基于虛擬儀器的潛艇導彈艙高壓氣監控系統設計

李偉剛，李厚全，李兵尚

(海軍潛艇學院，山東 青島 266199)

0 引言

在潛艇發射導彈前后，需要使用導彈艙內的高壓氣進行發射筒均壓開蓋、水艙海水吹除和移注等工作。這些工作對完成導彈發射具有重要作用。在高壓氣使用過程中，其壓力和流量的大小及變化會直接影響相關系統能否在規定的時間內按指標完成工作。目前，對高壓氣壓力的測量方式主要是通過艇員讀取安裝在管路上的機械式壓力表，但壓力表測量到的是瞬時壓力值且誤差較大；而對流量大小及變化則缺乏監控手段。這給高壓氣的安全使用留下了隱患。因此，有必要在導彈艙內采取簡潔、高效的方法，對高壓氣的壓力和流量進行測控。

虛擬儀器技術是基于計算機技術而發展的儀器測量技術，它的出現改變了傳統測控儀器的結構和設計理念。它的一個重要概念和口號是“軟件就是儀器”，即以特定的軟件取代相應的硬件電路。采用虛擬儀器技術構建監控系統，開發周期短、效率高、可維護性強、功能轉換與擴充方便，具有很高的性價比。美國NI公司研發的LabVIEW是目前較為成功、應用較為廣泛的一款圖形化軟件開發環境，是一個標準的數據采集和儀器控制軟件[1]。

本文提出了一種基于虛擬儀器的導彈艙高壓氣監控系統。系統實現了氣體壓力和流量數據的采集、傳輸、記錄、實時顯示等功能。

1 系統結構

對高壓氣的壓力和流量進行測量，構建以計算機為核心的基于虛擬儀器的監控系統。首先，要可靠獲得壓力和流量的原始信號，并對信號進行相應變換，以適應計算機處理；同時，在信號采集、傳輸和處理過程中，盡可能消除各種隨機誤差和系統誤差[2]，以提高測量結果的精度和準確度。

監控系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構框圖

壓力傳感器和流量傳感器、信號調理設備、數據采集卡、計算機等構成系統的硬件平臺。壓力傳感器和流量傳感器檢測到高壓氣的壓力和流量信號，將其轉化為電量信號；信號調理設備將電量信號轉換放大成標準信號后，由數據采集卡采集并轉換為計算機能處理的數字信號；通過驅動程序將數字信號輸入計算機，由LabVIEW程序對數字信號進行處理；在監控頁面上顯示壓力、流量的實時值。根據需要，將數據存儲到Microsoft Access數據庫文件中，并保存到計算機硬盤上，以備事后回放查看。

2 系統硬件設計

為了全面、真實地獲取不同系統使用高壓氣時的壓力和流量信號，必須規劃好測點的位置。考慮到導彈艙中的一部分系統直接使用高壓氣，而另一部分系統是將高壓氣減壓后再使用的，因此在本系統中，對傳感器的安裝位置安排如下。在水艙預注海水吹除管路上安裝1個壓力傳感器和1個流量傳感器；在移注管路減壓閥前后分別安裝1個壓力傳感器和1個流量傳感器；在發射筒均壓管路減壓閥前的總管上安裝1個壓力傳感器和1個流量傳感器；在減壓閥后通入導彈發射筒的各條支管上分別安裝1個壓力傳感器和1個流量傳感器。

2.1 數據采集卡

數據采集卡能夠將信號調理設備輸出的模擬信號轉換成計算機程序能夠識別和處理的數字信號。根據“功能夠用”的原則，選擇合適的數據采集卡。本系統要連續采集多測點高壓氣壓力和流量的模擬量，因此在選擇數據采集卡時，主要考慮其模擬信號的輸入通道數、分辨率和采樣頻率等指標，并且要兼顧軟件與硬件的兼容性和擴展性等問題[3]。較簡單的方法就是直接選用NI公司生產的數據采集卡，這樣編程時就可直接調用LabVIEW中的采集數據。基于此，本系統選用了該公司生產的PCI-6024E多功能數據采集卡。該卡的主要技術參數為[4]：16個模擬輸入通道或8路差分輸入，8個數字輸入/輸出通道，12位A/D轉換精度，12位分辨率，100 kHz采樣率，最大量程為-10～+10 V。

2.2 傳感器

傳感器的精度在很大程度決定了系統的精度[5]，所以壓力傳感器和流量傳感器的選擇至關重要。本系統選用以下兩種類型的傳感器。

①JYB-KO-HAG型壓力傳感器：量程為0～40 MPa，線性輸出4～20 mA電流信號。

②LWGY-40型流量傳感器：量程為0～20 m3/h，可測量氣體的體積瞬時流量和體積總量，線性輸出4～20 mA電流信號。

由于數據采集卡只識別標準電壓信號，而以上兩種傳感器輸出的信號都是4～20mA的小電流信號，所以在傳感器與數據采集卡之間需要信號調理設備，用來將小電流信號轉換為標準電壓信號[6]。本系統選用了16路調理接線端子板AI-IVl6A與PCI-6024E數據采集卡配套使用，將傳感器輸出的4～20 mA電流信號轉換為0～5 V電壓信號。這樣即可通過數據采集卡輸入電壓，再由標度轉換公式計算就可以得到壓力和流量的實時值。

壓力標度轉換公式為:

y1=10(x1-1)

(1)

式中：x1為數據采集卡輸入計算機的電壓值；y1為x1對應的壓力值。

流量標度轉換公式為:

y2=5(x2-1)

(2)

式中：x2為數據采集卡輸入計算機的電壓值；y2為x2對應的流量值。

3 系統軟件設計

系統硬件確定之后，其功能主要通過軟件來實現的。系統軟件設計是整個監控系統設計的重點，采用LabVIEW2013開發，體現了選擇圖形化開發平臺的優勢。系統軟件設計流程如圖2所示。

圖2 系統軟件設計流程圖

基于開發平臺的模塊化特征，系統軟件根據功能需要，設計了4個相對獨立的模塊：系統登錄模塊、數據采集模塊、數據顯示模塊和數據管理模塊。如要修改某個功能，只需修改相應的功能模塊，而不必對程序進行整體改動[7]。系統功能模塊組成如圖3所示。

圖3 系統功能模塊組成框圖

本系統的軟件設計就是完成前面板和框圖程序的設計。

3.1 前面板設計

前面板是LabVIEW的交互式用戶界面，是一種與傳統儀器面板相似的圖形界面軟面板。利用控制模板和工具模板設計輸入控件和顯示控件，以接收用戶輸入的數據和命令、顯示用戶所需的信息。在本系統中，前面板設計包括系統登錄頁面設計和監控頁面設計。

3.1.1 系統登錄頁面

為了記錄用戶的操作和保護系統安全，使用用戶級別和權限，設計了系統登錄頁面[8]。系統開機啟動時，首先進入該頁面，用戶輸入用戶名和密碼，進入監控頁面。

3.1.2 監控頁面

監控頁面是本系統的主頁面，用于設置初始化參數和顯示測量結果。利用LabVIEW的“選項卡”控件進行設計，共設計了“發射筒均壓”、“瞬時平衡吹除”、“歷史數據管理”和“退出”4個選項。本文僅介紹“發射筒均壓”選項的頁面布置。該頁面分為圖形和數據顯示區、數據采集參數設置區、數據保存和回放管理區。圖形和數據顯示區設置了4個儀表顯示控件、4個量表顯示控件和2個波形圖表控件，分別用于顯示減壓閥前總管、上送風支管、中送風支管和下送風支管處的壓力和流量的瞬時數值及波形曲線。數據采集參數設置區設計了3個輸入控件，分別用來設置采集點數、采樣頻率和采樣間隔。數據保存和回放管理區設計了數據保存指定路徑選擇框和數據保存按鈕，以及打開文件選擇框和數據回放按鈕。當要保存測量結果時，點擊數據保存按鈕，可將前面板上的壓力和流量實時值按選定的格式文件保存到硬盤指定位置。當系統使用完畢，要回看已保存的各測點數據時，可在打開文件選擇框選擇相應的文件，點擊數據回放按鈕，即可在顯示控件上回放數據和波形曲線。

3.2 框圖程序設計

每個前面板都對應一個框圖程序。框圖程序設計主要是對節點、數據端口和連線的設計[9]。本系統的框圖程序控制和操縱定義在監控頁面上的輸入控件與顯示控件，以實現多點壓力測量、流量信號采集、波形顯示、數據保存和回放等功能。

3.2.1 數據采集模塊

由于選用了NI公司的數據采集卡，編程時可直接調用數據采集程序庫中該采集卡的驅動控制程序。程序操作按照打開設備、設置參數、啟動采集、停止采集、關閉設備等基本步驟進行。采集開始前，首先設定數據采集卡的采樣點數、采樣頻率和采樣間隔以及數據的保存路徑等參數。本系統需要定時連續采集不同測點的壓力和流量數據，框圖程序整體采用平鋪式順序結構，在其中嵌入While Loop循環結構，在結構中加入一個為“真”的控制條件。只要點擊前面板上的“開始”按鈕，程序就執行While循環，啟動數據采集；點擊“停止”按鈕則跳出循環，停止數據采集。

在“發射筒均壓”選項下共要采集8路數據。多通道輸入采樣函數的索引號0～1、2～3、4～5、6～7分別對應減壓閥前總管、上送風支管、中送風支管、下送風支管處的壓力和流量通道。模塊邊采集邊由“索引數組”函數將壓力和流量數據分離，分別送到前面板上相應的顯示控件。

為了實現定時采集，選擇合適的等待定時器，并將時間間隔設置為100 ms。由于高壓氣在使用過程中會引起管路振動，加之其他一些環境因素的影響，采集的原始信號中含有高頻噪聲，會影響到整個系統的采集精度和顯示曲線的光滑度，尤其是壓力信號。在此使用LabVIEW自帶的Butterworth濾波器,只要設置好采樣頻率、截止頻率、階次，就能很好地對輸入信號進行濾波處理，去除高頻噪聲。

3.2.2 數據顯示模塊

壓力、流量信號都需經過與電壓的標度轉換，才能在前面板上顯示實時值。所以先把壓力標度轉換公式和流量標度轉換公式分別編寫成子VI，再把濾波后的多通道壓力和流量信號分別連接到相應子VI的輸入端。輸出端與儀表顯示控件和量表顯示控件連接。在兩個波形圖表上分別集中顯示4路壓力信號和4路流量信號。每路信號曲線使用不同的顏色加以區分，便于艇員集中觀察不同測點壓力和流量的變化和差異情況，并及時對高壓氣的工作狀況作出正確判斷。

3.2.3 數據管理模塊

該模塊包括數據保存和數據回放兩個子模塊。為了能夠進行離線數據處理和分析，可使用前面板上的“數據保存”按鈕保存前面板上顯示圖像所對應的時域數據。由于采集通道多，現場實時處理和顯示數據量大且速度較快，為此采用LabVIEW中的TDMS格式文件存儲數據。TDMS格式文件具有高速存儲的特性，適合海量數據的保存[10]。在該模塊中，通過LabVIEW數據庫鏈接工具包調用Microsoft Access數據庫，實現數據的保存[11]。

數據回放子模塊用于對保存的數據進行回放分析。在回放時可以通過移動光標在波形圖上的位置，觀察信號某一時刻的時域值，也可以使用縮放工具對信號進行局部觀測。數據回放可以設置成自動或手動、順序或逆序方式，還可以控制數據回放的快慢[12]。選擇要回放文件的保存路徑，使用“TDMS 文件讀取”函數讀取文件，使用“TDMS 文件關閉”函數關閉文件，數據回放快慢調節使用定時結構控件來實現。

4 結束語

本文基于虛擬儀器，設計了一種潛艇導彈艙高壓氣壓力和流量監控系統，以測控在導彈發射過程中高壓氣壓力和流量的大小及變化情況，為相關系統的使用和精確控制提供依據和保障。與采用硬件為核心的監控系統相比，該系統彌補了數據采集、處理、顯示和存儲方面的不足，很好地解決了交互性和擴展性差的問題，具有較高的測量精度與工程應用價值。整個系統結構簡單、開發時間短，還可根據測試對象和測量參數的變化進行相應的軟硬件更新擴展，能夠推廣應用到其他監控環境中。