基于LabVIEW的無線自動(dòng)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐瑞麗

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南鄭州 45000;2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南鄭州450046)

在彈藥的設(shè)計(jì)過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，特別是對人類無法生存的惡劣實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取就更加困難，開發(fā)新的儀器設(shè)備不僅存在開發(fā)周期長和測試效率低的問題，還大大增加了測試成本。美國國家儀器有限公司NI提出的虛擬儀器技術(shù)很好地解決了以上問題，推出的圖形化編程語言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、通信和過程控制等領(lǐng)域［1－3］。利用LabVIEW設(shè)計(jì)的無線測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對爆炸現(xiàn)場爆壓測量，解決了開發(fā)成本高、測試效率低和系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間長等幾個(gè)關(guān)鍵問題，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的無線測控系統(tǒng)主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、無線中繼站和上位機(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，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)由無線Wi－Fi無線模塊發(fā)送給中繼站。為了保證本測控系統(tǒng)適應(yīng)無線遠(yuǎn)距離傳輸，選用無線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)通過無線網(wǎng)口傳回上位機(jī)，上位機(jī)由基于LabVIEW的測控軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、處理、顯示、存儲和分析等相關(guān)操作［4，5］。

圖1 無線測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無線測控系統(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LabVIEW軟件對傳感器網(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)信號采集并存儲下來。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處理器會把采集系統(tǒng)中存儲的數(shù)據(jù)讀出并發(fā)給Wi－Fi無線模塊，由其把數(shù)據(jù)通過中繼站傳回上位機(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，并能根據(jù)需要對讀回的數(shù)據(jù)作濾波和頻譜分析等相關(guān)的信號處理工作。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的無線測控系統(tǒng)硬件部分主要由傳感器、AD轉(zhuǎn)換器、FPGA、ARM 系統(tǒng)、Wi－Fi無線模塊、存儲器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)鍵器件在測控系統(tǒng)中的地位是不容忽視的，測控系統(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。在傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件當(dāng)中FLASH存儲器也顯得尤為重要，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，另一方面存儲的數(shù)據(jù)要能夠準(zhǔn)確地被讀出并傳回上位機(jī)。測控系統(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，一頁大小為 2 kB，編程和擦除均為自動(dòng)［6］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的無線測控系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要運(yùn)用NI公司的LabVIEW9.0開發(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，包括對傳感器的采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)及信號調(diào)理模塊的放大倍數(shù)等;2)工作狀態(tài)檢測，即對選定的無線傳感器網(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;3)數(shù)據(jù)通信，能對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和頻譜分析;4)測試過程中的數(shù)據(jù)存儲和測試結(jié)束后的數(shù)據(jù)讀?。?］。

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)勢在于已經(jīng)為用戶提供了封裝好的TCP VI函數(shù)，使用時(shí)只需要設(shè)置服務(wù)器端TCP VI的監(jiān)聽端口，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［8］。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)首先對指定的端口監(jiān)聽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)聽的端口發(fā)出連接請求后，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［9］。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

數(shù)據(jù)采集模塊作為測控系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，其正確性對整個(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)

首先要對采集模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置的過程是:上位機(jī)發(fā)送參數(shù)設(shè)置指令，然后指令通過中繼站傳輸?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)整到相對應(yīng)的工作模式，以1號測控裝置為例，將其采樣率設(shè)置在第三檔，即1 Mbps。

為了驗(yàn)證經(jīng)過無線設(shè)置后系統(tǒng)是否正確地進(jìn)入到了相對應(yīng)的工作模式，利用信號源直接產(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，將該信號直接輸入到調(diào)理電路的輸入端，待系統(tǒng)采集完成后，將采集結(jié)果通過無線傳輸?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)果展開圖

4.2 測試結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證測控系統(tǒng)的實(shí)際工作能力，采用ICP傳感器和測控系統(tǒng)對模擬的炸藥爆炸現(xiàn)場進(jìn)行了爆壓測量實(shí)驗(yàn)。首先通過無線將系統(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)爆壓的測量，最后將測量結(jié)果經(jīng)過無線傳回計(jì)算機(jī)。見圖5給出了模擬炸藥爆炸瞬間測到的爆壓值經(jīng)過低通濾波處理后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 沖擊波信號實(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對應(yīng)的正弦波最小幅值為795 mV，游標(biāo)0對應(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，這正好和信號源設(shè)置的信號頻率為1 k吻合。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該測控系統(tǒng)從參數(shù)的無線設(shè)置，到數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)采集，再到采集結(jié)果的無線回傳，最后到采集結(jié)果的上位機(jī)顯示都正確無誤，測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的無線測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)出發(fā)對系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成和設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并給出了測控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信模塊程序框圖，最后通過試驗(yàn)對測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力、無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)過爆炸現(xiàn)場爆壓測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)完全能夠勝任惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和控制的重任。

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