王　茜， 藺佳哲， 謝　楠

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院 航空彈藥系， 江蘇 徐州　221000； 2.空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系， 江蘇 徐州　221000)

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基于LabVIEW的某型導(dǎo)彈電爆管引信測試儀的設(shè)計(jì)

王茜1， 藺佳哲1， 謝楠2

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院 航空彈藥系， 江蘇 徐州221000； 2.空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系， 江蘇 徐州221000)

虛擬儀器技術(shù)因其功能多樣、測量準(zhǔn)確、集成方便靈活等特點(diǎn),在機(jī)載彈藥測試領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。選取某型導(dǎo)彈電爆管引信測試儀為研究對象,針對該型測試儀存在的缺陷和使用中遇到的問題,采用虛擬儀器技術(shù),對其進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),可以有效消除測試中的誤差,進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理,提高了測試的可靠性和準(zhǔn)確性。同時(shí),利用LabVIEW自帶的WEB發(fā)布工具,可以將虛擬儀器發(fā)布到局域網(wǎng)中,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測試的功能。

電爆管引信;虛擬儀器;數(shù)據(jù)采集;LabVIEW;測試

0　引　　言

航空彈藥裝備是空軍裝備的重要組成部分， 其性能和質(zhì)量的好壞將直接影響航空兵部隊(duì)的作戰(zhàn)效能。 近年來， 各種新型的制導(dǎo)彈藥逐漸裝備部隊(duì)。 制導(dǎo)彈藥是集光、 電、 機(jī)等高新技術(shù)為一體的高技術(shù)產(chǎn)品， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 如何正確使用、 保管、維護(hù)制導(dǎo)彈藥裝備， 使其經(jīng)常處于良好狀態(tài)， 及時(shí)、 準(zhǔn)確、 優(yōu)質(zhì)地實(shí)施保障， 是空軍機(jī)關(guān)、 部隊(duì)面臨的一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

制導(dǎo)彈藥的維護(hù)內(nèi)容較多， 不僅要定期對制導(dǎo)彈藥本身和包裝箱的外觀狀況進(jìn)行確認(rèn)， 而且要定期對制導(dǎo)彈藥的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行判斷。 制導(dǎo)彈藥技術(shù)狀態(tài)的確定比較復(fù)雜， 要根據(jù)其內(nèi)部參數(shù)的大小來確定， 而要獲取內(nèi)部參數(shù)的大小， 必須利用一定的技術(shù)手段對其進(jìn)行測試。 測試結(jié)果能夠顯示出制導(dǎo)彈藥內(nèi)部參數(shù)的情況， 并作為判斷其技術(shù)狀態(tài)的最終依據(jù)。 電爆管引信測試儀用于對導(dǎo)彈電爆管引信的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試， 現(xiàn)有的某型電爆管引信測試儀， 其測試過程不夠簡便， 測量結(jié)果只能是操作人員讀取后再記錄， 因此， 存在很大的人為誤差； 而且在實(shí)際使用過程中， 測試儀的指針指示不穩(wěn)定， 容易受到靜電的影響， 這些均對測試結(jié)果的可靠性產(chǎn)生影響。

1　測試需求分析

對于某型導(dǎo)彈來說， 電爆管引信參數(shù)的測量就是對制導(dǎo)艙的氮?dú)馄奎c(diǎn)火器、 熱電池點(diǎn)火器， 戰(zhàn)斗部裝置的保險(xiǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起爆器， 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的點(diǎn)火器、 短路線以及近炸引信引爆電容的各個(gè)參數(shù)值的測量。 其中， 制導(dǎo)艙的氮?dú)馄奎c(diǎn)火器、 熱電池點(diǎn)火器， 戰(zhàn)斗部裝置的保險(xiǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起爆器以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的點(diǎn)火器、 短路線等需要測量的參數(shù)屬于電阻值； 近炸引信引爆電容需要對其寄生電壓進(jìn)行測試， 屬于電壓參數(shù)。 本測試儀由于是對電爆管引信的參數(shù)進(jìn)行測試， 需要實(shí)時(shí)監(jiān)測電路中的電流值， 確保測試過程中的電流在安全電流以內(nèi)， 防止電爆管意外發(fā)火。

綜上所述， 測試儀涉及到的信號(hào)類型為電阻、 電壓和電流， 需要采用的硬件包括電阻測量模塊、 電壓測量模塊和電流測量模塊。

根據(jù)虛擬儀器的設(shè)計(jì)理念， 虛擬測試設(shè)備的核心部分應(yīng)該是軟件程序的開發(fā)[1]， 要使硬件中的測量模塊完成測試的功能， 必須有軟件加以驅(qū)動(dòng)。 NI公司的LabVIEW軟件功能強(qiáng)， 廣泛應(yīng)用于各類測試領(lǐng)域,可以實(shí)現(xiàn)更為精確的測量[2-4]， 而且LabVIEW及其圖形化數(shù)據(jù)流編程語言， 能創(chuàng)建直觀的圖形化代碼， 在編程時(shí)可以比其他語言更貼切地展現(xiàn)用戶的思維過程。 因此， 軟件程序采用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)， 具體的系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1系統(tǒng)組成

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1小電阻測量方法

由于電爆管引信測試的參數(shù)值較小， 本文需要設(shè)計(jì)專用測試小電阻的測試接口電路。 對于小阻值電阻的測量， 由于其阻值和導(dǎo)線電阻大小相當(dāng)， 所以測量中必須考慮消除導(dǎo)線電阻的影響。 在導(dǎo)線的選擇上， 盡量選用粗導(dǎo)線； 導(dǎo)電率盡可能高； 接觸面盡量大， 以減小接觸電阻[5]。

在測量方法上， 該設(shè)計(jì)采用四線法測量微弱電阻,如圖2所示， 可以很好地保證精度[6]。 四根導(dǎo)線因?yàn)檫x用相同的材料， 阻值基本相等， 約為R0， 電流從1端流進(jìn)， 從4端流出。 2， 3端為測量端， 由于流過2端上R0的電流I2和流過3端上R0的電流I3的方向相反， 導(dǎo)線上電壓降相互抵消。 所用的數(shù)據(jù)采集卡輸入電阻一般大于l MΩ， 遠(yuǎn)大于被測量電阻， 流過2， 3端的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于流過Rx上的電流。 所以，Ux等于Rx的壓降， 消除了導(dǎo)線電阻的影響， 保證了測量精度。

圖2四線制測量電阻法

2.2數(shù)據(jù)采集卡的選擇

根據(jù)測試需求， 測量的參數(shù)有： 制導(dǎo)艙的氮?dú)馄奎c(diǎn)火器電阻、 熱電池點(diǎn)火器電阻； 戰(zhàn)斗部裝置的保險(xiǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起爆器電阻RD1，RD2； 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的點(diǎn)火器電阻RF1、 短路線電阻RF2； 近炸引信引爆電容C1，C2上的寄生電壓共8個(gè)參數(shù)， 同時(shí)臨時(shí)占用其他測試參數(shù)的通道, 對測試電路中的電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

對比市場流行的USB數(shù)據(jù)采集卡， NI USB-6009在性能和價(jià)格上具有很大的優(yōu)勢， 應(yīng)用范圍較廣。 同時(shí)， 作為NI公司的數(shù)據(jù)采集卡， 其與LabVIEW開發(fā)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互接口設(shè)計(jì)十分簡單， 且具有以下特點(diǎn)：

(1) 8路模擬輸入通道(14位分辨率, 48 kS/s)， 2路模擬輸出通道(12位分辨率, 150 S/s)；

(2) 12條數(shù)字I/O 線, 32分辨率計(jì)數(shù)器；

(3) 方便而易于攜帶的總線供電型設(shè)計(jì)， 獲取用于OEM 的僅含板卡的套件；

(4) 可用于Windows， Mac OS X， Linux 和Pocket PC 的驅(qū)動(dòng)軟件， NI-DAQmx 驅(qū)動(dòng)軟件和NI LabVIEW Signal Express 交互式數(shù)據(jù)記錄軟件。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

導(dǎo)彈設(shè)計(jì)定型中規(guī)定配套電爆管引信測試儀的電阻測量范圍為0～3 Ω， 其誤差值為±1.5%； 電壓測量的范圍為0～0.1 V， 其誤差值為±1.0%。 通過最大電流27 mA(此最大電流是指錯(cuò)誤操作的情況下)， 正確操作的情況下， 通過電爆管的電流不超過6 mA。 因此， 測試儀必須設(shè)計(jì)一個(gè)電流監(jiān)控系統(tǒng)， 該系統(tǒng)可以在電流超出安全電流時(shí)自動(dòng)停止測試。 正常情況下， NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)不會(huì)超過5 mA。

本文設(shè)計(jì)的虛擬電爆管測試儀包括制導(dǎo)艙參數(shù)測量部分、 戰(zhàn)斗部起爆器參數(shù)測量部分、 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)測量部分以及近炸引信引爆電容參數(shù)測量部分。 其他功能的實(shí)現(xiàn)都放置于主程序中。 由于這四個(gè)部分的測試編程思路相近， 本文以制導(dǎo)艙參數(shù)測量部分為例， 進(jìn)行相關(guān)功能模塊的設(shè)計(jì)， 該部分程序框圖如圖3所示。

圖3制導(dǎo)艙參數(shù)測量程序框圖

LabVIEW編程支持面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程的編程方法， 由于設(shè)計(jì)的測試儀功能較為簡單， 采用面向過程的編程思路有利于發(fā)揮LabVIEW數(shù)據(jù)流的編程優(yōu)勢[7]。

制導(dǎo)艙參數(shù)測量部分程序是一個(gè)平鋪式順序結(jié)構(gòu)， 包括一個(gè)或多個(gè)順序執(zhí)行的子程序框圖或幀。 平鋪式順序結(jié)構(gòu)可確保子程序框圖按一定順序執(zhí)行。 其數(shù)據(jù)流不同于其他結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流。 所有連線至幀的數(shù)據(jù)都可用時(shí)， 平鋪式順序結(jié)構(gòu)的幀按照從左至右的順序執(zhí)行。 每幀執(zhí)行完畢后會(huì)將數(shù)據(jù)傳遞至下一幀， 即幀的輸入可能取決于另一個(gè)幀的輸出。 制導(dǎo)艙參數(shù)測量部分的數(shù)據(jù)采集和顯示處于第一幀， 測量參數(shù)判斷和電流監(jiān)控處于第二幀， 數(shù)據(jù)保存處于第三幀。

3.1數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn)

LabVIEW集成了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集函數(shù)庫Data Acquisition。 其中DAQ Assistant可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的快速設(shè)置， 還可以通過多路徑啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集助手[8]。

但是， 考慮到將設(shè)計(jì)的虛擬儀器直接應(yīng)用于導(dǎo)彈電爆管參數(shù)測量中可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)， 所以本文設(shè)計(jì)的虛擬電爆管引信測試儀采用LabVIEW自帶的仿真信號(hào)VI來模擬真實(shí)的采樣信號(hào)。 為了提高仿真信號(hào)的真實(shí)性， 在仿真信號(hào)中添加均勻白噪聲作為實(shí)際測量過程中環(huán)境和電路板自身的干擾噪聲。

3.2數(shù)據(jù)分析處理與電流監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的制導(dǎo)艙參數(shù)測量部分直接將采集的信號(hào)顯示到前面板的波形圖中， 十分形象直觀。 同時(shí)， 利用均值VI將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 計(jì)算均值后在軟件前面板的數(shù)值顯示控件中進(jìn)行顯示。 注意采集信號(hào)不能直接導(dǎo)入均值VI， 需要添加一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊， 將采集信號(hào)的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換成可與其他VI和函數(shù)配合使用的數(shù)值類型。

當(dāng)測量參數(shù)超出規(guī)定值時(shí)， 系統(tǒng)報(bào)警燈會(huì)變?yōu)榧t色， 提示用戶該值不合格。 為了增加軟件的友好性， 設(shè)計(jì)了LED的屬性節(jié)點(diǎn)， 這樣紅色報(bào)警燈會(huì)持續(xù)閃爍。 同時(shí)， 前面板的文本框控件顯示為“超限”。 如果測量參數(shù)處于正常范圍內(nèi)， LED燈不會(huì)亮起， 前面板文本框控件顯示為“正?！薄?電流監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)較為簡單， 將采集到的電路電流參數(shù)與最大允許電流值進(jìn)行比較， 如果超出范圍， 即電流值超標(biāo)， 比較VI直接將停止信息輸出到While循環(huán)的停止控制上， 整個(gè)程序停止執(zhí)行。

3.3數(shù)據(jù)保存功能的實(shí)現(xiàn)

對于一個(gè)完整的測試系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 經(jīng)常需要將硬件的配置信息寫入配置文件或者將采集到的數(shù)據(jù)以一定格式存儲(chǔ)在文件中保存數(shù)據(jù)[9]。 為了滿足不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式和性能需求， LabVIEW提供了多種文件類型， 主要分為兩種：

(1) 基于文本的測量文件(LVM文件)。 該文件將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)按一定的格式存儲(chǔ)在文本文件中。 可以在數(shù)據(jù)前加上一些信息頭， 例如采集時(shí)間等， 可由Excel等文本編輯器打開查看其內(nèi)容。

(2) TDM Streaming文件(TDMS文件)。 該文件是LabVIEW8.2對TDM文件的改進(jìn)。 比TDM文件的讀寫速度更快， 使用更簡單方便， 因此非常適合用來存儲(chǔ)數(shù)量龐大的測試數(shù)據(jù)。

針對虛擬電爆管測試儀測試需求， 使用LVM文件格式較為合適。 具體設(shè)計(jì)為在一個(gè)執(zhí)行次數(shù)為10次的For循環(huán)中， 添加一個(gè)寫入測量文件VI， 設(shè)置相關(guān)參數(shù)， 如文件存儲(chǔ)路徑、 文件存儲(chǔ)格式等即可。

4　仿真實(shí)驗(yàn)

利用設(shè)計(jì)好的虛擬電爆管引信測試儀， 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)， 論證設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。 同時(shí)， 利用WEB發(fā)布工具將測試軟件發(fā)布到局域網(wǎng)中， 用戶只需要一臺(tái)接入局域網(wǎng)的電腦， 利用瀏覽器就可以實(shí)現(xiàn)測試功能[10]。

電爆管引信測量參數(shù)中制導(dǎo)艙的氮?dú)馄亢蜔犭姵攸c(diǎn)火器電阻標(biāo)準(zhǔn)范圍大致為0.4～1.0 Ω。 具體的測試界面如圖4所示。

圖4電爆管引信測試儀軟件界面

表1　氮?dú)馄奎c(diǎn)火器電阻測量值分析表

表2　熱電池點(diǎn)火器電阻測量值分析表

根據(jù)相關(guān)理論公式， 最終系統(tǒng)的誤差為

(1)

由式(1)可知溫濕度的相對誤差值分別為0.642%和0.519 7%， 考慮到規(guī)定的電爆管引信測試儀的誤差為±1.5%， 該電爆管引信系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)完全符合測試要求。 與現(xiàn)在使用的測試儀5%的精度相比， 具有一定的優(yōu)越性。

從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出系統(tǒng)基本能夠滿足對相關(guān)參數(shù)的測試要求。 軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)符合電爆管引信的測試需求， 簡化了測試流程， 減輕了操作人員工作量， 滿足航空彈藥快速應(yīng)急保障的需求， 對于實(shí)現(xiàn)航空彈藥保障裝備信息化具有重要的意義。

5　結(jié)　　論

本文分析了傳統(tǒng)電爆管引信測試儀的不足之處， 利用LabVIEW 2012編制了虛擬電爆管引信測試儀的主界面， 及各模塊(制導(dǎo)艙參數(shù)測量部分、 戰(zhàn)斗部起爆器參數(shù)測量部分、 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)測量部分以及近炸引信引爆電容參數(shù)測量部分)的前面板和框圖程序， 實(shí)現(xiàn)了對電爆管引信參數(shù)的測試和分析功能。

同時(shí)， 本文對電爆管引信測試儀系統(tǒng)的功能研究仍然不足， 還需要進(jìn)一步的開發(fā)研究； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊只完成了向記錄文件的存儲(chǔ)， 沒有實(shí)現(xiàn)向Excel表格的存儲(chǔ)[12]， 這一方面有待進(jìn)一步完善； 所開發(fā)的虛擬電爆管引信測試儀遠(yuǎn)程測試功能不夠完善， 需進(jìn)一步利用WEB開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程測試。

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Design of Certain Missile Electric Detonator Testing Instrument Based on LabVIEW

Wang Qian1， Lin Jiazhe1， Xie Nan2

(1.Department of Aviation Ammunition, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China；2. Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

The technology of virtual instrument is widely used in airborne ammunition testing equipment for its diverse functions, accurate measurement and easy integration. Selecting a certain type of missile electric detonator testing instrument as the research object and aiming at the problem of this testing instrument, the new testing instrument is designed by virtual instrument technology. It can effectively eliminate the error in test, realize the data acquisition, display, storage and data processing, and improve the reliability and accuracy of the testing instrument. Meanwhile, using the WEB publishing tools of LabVIEW, the virtual instrument can be applied into local area network to achieve the function of remote testing.

electric detonator; virtual instrument; data acquisition; LabVIEW; testing

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.015

2016-01-05

王茜(1967-)， 女， 安徽蕭縣人， 碩士， 副教授， 研究方向?yàn)闄C(jī)載彈藥技術(shù)維護(hù)。

TP430.6

A

1673-5048(2016)03-0066-05