基于虛擬儀器技術(shù)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)彈藥爆炸現(xiàn)場(chǎng)爆壓測(cè)量難的問(wèn)題，采用LabVIEW為工具設(shè)計(jì)了一套無(wú)線自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、無(wú)線中繼站AP和上位機(jī)三部分組成。測(cè)控系統(tǒng)以LabVIEW為主控軟件，利用圖形化編程語(yǔ)言和模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)和分析。通過(guò)系統(tǒng)驗(yàn)證和測(cè)試表明，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸和遠(yuǎn)程控制的能力，完全能夠勝任惡劣環(huán)境下爆炸現(xiàn)場(chǎng)爆壓測(cè)量的重任。

在彈藥的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要知道彈藥爆炸時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，而傳統(tǒng)儀器設(shè)備卻很難滿足這些科學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求，特別是對(duì)人類無(wú)法生存的惡劣實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取就更加困難，開(kāi)發(fā)新的儀器設(shè)備不僅存在開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)和測(cè)試效率低的問(wèn)題，還大大增加了測(cè)試成本。美國(guó)國(guó)家儀器有限公司NI提出的虛擬儀器技術(shù)很好地解決了以上問(wèn)題，推出的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，采用數(shù)據(jù)流編程圖形化方式非常容易實(shí)現(xiàn)程序界面設(shè)計(jì)、編寫代碼和功能實(shí)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、通信和過(guò)程控制等領(lǐng)域。利用LabVIEW設(shè)計(jì)的無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)爆炸現(xiàn)場(chǎng)爆壓測(cè)量，解決了開(kāi)發(fā)成本高、測(cè)試效率低和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)等幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)分析等功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、無(wú)線中繼站和上位機(jī)三部分組成，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要完成數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，并將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ARM處理器，由ARM處理器控制將數(shù)據(jù)由無(wú)線Wi-Fi無(wú)線模塊發(fā)送給中繼站。為了保證本測(cè)控系統(tǒng)適應(yīng)無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸，選用無(wú)線AP作為中繼站保證數(shù)據(jù)的正確可靠的遠(yuǎn)距離傳輸。在接收端中繼將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)口傳回上位機(jī)，上位機(jī)由基于LabVIEW的測(cè)控軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、處理、顯示、存儲(chǔ)和分析等相關(guān)操作。

圖1 無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)在工作時(shí)首先在上位機(jī)LabVIEW軟件的控制下進(jìn)行自檢，待自檢完成后，通過(guò)LabVIEW軟件對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的采集系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，然后讓傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于待觸發(fā)狀態(tài)。當(dāng)彈藥爆炸時(shí)就會(huì)觸發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使得采集系統(tǒng)自動(dòng)把相關(guān)信號(hào)采集并存儲(chǔ)下來(lái)。當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到上位機(jī)發(fā)出的讀數(shù)命令時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的ARM處理器會(huì)把采集系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出并發(fā)給Wi—Fi無(wú)線模塊，由其把數(shù)據(jù)通過(guò)中繼站傳回上位機(jī)。最后裝在上位機(jī)上的LabVIEW軟件完成數(shù)據(jù)的讀取、合并和存儲(chǔ)，并能根據(jù)需要對(duì)讀回的數(shù)據(jù)作濾波和頻譜分析等相關(guān)的信號(hào)處理工作。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)硬件部分主要由傳感器、AD轉(zhuǎn)換器、FPGA、ARM系統(tǒng)、Wi—Fi無(wú)線模塊、存儲(chǔ)器FLASH、USB控制器FT245等組成，硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

A/D變換器作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件在測(cè)控系統(tǒng)中的地位是不容忽視的，測(cè)控系統(tǒng)選用AD公司的AD7492作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，AD7492分辨率為12 bit，在2.7 V～5.25 V的電壓下工作，最高采樣速率可達(dá)到3 MB/s，可以處理高達(dá)10 MHz的寬頻信號(hào)。在傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件當(dāng)中FLASH存儲(chǔ)器也顯得尤為重要，因?yàn)樗械膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都需要存儲(chǔ)到FLASH中，一方面數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確地存入且不能丟失，另一方面存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)要能夠準(zhǔn)確地被讀出并傳回上位機(jī)。測(cè)控系統(tǒng)的NandFlash芯片選用三星公司的K9K2G08U0M，容量為256 MB，電壓工作在2.7 V～3.6 V，一頁(yè)大小為2 kB，編程和擦除均為自動(dòng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要運(yùn)用NI公司的LabVIEW9.0開(kāi)發(fā)完成，系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)功能：1）系統(tǒng)參數(shù)配置，包括對(duì)傳感器的采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)及信號(hào)調(diào)理模塊的放大倍數(shù)等;2）工作狀態(tài)檢測(cè)，即對(duì)選定的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)客戶端通信信道進(jìn)行的工作狀態(tài)檢測(cè);3）數(shù)據(jù)通信，能對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和頻譜分析;4）測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和測(cè)試結(jié)束后的數(shù)據(jù)讀取。

數(shù)據(jù)讀取模塊是軟件系統(tǒng)的主要單元，主要的功能是向下位機(jī)發(fā)送執(zhí)行采集數(shù)據(jù)的命令，并讀取和回傳采集到的數(shù)據(jù)。LabVIEW的優(yōu)勢(shì)在于已經(jīng)為用戶提供了封裝好的TCPVI函數(shù)，使用時(shí)只需要設(shè)置服務(wù)器端TCP VI的監(jiān)聽(tīng)端口，客戶端TCP VI則只需要設(shè)置相應(yīng)的要與服務(wù)器建立連接的地址和遠(yuǎn)程端口即可。在LabVIEW環(huán)境下服務(wù)器Socket通信程序框圖如圖3所示。

圖3 Socket通信的程序框圖

根據(jù)Socket技術(shù)TCP通信流程包括：作為服務(wù)器端的PC機(jī)首先對(duì)指定的端口監(jiān)聽(tīng)并處于等待連接狀態(tài)，作為客戶端的數(shù)據(jù)采集端向服務(wù)器端被監(jiān)聽(tīng)的端口發(fā)出連接請(qǐng)求后，PC機(jī)響應(yīng)，先向客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，再讀取客戶端反饋的表示確認(rèn)握手成功的信息，并讀取文件是否為加密文件的標(biāo)志位，讀取文件數(shù)據(jù)大小信息，最后讀取數(shù)據(jù)，通信完成后關(guān)閉TCP連接。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

數(shù)據(jù)采集模塊作為測(cè)控系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，其正確性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)有著決定性的影響，因此首先對(duì)采集模塊的正確性進(jìn)行驗(yàn)證才能保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)的正確性。

4.1 系統(tǒng)功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

首先要對(duì)采集模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置的過(guò)程是：上位機(jī)發(fā)送參數(shù)設(shè)置指令，然后指令通過(guò)中繼站傳輸?shù)较挛粰C(jī)，下位機(jī)根據(jù)事先的程序設(shè)定將系統(tǒng)調(diào)整到相對(duì)應(yīng)的工作模式，以1號(hào)測(cè)控裝置為例，將其采樣率設(shè)置在第三檔，即1 Mbps。

為了驗(yàn)證經(jīng)過(guò)無(wú)線設(shè)置后系統(tǒng)是否正確地進(jìn)入到了相對(duì)應(yīng)的工作模式，利用信號(hào)源直接產(chǎn)生一個(gè)頻率為1 kHz、最大值為3.1 V、最小值為0.8 V的正弦信號(hào)，將該信號(hào)直接輸入到調(diào)理電路的輸入端，待系統(tǒng)采集完成后，將采集結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示，上位機(jī)顯示結(jié)果如圖4所示。

圖4 正弦波采集結(jié)果展開(kāi)圖

4.2 測(cè)試結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)際工作能力，采用ICP傳感器和測(cè)控系統(tǒng)對(duì)模擬的炸藥爆炸現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了爆壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)。首先通過(guò)無(wú)線將系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成，并讓系統(tǒng)進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)，等炸藥起爆的瞬間完成炸藥瞬態(tài)爆壓的測(cè)量，最后將測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)無(wú)線傳回計(jì)算機(jī)。見(jiàn)圖5給出了模擬炸藥爆炸瞬間測(cè)到的爆壓值經(jīng)過(guò)低通濾波處理后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 沖擊波信號(hào)實(shí)際采集處理結(jié)果

在圖5中橫坐標(biāo)的單位是ns，縱坐標(biāo)的單位是mV，游標(biāo)1對(duì)應(yīng)的正弦波最小幅值為795 mV，游標(biāo)0對(duì)應(yīng)的正弦波最大幅值為3 102 mV，除掉軟件操作時(shí)游標(biāo)取點(diǎn)的誤差，這一結(jié)果和信號(hào)源設(shè)置的最大值為3.1 V、最小值為0.8 V基本吻合。游標(biāo)0和游標(biāo)1在橫軸上的差值可以計(jì)算得到采集到的正弦波一個(gè)周期為1 ms，這正好和信號(hào)源沒(méi)置的信號(hào)頻率為1 k吻合。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該測(cè)控系統(tǒng)從參數(shù)的無(wú)線設(shè)置，到數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)采集，再到采集結(jié)果的無(wú)線回傳，最后到采集結(jié)果的上位機(jī)顯示都正確無(wú)誤，測(cè)試曲線能夠很好地記錄炸藥爆炸前后各個(gè)狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)。

5 結(jié)論

從基于LabVIEW的無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)出發(fā)對(duì)系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成和設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并給出了測(cè)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信模塊程序框圖，最后通過(guò)試驗(yàn)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力、無(wú)線傳輸控制能力和系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)爆炸現(xiàn)場(chǎng)爆壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)控系統(tǒng)完全能夠勝任惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸和控制的重任。

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