基于LabWindows/CVI的某折疊翼測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張瑞 魏志剛 劉懷勛

摘要： 針對某型精確制導(dǎo)炸彈折疊翼組件的設(shè)計(jì)原理和展開性能測試需求， 提出了測試系統(tǒng)方案及設(shè)計(jì)流程。 本文詳細(xì)闡述了LabWindows/CVI環(huán)境下， 使用數(shù)據(jù)采集卡及紅外光電傳感器所涉及的軟件編程、 數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)、 傳感器外圍電路設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。 研制的測試設(shè)備經(jīng)過軟硬件調(diào)試， 滿足了系統(tǒng)測試指標(biāo)要求， 具有測量時(shí)間準(zhǔn)確、 操作簡單、 可靠性高、 安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)， 并已成功應(yīng)用于新型號研制。

關(guān)鍵詞： LabWindows/CVI； 折疊翼； PCI-1710采集卡； 測試

中圖分類號： TJ760.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號： 1673-5048（2018）04-0100-05

0引言

折疊翼組件是新一代防區(qū)外精確制導(dǎo)滑翔炸彈的重要組成部分。 帶折疊翼組件的制導(dǎo)滑翔炸彈具有運(yùn)輸儲(chǔ)存方便、 對載機(jī)的適應(yīng)性強(qiáng)、 包裝箱尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。 目前折疊機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和滑翔炸彈[1]， 如國內(nèi)的“飛騰”系列滑翔彈、 美國“鉆石背”等。

折疊翼的展開性能測試對折疊翼的設(shè)計(jì)及改進(jìn)具有重要意義， 國內(nèi)不少學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)研究。 蔡國華[2]對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈折疊翼展開性能測試技術(shù)進(jìn)行了介紹， 并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。 胡明等[3] 基于折疊翼展開機(jī)構(gòu)的工作原理和功能需求， 確定了折疊翼展開機(jī)構(gòu)性能參數(shù)測試方法， 完成了測試裝置的設(shè)計(jì)及原理樣機(jī)研制。 韓雪峰等[4]為得到優(yōu)化的飛行器折疊翼機(jī)構(gòu)， 對折疊翼的展開性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

本文在分析了折疊翼機(jī)構(gòu)工作原理基礎(chǔ)上， 針對某型折疊翼測試系統(tǒng)展開時(shí)間功能的需求， 對測試系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和軟硬件研制， 滿足了產(chǎn)品的測試要求。

1折疊翼展開機(jī)構(gòu)工作原理及現(xiàn)有展開時(shí)間測量技術(shù)

1.1折疊翼展開機(jī)構(gòu)工作原理及測試要求

折疊翼展開機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。 發(fā)火裝置接到發(fā)火信號后， 引燃燃?xì)庾鲃?dòng)筒內(nèi)的燃?xì)馑帲?燃?xì)馑幦紵a(chǎn)生高溫、 高壓氣體， 氣體膨脹做功， 推動(dòng)活塞， 活塞桿推動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)， 帶動(dòng)折疊翼展開， 直至限位塊鎖緊。

待測試折疊翼具有以下特征： 每片機(jī)翼的展開角度為90°， 展開過程總用時(shí)在700 ms以內(nèi)， 展開過程迅速， 展開時(shí)對機(jī)構(gòu)的沖擊力大， 折疊翼機(jī)構(gòu)外形復(fù)雜。

1.2現(xiàn)有展開時(shí)間測量技術(shù)

（1） 接觸開關(guān)法[2]。 在折疊翼未展開時(shí)， 電路處于導(dǎo)通狀態(tài)， 折疊翼開始旋轉(zhuǎn)后， 電路斷開， 電路電壓產(chǎn)生一個(gè)上升沿； 當(dāng)展開到位后， 電路再次導(dǎo)通， 電路電壓將產(chǎn)生一個(gè)下降沿， 這樣就構(gòu)成了一個(gè)方波信號。 用信號分析儀記錄下這一方波信號， 讀出信號時(shí)間寬度即可。

（2） 增量式光電編碼器測量[3]。 增量式光電編碼器的分辨率由其在碼盤上縫隙的多少?zèng)Q定， 縫隙越多分辨率越高。 在工業(yè)應(yīng)用中， 根據(jù)不同的應(yīng)用對象， 可選擇不同的分辨率， 分辨率越高價(jià)格越昂貴。 使用時(shí)， 要使旋轉(zhuǎn)編碼器中心軸與折疊翼旋轉(zhuǎn)中心軸重合， 安裝要求高。

（3） 高速攝像機(jī)測試折疊翼展開時(shí)間[4]。 高速攝像機(jī)能夠以每秒1 000～10 000幀的速度記錄一個(gè)動(dòng)態(tài)的圖像。 這樣每張圖片的間隔時(shí)間為0.1～1 ms， 完全滿足對折疊展開時(shí)間的測試需求。 高速攝像機(jī)價(jià)格昂貴， 拍攝時(shí)還需要大功率的照明設(shè)備輔助。

航空兵器2018年第4期張瑞， 等： 基于LabWindows/CVI的某折疊翼測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)（4） 絕對式壓電晶體傳感器與信號分析儀配套測量法[5]。 將壓電晶體加速度傳感器固定于折疊翼上， 在折疊翼展開的整個(gè)過程中， 加速度傳感器將輸出模擬電壓信號， 用信號分析儀記錄信號變化曲線， 找出展開開始點(diǎn)與展開結(jié)束點(diǎn)的時(shí)間間隔即可。

2測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過對現(xiàn)有測試展開時(shí)間技術(shù)的比較， 綜合考慮測試需求、 成本、 安裝使用難易程度等， 最終選擇用光電傳感器來測試展開時(shí)間的技術(shù)方案。

2.1測試系統(tǒng)

該測試系統(tǒng)由工控機(jī)、 電源模塊、 信號調(diào)理電路、 測試電纜、 測控軟件等組成， PCI-1710多功能數(shù)據(jù)采集卡安裝于工控機(jī)內(nèi)[6-7]。 測試系統(tǒng)主要用于折疊翼的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)， 檢驗(yàn)折疊翼產(chǎn)品是否合格、 性能是否可靠。 測試系統(tǒng)展開時(shí)間測量誤差允許值小于10 ms。

工控機(jī)、 折疊翼、 光電傳感器用電纜連接， 光電傳感器安裝在折疊翼展開后翼面的邊沿位置， 并用專用支架固定。 這樣使翼面展開后， 能恰好遮擋住光電傳感器發(fā)射端發(fā)出的紅外信號。 工控機(jī)發(fā)出點(diǎn)火信號， 折疊翼旋轉(zhuǎn)90°后展開， 翼面遮擋發(fā)射端的紅外光電信號， 傳感器接收端此時(shí)接收不到紅外信號， 產(chǎn)生電壓跳變信號， PCI-1710采集卡實(shí)時(shí)采集傳感器接收端電壓信號[8-9]， 工控機(jī)檢測到跳變信號， 以發(fā)出點(diǎn)火信號為展開時(shí)間起點(diǎn)， 以檢測到傳感器跳變信號為展開時(shí)間終點(diǎn)， 計(jì)算出折疊翼展開時(shí)間。 系統(tǒng)測試原理示意圖如圖2所示， 系統(tǒng)信號流向圖如圖3所示。

2.2PCI-1710多功能數(shù)據(jù)采集卡

PCI-1710是一款PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡。 其具有五種最常用的測量和控制功能：12位A/D轉(zhuǎn)換、 D/A轉(zhuǎn)換、 數(shù)字量輸入、 數(shù)字量輸出及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能[10]。 該卡支持V2.1版本的PCI總線規(guī)范， 所有與總線相關(guān)的設(shè)置均由軟件自動(dòng)完成。 輸入方式有單端、 雙端及混合等。 PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡完全能夠滿足方案的使用要求。

方案選擇紅外光電傳感器模擬量輸入， 選定3號端口作為紅外模擬信號的輸入端口。 數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率設(shè)定為4 000 Hz。

2.3對射型紅外光電傳感器

方案選用NPN常開M18對射式光電傳感器。 傳感器工作電壓6～36 V。 傳感器響應(yīng)時(shí)間小于2.5 ms， 滿足測試要求。 傳感器參數(shù)見表1。 傳感器為對射式， 不會(huì)影響到折疊翼本身的工作過程， 安裝要求低， 使用方便。

2.4方案電路設(shè)計(jì)

方案電路使用28 V電源供電。 PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號最大采集電壓是10 V， 紅外傳感器工作電壓范圍6～36 V， 工作電流小于200 mA， 因此采用串聯(lián)3個(gè)60 kΩ電阻分壓。 模擬信號采集點(diǎn)設(shè)置在靠近地線第一個(gè)電阻前端， 電壓理論計(jì)算約9.3 V。 紅外傳感器電路示意圖如圖4所示。

3測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測試軟件包括光電傳感器的信號采集、 信號濾波、 展開時(shí)間計(jì)算顯示等模塊[11]。 測試展開時(shí)間程序基本流程如圖5所示。

3.1數(shù)據(jù)采集模塊

PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡在LabWindows/CVI平臺(tái)軟件編程流程如圖6所示。

部分代碼如下：

（1） 數(shù)據(jù)采集卡采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（2） 設(shè)置數(shù)據(jù)采集通道， 并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

設(shè)備監(jiān)測到的光電傳感器下降沿信號如圖7所示。

3.2展開時(shí)間計(jì)算顯示模塊

軟件計(jì)算展開時(shí)間的起點(diǎn)為測試軟件向點(diǎn)火繼電器發(fā)出點(diǎn)火命令時(shí)刻， 終點(diǎn)為軟件收到PCI-1710數(shù)據(jù)卡采集到光電傳感器輸出信號的跳變的時(shí)刻。 系統(tǒng)使用NUMERIC控件來顯示展開時(shí)間。

3.3判斷光電信號及濾波算法模塊

4結(jié)論

本文針對某型折疊翼測試展開時(shí)間的需求， 設(shè)計(jì)了合適的測試系統(tǒng)方案。 測試系統(tǒng)已通過驗(yàn)收， 并應(yīng)用于折疊翼的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。 應(yīng)用表明， 展開時(shí)間測試準(zhǔn)確、 工作穩(wěn)定、 安全可靠， 為折疊翼的研制提供了展開時(shí)間的數(shù)據(jù)依據(jù)， 具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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Abstract： Aiming at the design principle and unfolding performance test requirements of guided bombs folding wings， the design process and scheme of system are proposed. Some key technologies， such as programming of the systems software， data capture， data storage， data processing， peripheral circuit design of sensor using data acquisition card and infrared sensor， are expatiated under LabWindows/CVI environment. After debugging the hardware and software， the system meets the requirements of testing folding wings successfully. The system has the advantages of accurate measuring time， simple operation， high reliability， convenient installation and maintence. It has been successfully applied to the development of new product.

Key words： LabWindows/CVI； folding wings； PCI1710 data acquisition card； testing