基于PC104的低空測(cè)試儀測(cè)控程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王偉鋒，苗克堅(jiān)

（西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710075）

低空測(cè)試儀需要作為一個(gè)整體吊掛在直升機(jī)下，這就要求測(cè)試儀體積小、實(shí)時(shí)性好、工作溫度范圍寬、可靠性高、能適應(yīng)各種惡劣自然條件，并有持續(xù)的高速數(shù)據(jù)采集能力。而嵌入計(jì)算機(jī)PC104，憑借其體積小、功耗低、集成度高及模塊化等一系列優(yōu)良品質(zhì)，滿足此要求。而且，PC104在嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)中，除了有顯示要求的情況外，通常作為一種“黑匣子”的工作模式，即沒(méi)有顯示。而低空測(cè)試儀就是后者的應(yīng)用。數(shù)據(jù)的下載是通過(guò)插入U(xiǎn)盤自動(dòng)下載的，不需要拆卸拆卸硬盤下載數(shù)據(jù)，方便多次測(cè)試。

1 測(cè)控系統(tǒng)需求分析

通過(guò)對(duì)測(cè)試儀測(cè)試原理的分析及操作流程的分解細(xì)化，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮一下幾點(diǎn)：

1）測(cè)試儀不僅要能夠在有地海雜波的情況下對(duì)某產(chǎn)品的相關(guān)輸出信號(hào)進(jìn)行持續(xù)的采集，而且采集信號(hào)的同時(shí)記錄產(chǎn)品距離地面或海面的高度；

2）在硬件上采用成熟的平臺(tái)，使系統(tǒng)集成度高、可靠性高和維修性強(qiáng)；

3）采用定時(shí)數(shù)據(jù)采集控制方式，因直升機(jī)上不讓使用無(wú)線遙控裝置，可在起飛前設(shè)置好延遲時(shí)間，起飛后當(dāng)預(yù)定的延遲時(shí)間到時(shí)，自動(dòng)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，也可設(shè)置采集停止時(shí)間；

4）采集的數(shù)據(jù)可通過(guò)U盤自動(dòng)下載，然后導(dǎo)入地面計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析和處理；

5）地面計(jì)算機(jī)能確定哪些數(shù)據(jù)超過(guò)規(guī)定的門限值及對(duì)應(yīng)的高度，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段FFT處理分析；

根據(jù)低空測(cè)試儀試驗(yàn)測(cè)控需求的特點(diǎn)可以歸納出對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的性能需求，主要包括：

1）數(shù)據(jù)記錄時(shí)長(zhǎng)≤1 h；

2）采集速率≥100 kS/s；

3） 測(cè)高范圍 1～1 200 m。

2 測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該測(cè)控系統(tǒng)[1－3]結(jié)構(gòu)如圖1所示，在對(duì)被測(cè)產(chǎn)品的測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)控制系統(tǒng)控制供電系統(tǒng)，給被測(cè)產(chǎn)品、嵌入式計(jì)算機(jī)和無(wú)線電測(cè)試儀供電；嵌入式計(jì)算機(jī)控制給被測(cè)產(chǎn)品各信號(hào)加電時(shí)序，何時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)和何時(shí)停止采集；一次試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)U盤導(dǎo)入地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

圖1中除了地面計(jì)算機(jī)外，其他的設(shè)備都需要密封在玻璃鋼下。這就要求玻璃鋼能裝下被測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、蓄電池等，具有一定氣動(dòng)力形狀，具有兩個(gè)水平翼和一個(gè)垂直尾翼，減少飛行中的阻力，被測(cè)設(shè)備的天線位于吊艙的底部和高度表天線位于吊艙的水平翼上。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the overall system

3 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，測(cè)控系統(tǒng)硬件[1]主要PC104電源板，PC104 CPU板，PC104數(shù)據(jù)采集卡，PC104繼電器開(kāi)關(guān)板和無(wú)線電測(cè)高儀組成。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

PC104電源板用于為PC104 CPU板提供高效、穩(wěn)定的12 V電源。PC104 CPU板控制AD采集卡實(shí)時(shí)采集每通道的數(shù)據(jù)，速率為200 kS/s；通過(guò)串口采集無(wú)線測(cè)高儀的數(shù)據(jù)，速度為25 Hz；繼電器開(kāi)關(guān)板用于按時(shí)序給產(chǎn)品加-18 V，+18 V和+27 V。

無(wú)線電高度表是測(cè)量飛行器相對(duì)地面（海面）垂直高度的距離測(cè)量系統(tǒng)。主要有主機(jī)、收發(fā)天線和連接電纜組成，如圖3所示。

圖3 無(wú)線高度表結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the wireless altimeter

4 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該測(cè)控系統(tǒng)[4-6]的軟件采用 VC++6.0編程，運(yùn)行在Windows XP系統(tǒng)下，可以在PC機(jī)上編譯后通過(guò)U盤拷貝到PC104主機(jī)，也可以直接在PC104主機(jī)上開(kāi)發(fā)。測(cè)試系統(tǒng)的軟件分為上位機(jī)軟件即低空測(cè)試儀中軟件和下位機(jī)軟件即地面分析計(jì)算機(jī)中軟件。

1）上位機(jī)軟件

由于只有4G SSD板上硬盤，2G用來(lái)存采集的數(shù)據(jù)，而高速AD卡采集速率多大1.0 MHz/s，所以采集數(shù)據(jù)時(shí)間有限，硬盤空間剩余不足100 M時(shí)，系統(tǒng)就自動(dòng)關(guān)閉，防止系統(tǒng)崩潰。2 G用來(lái)裝Window系統(tǒng)，需要對(duì)window進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉簦员銥椴杉瘮?shù)據(jù)預(yù)留更多的空間。

由于測(cè)試儀最終被玻璃鋼密封艙，對(duì)外只留下開(kāi)關(guān)和一個(gè)USB接口下載數(shù)據(jù)，何時(shí)下載數(shù)據(jù)就依靠檢測(cè)U盤的插入，具體的動(dòng)作時(shí)序如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的流程圖Fig.4 Flow chart of the host computer software design

首先需要按下電源開(kāi)關(guān)，指示燈1亮，說(shuō)明系統(tǒng)正常啟動(dòng)，此時(shí)開(kāi)始檢查是否插入U(xiǎn)盤，如果沒(méi)有插入U(xiǎn)盤，就采集采集數(shù)據(jù)，一個(gè)采集周期結(jié)束就需要插入U(xiǎn)盤把數(shù)據(jù)下載下來(lái)，或者直接關(guān)機(jī)，等下次開(kāi)機(jī)上下載；

插入U(xiǎn)盤后，響應(yīng)函數(shù)的源碼如下：

ON_MESSAGE （WM_DEVICECHANGE，OnMyUSBDevice）

LRESULT CPC104Dlg::OnMyUSBDevice （WPARAM wParm，LPARAM lParam）

{

switch （wParm）

{

case DBT_DEVICEARRIVAL:

bUSBFlag=TRUE； //有USB設(shè)備插入

if（bALLRun） //設(shè)備在采集數(shù)據(jù)

{

Stop（）； //停止采集數(shù)據(jù)

SendFile（）； //下載數(shù)據(jù)到 U 盤

ShutDownDevice（）；關(guān)閉設(shè)備

}

else//如果設(shè)備沒(méi)有采集數(shù)據(jù)

{

SendFile（）； //下載上次采集的數(shù)據(jù)

ShutDownDevice（）； //關(guān)閉設(shè)備

}

break；

…...

default:

break；

}

return 0；

}

2）下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件是用來(lái)分析從U盤拷貝過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，本軟件用也是用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，主要有以下幾個(gè)模塊組成：數(shù)據(jù)處理模塊、文件模塊、工具模塊等。對(duì)測(cè)試儀一次運(yùn)行得到的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析分離、分析運(yùn)算和作圖顯示。結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的流程圖Fig.5 Flow chart of the lower machine software design

①數(shù)據(jù)處理模塊：測(cè)試儀一次運(yùn)行得到的AD采樣數(shù)據(jù)被整體保存成一個(gè)巨大的原始數(shù)據(jù)文件，多路采樣通道數(shù)據(jù)混雜其中，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)處理和作圖顯示；還有就是工作環(huán)境的限制，可能造成高度表采樣數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離預(yù)期值，這些數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過(guò)處理，才能更加適合于繪圖顯示。綜合預(yù)覽前需要數(shù)據(jù)同步，因?yàn)樗膫€(gè)通道的采樣頻率（250 kHz）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高度表采樣頻率（50 Hz），需要按照一定的算法對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。

②圖形顯示模塊：把前面A/D采樣數(shù)據(jù)和高度表數(shù)據(jù)通過(guò)兩種方式顯示出來(lái)。

③工具模塊：用來(lái)對(duì)觀測(cè)的數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行的各種操作。

5 模擬實(shí)驗(yàn)

該測(cè)試系統(tǒng)用于某飛行部件的相關(guān)信號(hào)測(cè)試。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先打開(kāi)前面板上的開(kāi)關(guān)按鈕，然后自動(dòng)運(yùn)行測(cè)試應(yīng)用軟件，初始化相關(guān)板卡后，等待一定的時(shí)間開(kāi)始數(shù)據(jù)的采集。下載數(shù)據(jù)到地面計(jì)算機(jī)座談分析，如圖6所示，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。

圖6 放大界面圖Fig.6 Interface diagram of the zoom mode

如圖7所示，已經(jīng)調(diào)用了綜合預(yù)覽功能繪制了5條曲線，并進(jìn)入游標(biāo)模式讀取了55.8秒處的采樣數(shù)據(jù)顯示在狀態(tài)欄上（本圖形已經(jīng)過(guò)3次放大）。

圖7 3次放大界面圖Fig.7 Interface diagram of the three zoom mode

數(shù)據(jù)作圖的FFT結(jié)果如圖8所示。

圖8 FFT結(jié)果文件圖Fig.8 FFT plot

圖8 中FFT窗口已經(jīng)打開(kāi)一份FFT結(jié)果文件，并進(jìn)行了圖形放大，使用游標(biāo)讀取了第三采樣點(diǎn)處電壓值和192 Hz處的分貝值。

6 結(jié) 論

該測(cè)試系統(tǒng)采用具有高速數(shù)據(jù)采集卡的PC104嵌入式計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)外只有USB接口下載數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的可操作性。該測(cè)試系統(tǒng)已用于某飛行部件的相關(guān)信號(hào)的測(cè)試，并在實(shí)際應(yīng)用和在仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用下都表明該測(cè)試系統(tǒng)具有測(cè)試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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