基于LabVIEW的激光慣導顯示控制系統(tǒng)?

黃春福 查 峰

（海軍工程大學導航工程系 武漢 430033）

基于LabVIEW的激光慣導顯示控制系統(tǒng)?

黃春福 查 峰

（海軍工程大學導航工程系 武漢 430033）

慣導系統(tǒng)的信息交互流程復雜、信息量大，便捷高效的顯示控制系統(tǒng)是實現(xiàn)慣導操作測試、數(shù)據(jù)交互的必要條件?；谔摂M儀器技術(shù)，利用LabVIEW圖形化編程語言設(shè)計了某型激光慣導裝備的顯控系統(tǒng)。首先，根據(jù)激光慣導裝備的通訊協(xié)議，完成了顯控系統(tǒng)的軟件流程設(shè)計；其次，根據(jù)用戶需求，合理規(guī)劃了顯控系統(tǒng)功能并進行了程序?qū)崿F(xiàn)；最后，分別進行了慣導裝備數(shù)據(jù)采集、顯控系統(tǒng)離線調(diào)試、軟硬件聯(lián)合調(diào)試實驗。系統(tǒng)實現(xiàn)了對激光慣導裝備輸出數(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。

慣性導航；LabVIEW；顯示控制；虛擬儀器

ClassNum ber TP316

1 引言

慣性導航不依賴于任何外部信息，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)代導航的重要手段。慣性導航系統(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。在實際運行中顯示控制系統(tǒng)需要對大量的數(shù)據(jù)進行采集、處理和顯示，且需要進行實時操作。采用傳統(tǒng)的手工記錄顯然不能滿足需求；采用示波器顯示，理論上可行，但電路設(shè)計復雜，且不能對慣性導航系統(tǒng)實施控制；Matlab、Visual Basic等編程軟件雖然能實現(xiàn)對慣導裝備的顯示和控制，但編程方法復雜，且不利于后期的調(diào)試、修改［4］。

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，運用圖形化編程語言G編寫程序，產(chǎn)生框圖形式的程序，使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，基本上不寫文字代碼，可以大大提高工作效率［5～6］。

根據(jù)慣導裝備的信息顯示控制需求，基于虛擬儀器技術(shù)在測控編程上的技術(shù)優(yōu)勢，利用Lab-VIEW設(shè)計了一種慣性導航顯示控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)對實際慣導裝備數(shù)據(jù)采集及在設(shè)計的顯示面板顯示，同時發(fā)送控制命令實現(xiàn)對慣導裝備的初始裝訂和狀態(tài)切換。

2 虛擬儀器與LabVIEW開發(fā)環(huán)境

虛擬儀器是美國National Instruments（簡稱NI）公司在計算機平臺上通過自己的產(chǎn)品把工業(yè)測量與控制和計算機的結(jié)合的一種技術(shù)。它是計算機硬件、軟件技術(shù)和總線技術(shù)日益發(fā)展并向其他領(lǐng)域滲透過程中，與測試測量、自動化技術(shù)等密切結(jié)合，孕育出的一項全新成果。其核心思想是“軟件即是儀器”，將計算機作為統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機的快速運算、大容量存儲，易于操作等特點，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)勢明顯，如體積減小，性能大大提高，人機交互友好，可與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備互聯(lián)，便于測試等［7～10］。

LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench的簡稱，是NI公司為虛擬儀器設(shè)計的軟件開發(fā)環(huán)境，具有簡單直觀、易于理解和開發(fā)效率高等特點。它盡可能地使用科學家、工程師所熟悉的概念、圖標，無論是否有豐富的開發(fā)經(jīng)驗，均能順利應用。LabVIEW軟件是NI設(shè)計平臺的核心，在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析與數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域應用十分廣泛［11～14］。

3 激光慣導裝備結(jié)構(gòu)與組成

本設(shè)計根據(jù)某型激光慣導系統(tǒng)［15～17］實際裝備的數(shù)據(jù)顯示和采集需求設(shè)計激光慣導顯控系統(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，無校驗，1位停止位。

圖1 某型激光慣導裝備及電源

系統(tǒng)開機之后持續(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)提示可進入準備、對準、導航等狀態(tài)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互流程如圖2所示。

圖2 某型激光慣導裝備數(shù)據(jù)交互流程圖

4 總體設(shè)計

激光慣導顯控系統(tǒng)根據(jù)激光慣導裝備的數(shù)據(jù)交互流程和通訊協(xié)議，完成激光慣導裝備與上位機之間的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。激光慣導裝備接收來自顯示控制系統(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，從而完成激光慣導裝備的初始裝訂和流程控制。同時，激光慣導在完成初始位置裝訂后，利用陀螺儀和加速度計量測的運動信息進行慣導解算，輸出解算后的速度、姿態(tài)、航向、位置等導航信息，此外還包括系統(tǒng)狀態(tài)、陀螺和加速度計等原始數(shù)據(jù)。激光慣導顯控系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)的識別、截取、解析等操作以獲取導航數(shù)據(jù)，并通過文本、圖表等方式實時顯示。

5 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

顯示控制系統(tǒng)前面板由選項卡控件將其分為兩個面板，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)分類顯示、綜合顯示四個部分組成。串口設(shè)置用于對串口通訊參數(shù)的設(shè)置，如：波特率、校驗等；流程控制包括初始裝訂及準備、對準、導航等狀態(tài)的選擇；數(shù)據(jù)分類顯示將原始數(shù)據(jù)進行處理后按照位置、速度、姿態(tài)等分類顯示，從而更加直觀地獲得導航參數(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時顯示經(jīng)緯度、高度及速度、姿態(tài)等信息，顯示更為清楚、直觀。程序前面板如圖4所示。

圖3 激光慣導顯控系統(tǒng)整體設(shè)計

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)后進入緩沖區(qū)，經(jīng)過一定時間延遲進入顯示部分，這里采用搜索/拆分字符串、截取字符串兩個函數(shù)獲得位置、速度、姿態(tài)等信息，從而分類顯示。發(fā)送部分采用事件結(jié)構(gòu)，通過按鈕值改變觸發(fā)。觸發(fā)前在各對應的輸入框輸入?yún)?shù)，通過連接字符串函數(shù)按照通訊格式連接，點擊對應按鈕即觸發(fā)事件，參數(shù)發(fā)送。整個框圖外圍采用分支結(jié)構(gòu)打開串口，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)通訊實驗

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

激光慣導裝備開機后，將其接入便攜式計算機，利用串口工具進行數(shù)據(jù)采集。按照通訊協(xié)議，選擇不同的慣導裝備狀態(tài)，以采集不同狀態(tài)下的系統(tǒng)輸出，驗證慣導裝備通訊協(xié)議正確性。實驗結(jié)果表明，激光慣導裝備能夠穩(wěn)定輸出數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶的選擇進行狀態(tài)變換。

得到激光慣導的輸出數(shù)據(jù)后，利用其進行激光慣導顯控系統(tǒng)的離線測試。通過軟件虛擬一對串口將串口工具與顯控系統(tǒng)相連。串口工具發(fā)送采集的慣導裝備輸出數(shù)據(jù)，顯控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)接收和解析，完成數(shù)據(jù)顯示。實驗結(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，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程序通訊測試

在完成系統(tǒng)的離線調(diào)試后，進行激光慣導裝備與顯控系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)，實驗如圖7所示。激光慣導裝備通電后，按照通訊協(xié)議發(fā)出數(shù)據(jù)。用戶可以通過顯控系統(tǒng)選擇狀態(tài)，慣導裝備根據(jù)用戶的選擇切換自身狀態(tài)。同時，對慣導裝備的輸出進行快速、準確解析，通過文本、圖形等不同形式顯示，如圖8。試驗表明，顯控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠、人機交互便捷。

7 結(jié)語

利用計算機和激光慣導裝備在LabVIEW編程環(huán)境下完成了慣導裝備輸出數(shù)據(jù)的解算顯示和對慣導裝備進行初始裝訂及控制。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裝備進行測試，保證測試的可靠性。該顯示控制系統(tǒng)直觀、簡潔、操作簡單，滿足了實際慣導裝備的顯示控制需求。

圖7 實驗測試環(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

國家自然科學基金項目（編號：41574069；41404002）；國家重大科學儀器開發(fā)專項（編號：2011yq12004502）資助。

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