黃春福 查 峰

（海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系 武漢 430033）

基于LabVIEW的激光慣導(dǎo)顯示控制系統(tǒng)?

黃春福 查 峰

（海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系 武漢 430033）

慣導(dǎo)系統(tǒng)的信息交互流程復(fù)雜、信息量大，便捷高效的顯示控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)操作測(cè)試、數(shù)據(jù)交互的必要條件?；谔摂M儀器技術(shù)，利用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)了某型激光慣導(dǎo)裝備的顯控系統(tǒng)。首先，根據(jù)激光慣導(dǎo)裝備的通訊協(xié)議，完成了顯控系統(tǒng)的軟件流程設(shè)計(jì)；其次，根據(jù)用戶(hù)需求，合理規(guī)劃了顯控系統(tǒng)功能并進(jìn)行了程序?qū)崿F(xiàn)；最后，分別進(jìn)行了慣導(dǎo)裝備數(shù)據(jù)采集、顯控系統(tǒng)離線(xiàn)調(diào)試、軟硬件聯(lián)合調(diào)試實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光慣導(dǎo)裝備輸出數(shù)據(jù)的解析和多樣化顯示，初始裝訂及狀態(tài)切換等功能。

慣性導(dǎo)航；LabVIEW；顯示控制；虛擬儀器

ClassNum ber TP316

1 引言

慣性導(dǎo)航不依賴(lài)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(xiàn)代導(dǎo)航的重要手段。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角等數(shù)據(jù)，信息全面［1～3］，需要合理的界面顯示。在實(shí)際運(yùn)行中顯示控制系統(tǒng)需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和顯示，且需要進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。采用傳統(tǒng)的手工記錄顯然不能滿(mǎn)足需求；采用示波器顯示，理論上可行，但電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，且不能對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施控制；Matlab、Visual Basic等編程軟件雖然能實(shí)現(xiàn)對(duì)慣導(dǎo)裝備的顯示和控制，但編程方法復(fù)雜，且不利于后期的調(diào)試、修改［4］。

LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)，運(yùn)用圖形化編程語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生框圖形式的程序，使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，基本上不寫(xiě)文字代碼，可以大大提高工作效率［5～6］。

根據(jù)慣導(dǎo)裝備的信息顯示控制需求，基于虛擬儀器技術(shù)在測(cè)控編程上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，利用Lab-VIEW設(shè)計(jì)了一種慣性導(dǎo)航顯示控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際慣導(dǎo)裝備數(shù)據(jù)采集及在設(shè)計(jì)的顯示面板顯示，同時(shí)發(fā)送控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)慣導(dǎo)裝備的初始裝訂和狀態(tài)切換。

2 虛擬儀器與LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境

虛擬儀器是美國(guó)National Instruments（簡(jiǎn)稱(chēng)NI）公司在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上通過(guò)自己的產(chǎn)品把工業(yè)測(cè)量與控制和計(jì)算機(jī)的結(jié)合的一種技術(shù)。它是計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)和總線(xiàn)技術(shù)日益發(fā)展并向其他領(lǐng)域滲透過(guò)程中，與測(cè)試測(cè)量、自動(dòng)化技術(shù)等密切結(jié)合，孕育出的一項(xiàng)全新成果。其核心思想是“軟件即是儀器”，將計(jì)算機(jī)作為統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算、大容量存儲(chǔ)，易于操作等特點(diǎn)，把傳統(tǒng)儀器軟件化、圖形化，模擬出傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器相比于傳統(tǒng)儀器優(yōu)勢(shì)明顯，如體積減小，性能大大提高，人機(jī)交互友好，可與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備互聯(lián)，便于測(cè)試等［7～10］。

LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench的簡(jiǎn)稱(chēng)，是NI公司為虛擬儀器設(shè)計(jì)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有簡(jiǎn)單直觀(guān)、易于理解和開(kāi)發(fā)效率高等特點(diǎn)。它盡可能地使用科學(xué)家、工程師所熟悉的概念、圖標(biāo)，無(wú)論是否有豐富的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，均能順利應(yīng)用。LabVIEW軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛［11～14］。

3 激光慣導(dǎo)裝備結(jié)構(gòu)與組成

本設(shè)計(jì)根據(jù)某型激光慣導(dǎo)系統(tǒng)［15～17］實(shí)際裝備的數(shù)據(jù)顯示和采集需求設(shè)計(jì)激光慣導(dǎo)顯控系統(tǒng)。該型裝備如圖1所示，采用27±2V供電，數(shù)據(jù)輸出采用RS232串行通信［18～20］，串口輸出采用A5口，數(shù)據(jù)傳輸波特率為9600，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)，1位停止位。

圖1 某型激光慣導(dǎo)裝備及電源

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)之后持續(xù)輸出數(shù)據(jù)，若輸入狀態(tài)字“i”，系統(tǒng)返回信息提示輸入經(jīng)緯度和高度，輸入后完成裝訂。若輸入狀態(tài)字“m”，系統(tǒng)返回提示信息，根據(jù)提示可進(jìn)入準(zhǔn)備、對(duì)準(zhǔn)、導(dǎo)航等狀態(tài)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互流程如圖2所示。

圖2 某型激光慣導(dǎo)裝備數(shù)據(jù)交互流程圖

4 總體設(shè)計(jì)

激光慣導(dǎo)顯控系統(tǒng)根據(jù)激光慣導(dǎo)裝備的數(shù)據(jù)交互流程和通訊協(xié)議，完成激光慣導(dǎo)裝備與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。激光慣導(dǎo)裝備接收來(lái)自顯示控制系統(tǒng)的信息包括狀態(tài)選擇指令、狀態(tài)變化指令、系統(tǒng)初始經(jīng)度、緯度等，從而完成激光慣導(dǎo)裝備的初始裝訂和流程控制。同時(shí)，激光慣導(dǎo)在完成初始位置裝訂后，利用陀螺儀和加速度計(jì)量測(cè)的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行慣導(dǎo)解算，輸出解算后的速度、姿態(tài)、航向、位置等導(dǎo)航信息，此外還包括系統(tǒng)狀態(tài)、陀螺和加速度計(jì)等原始數(shù)據(jù)。激光慣導(dǎo)顯控系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的識(shí)別、截取、解析等操作以獲取導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并通過(guò)文本、圖表等方式實(shí)時(shí)顯示。

5 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顯示控制系統(tǒng)前面板由選項(xiàng)卡控件將其分為兩個(gè)面板，分別用于顯示基本信息和顯示圖表信息?；拘畔⒚姘逵纱谠O(shè)置、流程控制、數(shù)據(jù)分類(lèi)顯示、綜合顯示四個(gè)部分組成。串口設(shè)置用于對(duì)串口通訊參數(shù)的設(shè)置，如：波特率、校驗(yàn)等；流程控制包括初始裝訂及準(zhǔn)備、對(duì)準(zhǔn)、導(dǎo)航等狀態(tài)的選擇；數(shù)據(jù)分類(lèi)顯示將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后按照位置、速度、姿態(tài)等分類(lèi)顯示，從而更加直觀(guān)地獲得導(dǎo)航參數(shù)；綜合顯示窗口用于顯示提示信息，原始數(shù)據(jù)等。圖表顯示面板采用波形圖實(shí)時(shí)顯示經(jīng)緯度、高度及速度、姿態(tài)等信息，顯示更為清楚、直觀(guān)。程序前面板如圖4所示。

圖3 激光慣導(dǎo)顯控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖4 程序前面板

后面板程序框圖包括串口設(shè)置部分、接收顯示部分、命令發(fā)送部分。串口設(shè)置中波特率、奇偶校驗(yàn)等均為可調(diào)，為不同的通訊協(xié)議提供方便設(shè)置。接收部分接收數(shù)據(jù)后進(jìn)入緩沖區(qū)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延遲進(jìn)入顯示部分，這里采用搜索/拆分字符串、截取字符串兩個(gè)函數(shù)獲得位置、速度、姿態(tài)等信息，從而分類(lèi)顯示。發(fā)送部分采用事件結(jié)構(gòu)，通過(guò)按鈕值改變觸發(fā)。觸發(fā)前在各對(duì)應(yīng)的輸入框輸入?yún)?shù)，通過(guò)連接字符串函數(shù)按照通訊格式連接，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)按鈕即觸發(fā)事件，參數(shù)發(fā)送。整個(gè)框圖外圍采用分支結(jié)構(gòu)打開(kāi)串口，采用循環(huán)結(jié)構(gòu)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(tǒng)通訊實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證激光慣導(dǎo)顯控系統(tǒng)的可行性和可靠性，分別進(jìn)行了不同條件下的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先，利用串口通訊工具與激光慣導(dǎo)裝備進(jìn)行測(cè)試，采集慣導(dǎo)裝備的數(shù)據(jù)，確定通訊流程和數(shù)據(jù)協(xié)議；在此基礎(chǔ)上，利用串口助手進(jìn)行顯控系統(tǒng)的通訊調(diào)試，測(cè)試顯控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的解析；最后進(jìn)行慣導(dǎo)裝備和顯控系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)。

激光慣導(dǎo)裝備開(kāi)機(jī)后，將其接入便攜式計(jì)算機(jī)，利用串口工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。按照通訊協(xié)議，選擇不同的慣導(dǎo)裝備狀態(tài)，以采集不同狀態(tài)下的系統(tǒng)輸出，驗(yàn)證慣導(dǎo)裝備通訊協(xié)議正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光慣導(dǎo)裝備能夠穩(wěn)定輸出數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶(hù)的選擇進(jìn)行狀態(tài)變換。

得到激光慣導(dǎo)的輸出數(shù)據(jù)后，利用其進(jìn)行激光慣導(dǎo)顯控系統(tǒng)的離線(xiàn)測(cè)試。通過(guò)軟件虛擬一對(duì)串口將串口工具與顯控系統(tǒng)相連。串口工具發(fā)送采集的慣導(dǎo)裝備輸出數(shù)據(jù)，顯控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和解析，完成數(shù)據(jù)顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明串口助手發(fā)送的數(shù)據(jù)顯控系統(tǒng)均能收到，能正常顯示且解析正確，同時(shí)，顯控系統(tǒng)發(fā)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(cè)試

在完成系統(tǒng)的離線(xiàn)調(diào)試后，進(jìn)行激光慣導(dǎo)裝備與顯控系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)，實(shí)驗(yàn)如圖7所示。激光慣導(dǎo)裝備通電后，按照通訊協(xié)議發(fā)出數(shù)據(jù)。用戶(hù)可以通過(guò)顯控系統(tǒng)選擇狀態(tài)，慣導(dǎo)裝備根據(jù)用戶(hù)的選擇切換自身狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)慣導(dǎo)裝備的輸出進(jìn)行快速、準(zhǔn)確解析，通過(guò)文本、圖形等不同形式顯示，如圖8。試驗(yàn)表明，顯控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、人機(jī)交互便捷。

7 結(jié)語(yǔ)

利用計(jì)算機(jī)和激光慣導(dǎo)裝備在LabVIEW編程環(huán)境下完成了慣導(dǎo)裝備輸出數(shù)據(jù)的解算顯示和對(duì)慣導(dǎo)裝備進(jìn)行初始裝訂及控制。使用軟件編程，方便后期調(diào)試和修改。使用串口助手和激光慣導(dǎo)裝備進(jìn)行測(cè)試，保證測(cè)試的可靠性。該顯示控制系統(tǒng)直觀(guān)、簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單，滿(mǎn)足了實(shí)際慣導(dǎo)裝備的顯示控制需求。

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境

圖8 顯控系統(tǒng)數(shù)據(jù)圖形顯示

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：41574069；41404002）；國(guó)家重大科學(xué)儀器開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：2011yq12004502）資助。

黃春福，男，研究方向：慣性技術(shù)及應(yīng)用。查峰，男，講師，研究方向：慣性技術(shù)及應(yīng)用。