業出版社，2007：7-12.

［2］周徐昌，沈建森.慣性導航技術的發展及其應用［J］.兵工自動化，2006，25（9）：55.

［3］董進武.慣性導航技術淺析［J］.儀表技術，2017，（1）：41.

［4］劉鳴藝，張京娟，付常亮.基于LabVIEW的組合導航顯示控制系統［J］.電子測量技術，2013，36（10）：72.

［5］肖成勇，雷振山，魏麗.LabVIEW2010基礎教程［M］.北京：中國鐵道出版社，2012：1-4.

［6］胡柳燕，盧榮勝，周維虎，韓曉泉.基于LabVIEW的可見光相機顯控系統設計［J］.控制系統，2010，26（10-1）：51.

［7］劉晉霞，胡仁喜，康士廷.LabVIEW2012中文版虛擬儀器從入門到精通［M］.北京：機械工業出版社，2012：2-11.

［8］郝麗，趙偉.基于聲卡的虛擬儀器教學［J］.實驗室研究與探索，2014，33（2）：79-80.

［9］李震，柯旭貴，汪云祥.虛擬儀器的發展歷史、研究現狀與展望［J］.安徽工程科技學院學報，2003，18（4）：1-3.

［10］路亞峰，陳義軍，溫新岐，孫國忠，蔣先念.虛擬儀器技術研究現狀與展望［J］.理論與方法，2010，29（11）：35-37.

［11］陳樹學.LabVIEW實用工具祥解［M］.北京：電子工業出版社，2014：1-5.

［12］P.M.Wrobel，M.Bogovac，etal.LabVIEWinterfacewith Tango control system for amulti-technique X-ray spectrometry IAEAbeam line end-station at Elettra Sincrotrone Trieste［J］.Nuclear Inst.and Methods in Physics Research，2016，833：105-109.

［13］Chen Shi，Guanghui Teng，Zhuo Li，etal.An approach of pig weight estimation using binocular stereo system based on LabVIEW［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2016，327：300-326.

［14］Sunil K.Singla.Image-based fingerprint verification system using LabVIEW［J］.Maejo International Journal of Science and Technology，2008，2（03）：489.

［15］郭美鳳，滕云鶴，章燕申.激光陀螺慣性導航系統靜態校準方法的研究［J］.中國慣性學報，1997，5（4）：25-27.

［16］Jianli Li，YanhaiMa，Chen Xiyuan，etal.ErrorModeling，Calibration，and Nonlinear Interpolation Compensation Method of Ring Laser Gyroscope Inertial Navigation System［J］.Abstractand Applied Analysis，2013.

［17］E.W.Anderson.Inertia Navigation Systems［J］.Journal ofNavigation，1958，11（3）：231-258.

［18］王定賢，陳濤，楊歡，王發林.基于LabVIEW的計算機與智能儀器串口通信［J］.蘭州工業高等專科學校學報，2011，18（5）：39-42.

［19］施雅婷，郭前崗，周西峰.一種改進的LabVIEW串口通信系統的實現［J］.電子測試，2010，（8）：64-68.

［20］蔣萍花，張楠.數據采集系統串口通信的設計與實現［J］.電子測量技術，2015，38（6）：139-142.

Design of Disp lay and Control System for Laser InertialNavigation Equipment Based on LabVIEW

HUANG Chun fu ZHAFeng
（DepartmentofNavigation，NavalUniversity of Engineering，Wuhan 430033）

The information exchange process of the inertial navigation system is complex，and the amount of information of it is large.So it's necessary to design a convenientand efficientdisplay and control system to realize operation，testand data exchange of the laser inertial navigation equipment.Adisplay and control system of laser inertial navigation equipment is designed by Lab-VIEWgraphical programming languagewhich based on the virtual instrument（VI）technology.Firstly，in linewith the data communication protocol of a laser inertial navigation equipment，the software flow design of the display and control system is completed.Secondly，the function of it is planned and the program is finished according to the users'requirement.Finally，data acquisition experiment，display and control system off-line debugging，hardware and software joint debugging are carried out.The system realizes the analysis and diversified display of the outputof the laser inertialnavigation equipment，and completes the initial parameterbinding and controlof the system state.

inertialnavigation，LabVIEW，display and control，virtual instrument

TP316

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.007

2017年3月9日，

2017年4月21日

國家自然科學基金項目（編號：41574069；41404002）；國家重大科學儀器開發專項（編號：2011yq12004502）資助。

黃春福，男，研究方向：慣性技術及應用。查峰，男，講師，研究方向：慣性技術及應用。