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

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)

?

基于LabVIEW的某型導(dǎo)彈電爆管引信測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確、集成方便靈活等特點(diǎn),在機(jī)載彈藥測(cè)試領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。選取某型導(dǎo)彈電爆管引信測(cè)試儀為研究對(duì)象,針對(duì)該型測(cè)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(duì)其進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),可以有效消除測(cè)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(cè)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(cè)試的功能。

電爆管引信;虛擬儀器;數(shù)據(jù)采集;LabVIEW;測(cè)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(lái)， 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(duì)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(duì)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(lái)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(duì)其進(jìn)行測(cè)試。 測(cè)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(cè)試儀用于對(duì)導(dǎo)彈電爆管引信的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試， 現(xiàn)有的某型電爆管引信測(cè)試儀， 其測(cè)試過程不夠簡(jiǎn)便， 測(cè)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(cè)試儀的指針指示不穩(wěn)定， 容易受到靜電的影響， 這些均對(duì)測(cè)試結(jié)果的可靠性產(chǎn)生影響。

1　測(cè)試需求分析

對(duì)于某型導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)， 電爆管引信參數(shù)的測(cè)量就是對(duì)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(cè)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(cè)量的參數(shù)屬于電阻值； 近炸引信引爆電容需要對(duì)其寄生電壓進(jìn)行測(cè)試， 屬于電壓參數(shù)。 本測(cè)試儀由于是對(duì)電爆管引信的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試， 需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路中的電流值， 確保測(cè)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(cè)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(cè)量模塊、 電壓測(cè)量模塊和電流測(cè)量模塊。

根據(jù)虛擬儀器的設(shè)計(jì)理念， 虛擬測(cè)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(cè)量模塊完成測(cè)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(cè)試領(lǐng)域,可以實(shí)現(xiàn)更為精確的測(cè)量[2-4]， 而且LabVIEW及其圖形化數(shù)據(jù)流編程語(yǔ)言， 能創(chuàng)建直觀的圖形化代碼， 在編程時(shí)可以比其他語(yǔ)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(cè)量方法

由于電爆管引信測(cè)試的參數(shù)值較小， 本文需要設(shè)計(jì)專用測(cè)試小電阻的測(cè)試接口電路。 對(duì)于小阻值電阻的測(cè)量， 由于其阻值和導(dǎo)線電阻大小相當(dāng)， 所以測(cè)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(cè)量方法上， 該設(shè)計(jì)采用四線法測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量精度。

圖2四線制測(cè)量電阻法

2.2數(shù)據(jù)采集卡的選擇

根據(jù)測(cè)試需求， 測(cè)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(cè)試參數(shù)的通道, 對(duì)測(cè)試電路中的電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

對(duì)比市場(chǎng)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(shì)， 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(jiǎn)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(cè)試儀的電阻測(cè)量范圍為0～3 Ω， 其誤差值為±1.5%； 電壓測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試儀包括制導(dǎo)艙參數(shù)測(cè)量部分、 戰(zhàn)斗部起爆器參數(shù)測(cè)量部分、 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)量部分以及近炸引信引爆電容參數(shù)測(cè)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(cè)試編程思路相近， 本文以制導(dǎo)艙參數(shù)測(cè)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(cè)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(cè)試儀功能較為簡(jiǎn)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(shì)[7]。

制導(dǎo)艙參數(shù)測(cè)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(cè)量部分的數(shù)據(jù)采集和顯示處于第一幀， 測(cè)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(kù)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(cè)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(cè)試儀采用LabVIEW自帶的仿真信號(hào)VI來(lái)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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“正常”。 電流監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)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(duì)于一個(gè)完整的測(cè)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(cè)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(duì)TDM文件的改進(jìn)。 比TDM文件的讀寫速度更快， 使用更簡(jiǎn)單方便， 因此非常適合用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)量龐大的測(cè)試數(shù)據(jù)。

針對(duì)虛擬電爆管測(cè)試儀測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試功能[10]。

電爆管引信測(cè)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(cè)試界面如圖4所示。

圖4電爆管引信測(cè)試儀軟件界面

表1　氮?dú)馄奎c(diǎn)火器電阻測(cè)量值分析表

表2　熱電池點(diǎn)火器電阻測(cè)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(duì)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(cè)試儀的誤差為±1.5%， 該電爆管引信系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)完全符合測(cè)試要求。 與現(xiàn)在使用的測(cè)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(duì)相關(guān)參數(shù)的測(cè)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(cè)試需求， 簡(jiǎn)化了測(cè)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(duì)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(cè)試儀的不足之處， 利用LabVIEW 2012編制了虛擬電爆管引信測(cè)試儀的主界面， 及各模塊(制導(dǎo)艙參數(shù)測(cè)量部分、 戰(zhàn)斗部起爆器參數(shù)測(cè)量部分、 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)量部分以及近炸引信引爆電容參數(shù)測(cè)量部分)的前面板和框圖程序， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)電爆管引信參數(shù)的測(cè)試和分析功能。

同時(shí)， 本文對(duì)電爆管引信測(cè)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(cè)試儀遠(yuǎn)程測(cè)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(cè)試。

[1] 王艷霞. 基于LabVIEW的虛擬諧波測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[D]. 太原： 太原科技大學(xué), 2009.

[2] 趙新寬, 趙艷玲, 李永富, 等. 基于雙相關(guān)算法的蓄電池交流阻抗測(cè)試研究[J].電源技術(shù), 2015, 39(5): 968-970.

[3] Herbert P W Sr, Elliot A C， Graves A R. NASA Data Acquisition System Software Development for Rocket Propulsion Test Facilities[R].NASA Report, 2015.

[4] Reehorst A L， Brinker D J， Ratvasky T P. NASA Icing Remote Sensing System Comparisons From AIRS II[C]∥43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 2005.

[5] 陶蓓, 朱靜, 劉玉濤. 高精度電阻測(cè)量方法及其應(yīng)用[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù), 2011, 38(10): 35-36.

[6] 江建軍, 劉繼光. LabVIEW 程序設(shè)計(jì)教程[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2008.

[7] 李曼, 趙坤. LabVIEW程序設(shè)計(jì)方法在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用探討[J]. 測(cè)控技術(shù), 2014, 33(12): 107-109.

[8] 白云, 高育鵬, 胡小江. 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2009.

[9] 楊樂平, 李海濤， 趙勇， 等. LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京： 清華大學(xué)出版社， 2003.

[10] 郭維波, 吳凌燕, 馮威. 基于NI-cDAQ自動(dòng)測(cè)試火控系統(tǒng)電源組件[J]. 火力與指揮控制, 2015, 40(2): 179-181.

[11] 劉國(guó)林, 殷貫西. 電子測(cè)量[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[12] 何芹, 徐子軒, 何磊, 等. 基于LabVIEW編程的電路測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù), 2014, 33(1): 27-30.

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