基于LABVIEW的電容式測(cè)壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓曉博，梁志劍

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

電容式測(cè)壓器是為了測(cè)試火炮膛壓，得到膛壓曲線。試驗(yàn)測(cè)試要求裝備裝置耐瞬間高壓高溫、抗高沖擊振動(dòng)、適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間高低溫環(huán)境、能夠準(zhǔn)確測(cè)出膛壓變化［1，2］。殼體理論上是很好的彈性元件，以這個(gè)思想設(shè)計(jì)了以測(cè)壓器的殼體作為壓力敏感元件的電子測(cè)壓器，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器與殼體—體化，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓電傳感器，減小了體積，又降低了成本，提高了整體性能［3，4］。

LABVIEW(laboratory VirtualInstrumentEngineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境)是美國(guó)的 NI公司(National Instruments)發(fā)布的一款虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)。其圖形化的編程方法稱為G語(yǔ)言，其中的核心元件為VI(Virtual Instruments)即虛擬儀器，通過(guò)VI之間的相互連接實(shí)現(xiàn)一個(gè)程序的功能。LABVIEW程序內(nèi)部嵌入了大量VI程序模塊，包括數(shù)據(jù)采集、測(cè)量分析與顯示功能，拋棄了傳統(tǒng)編程開發(fā)語(yǔ)言大量的語(yǔ)言代碼，同時(shí)保證了測(cè)試功能的完整性。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，逐步發(fā)展為測(cè)試領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)測(cè)試開發(fā)軟件，成為工程師們進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的首選軟件［5］。

在測(cè)試原理與虛擬儀器基礎(chǔ)之上，本文使用LABVIEW編寫了上位機(jī)程序。與電容式測(cè)壓器組成了一套完整的測(cè)試系統(tǒng)。

1 測(cè)壓器硬件設(shè)計(jì)

測(cè)壓器內(nèi)部電路硬件模塊主要由信號(hào)調(diào)理模塊、控制模塊、電源模塊組成。信號(hào)調(diào)理主要由PS021芯片負(fù)責(zé)，控制模塊由430單片機(jī)負(fù)責(zé)，電源模塊由LP5996-3333芯片負(fù)責(zé)。電路外通過(guò)紅外與接口模塊，使用USB上傳采集到的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)中完成對(duì)采集信息的處理。測(cè)壓器硬件如圖1所示。

圖1 電容式測(cè)壓器硬件原理圖

1.1 信號(hào)調(diào)理模塊

本模塊采用PS021芯片作為測(cè)壓器的微小電容檢測(cè)芯片，它集成度高，可達(dá)到50 kHz的采樣頻率，分辨率為6aF，功耗低，體積7*7 mm2，內(nèi)部具有數(shù)模轉(zhuǎn)換，溫度補(bǔ)償。功能強(qiáng)大，綜合能力強(qiáng)。

1.2 控制模塊

控制模塊作為電容式測(cè)壓器系統(tǒng)的控制樞紐，它的作用是控制測(cè)壓器各個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和采集信息的儲(chǔ)存。為減小測(cè)壓器體積和系統(tǒng)消耗，因此使用具備較大數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間的低功耗控制芯片，所以選用430單片機(jī)作為控制器。信號(hào)調(diào)理模塊將測(cè)壓器產(chǎn)生的微小電容信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的24位數(shù)字量，控制模塊(430單片機(jī))通過(guò)SPI接口對(duì)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行控制、設(shè)置，并將數(shù)字量存入單片機(jī)芯片內(nèi)部的閃存里。信息采集完成之后通過(guò)UART接口傳到上位機(jī)中，然后使用LABVIEW軟面板顯示出完整的膛壓隨時(shí)間變化的P－t曲線。

1.3 電源模塊

電源模塊可對(duì)控制模塊和信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行分時(shí)可控供電。為實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，采用National Semiconductor公司生產(chǎn)的芯片LP5996-3333，具有體積小，靜態(tài)電流小，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，雙線電壓調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，符合本設(shè)計(jì)的要求。正是由于以上的優(yōu)勢(shì)，使得電源管理LP5996在電路印制板中占用的面積減小，也符合未來(lái)對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)的微型化的要求。

2 測(cè)壓器軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件最主要的功能是數(shù)據(jù)采集與顯示，這就需要與硬件(測(cè)壓器)相連接。測(cè)壓器與上位機(jī)是通過(guò)讀數(shù)盒相連接的。LABVIEW編寫的上位機(jī)程序之所以能夠讀取測(cè)壓器的數(shù)據(jù)，是因?yàn)長(zhǎng)ABVIEW可以通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)VI將讀數(shù)盒中CY7C68013A芯片的庫(kù)文件導(dǎo)入到LABVIEW環(huán)境中，對(duì)庫(kù)文件的靈活調(diào)用完成軟件功能包括設(shè)備檢測(cè)、電路編程、讀取文件、定標(biāo)等操作。功能如圖2所示。

圖2 軟件功能圖

2.1 設(shè)備檢測(cè)

連接測(cè)壓器時(shí)，需要對(duì)測(cè)壓器和讀數(shù)盒進(jìn)行物理檢測(cè)。查看設(shè)備是否可以正常使用，如果正常則在測(cè)量電壓顯示區(qū)顯示當(dāng)前電壓值。在上位機(jī)程序中調(diào)用68013的庫(kù)文件中的打開設(shè)備(open)函數(shù)，打開通信設(shè)備，再使用寫入(write)函數(shù)通過(guò)外部接口電路向單片機(jī)發(fā)送指定的十六進(jìn)制命令，單片機(jī)收到十六進(jìn)制命令后向上位機(jī)返回256個(gè)Byte的信息，上位機(jī)接到信息檢測(cè)第8位信息是否與設(shè)置的信息位對(duì)應(yīng)，相對(duì)應(yīng)則說(shuō)明硬件測(cè)壓器和讀數(shù)盒正?？梢允褂貌⑶以跍y(cè)量電壓顯示區(qū)顯示其電壓值。否則彈出對(duì)話框提示設(shè)備出錯(cuò)。

2.2 電路編程

將上位機(jī)與測(cè)壓器連接后，需要對(duì)測(cè)壓器內(nèi)部電路參數(shù)進(jìn)行配置。在上位機(jī)程序中通過(guò)設(shè)置把指定的參數(shù)信息發(fā)送給MSP430，MSP430收到信息后將參數(shù)信息寫入內(nèi)部芯片，從而改變測(cè)壓器電路內(nèi)部的相關(guān)參數(shù)，返回固定的指令。在上位機(jī)軟件中對(duì)上傳來(lái)的指令進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)在編程數(shù)據(jù)區(qū)域中顯示設(shè)置的數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)采集

在設(shè)備正常，電路參數(shù)正確的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)調(diào)用CY7C68013A庫(kù)文件中的讀取(read)函數(shù)，讀取來(lái)自于測(cè)壓器的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存為數(shù)組，顯示于波形控件中。將所有的數(shù)據(jù)讀取到上位機(jī)的內(nèi)存中后，調(diào)用關(guān)閉(close)函數(shù)完成數(shù)據(jù)的讀取任務(wù)。測(cè)壓器軟件界面如圖3所示。

圖3 軟件界面圖

軟件界面主要分為五個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)信息。

游標(biāo)區(qū):將游標(biāo)拖動(dòng)到曲線上，將游標(biāo)的交點(diǎn)的信息顯示在面板中獲得其坐標(biāo)。

濾波區(qū):選擇和設(shè)置濾波參數(shù)，對(duì)顯示出的曲線進(jìn)行濾波。

功能區(qū):軟件的功能在此實(shí)現(xiàn)，由對(duì)應(yīng)的功能按鈕完成相應(yīng)的操作。

參數(shù)顯示區(qū):顯示測(cè)量電壓的數(shù)據(jù)和紅綠指示燈，顯示使用次數(shù)、讀數(shù)次數(shù)與編程數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)顯示區(qū):將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。

3 軟件測(cè)試

通過(guò)讀數(shù)盒與測(cè)壓器相連，調(diào)試各個(gè)模塊。采集模擬膛壓信號(hào)，在上位機(jī)中讀取采集到的數(shù)據(jù)。濾波后的數(shù)據(jù)如圖4所示。圖中顯示曲線頂點(diǎn)處在200 MPa附近，曲線上升過(guò)程和下降過(guò)程基本吻合，下降過(guò)程后期出現(xiàn)誤差。環(huán)境的變化和物理因素都可能使其與理論值有偏差?？勺C明測(cè)壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

圖4 膛壓曲線圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于LABVIEW的電容式測(cè)壓器系統(tǒng)，此系統(tǒng)不僅可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析，而且可以與硬件進(jìn)行交互。而上位機(jī)軟件使用LABVIEW設(shè)計(jì)也是未來(lái)虛擬儀器發(fā)展的趨勢(shì)，該測(cè)壓器系統(tǒng)具有廣泛的推廣價(jià)值。

［1］李新娥，祖靜.用于火炮膛內(nèi)壓力測(cè)試的電容式傳感器的設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32(3):641 －645.

［2］李政清，李新娥.電容式膛壓測(cè)試儀的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20(4):1142 －1144.

［3］齊驥，馬鐵華.一種基于電容傳感器的電子測(cè)壓器的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2007，34(11):45 －46.

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［5］袁媛，李紹穩(wěn).基于LABVIEW的虛擬儀器技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2005(4):6－10.