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技術(shù)頻道

基于LabVIEW的氣墊船模試驗平臺測試系統(tǒng)

分類：技術(shù)教程 日期：2009-06-08 11:41:13 來源：

Test system based on LabVIEW of expriment platform
for ship model of air cushion vehicle

作者：張宗科 陳德娟
職務(wù)：工程師 工程師
公司：中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院

應(yīng)用領(lǐng)域：研發(fā)/實驗室自動化
挑戰(zhàn)：建立氣墊船模試驗平臺的測試系統(tǒng)，對多通道超低頻實驗信號進行數(shù)據(jù)采集、存儲、在線分析和離線后處理。
應(yīng)用方案：使用NI公司的LabVIEW6.1數(shù)據(jù)處理軟件，配合16位16通道的A/D轉(zhuǎn)換卡—PCI-6034E、SCXI-1102B信號調(diào)理模塊等硬件設(shè)備，開發(fā)一個多通道、大數(shù)據(jù)流的測試系統(tǒng)，對船模的升沉、橫搖及縱搖等頻響信號加以采集分析處理，為氣墊船的設(shè)計提供有效的試驗參考。
使用的產(chǎn)品：LabVIEW6.1 PDS，PCI-6034E，SCXI-1102B及其它配套硬件。

介紹
在氣墊技術(shù)實驗室的建設(shè)中采用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW的強大功能，開發(fā)了一套信號采集處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)多通道超低頻信號的時域/頻域示波及失真度分析等。該測試系統(tǒng)代替了由大量硬件才能實現(xiàn)的傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集分析處理功能，較大地較少了船模試驗過程中的工作量，且提高了試驗可靠性，為氣墊船的試驗研究提供了有效手段，具有較好的應(yīng)用前景。

1．引言
在氣墊船設(shè)計過程中，船模試驗結(jié)果對于實船的設(shè)計具有重要的參考作用。為此，特建立船模試驗平臺以產(chǎn)生升沉、橫搖、縱搖等方式性能分析，指導實船設(shè)計。對作為激振信號的試驗平臺運動精度要求很高，需準確記錄平臺的驅(qū)動信號，以檢驗其失真度是否滿足要求；而對船模運動響應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄要求準確，以便進行有效的分析，為實船設(shè)計提供可靠的依據(jù)。
該實驗系統(tǒng)由船模試驗平臺、相關(guān)傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、工控機、數(shù)據(jù)處理軟件、顯示儀表等部分組成，
為實現(xiàn)信號采集及數(shù)據(jù)處理，采用NI公司的16位16通道的A/D轉(zhuǎn)換卡PCI_6034E和SCXI-1102B信號調(diào)理模塊及其他配套設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集?；贚abVIEW 6.1 PDS的強大功能，通過二次開發(fā)實現(xiàn)了單通道、多通道信號的數(shù)據(jù)采集、存儲、失真度等信息在線分析，及信號的迅速離線后處理等，并可將某一次試驗結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)繪在同一曲線圖中進行比較，圓滿完成了測試和分析任務(wù)。
2. 氣墊船模試驗系統(tǒng)簡介
整個系統(tǒng)主要有三部分組成：液壓振動平臺、氣墊船模隨動機械裝置和測試系統(tǒng)。振動平臺采用電液伺服式閉環(huán)控制，可達到較高的運行精度，其結(jié)構(gòu)原理見圖1。振動平臺能產(chǎn)生作為擾動輸入的正弦形式的升沉、橫搖、縱搖運動信號。隨動機械裝置作用于船模的運動中心，用于船模的定位及船模升沉位移傳感器的安裝。
3. 測試系統(tǒng)硬件組成
測試系統(tǒng)所采用的NI公司的硬件設(shè)備為：PCI-6034E A/D card，1102B Signal conditioning module，BNC-2095，SCXI-1000 chassis，SH96-96, SCXI-1349 shielded cable。所使用的信號傳感器為：Jewell公司的擺角傳感器LCF100，Drucker公司的壓力傳感器，Schaevitz公司的加速度傳感器LSBP-2，及阜新廠的位移傳感器。
4. 數(shù)據(jù)處理軟件編制
通過調(diào)研，我們選用當時最為先進的LabVIEW 6.1 PDS作為開發(fā)平臺。
由于要得到氣墊船的頻響特性，對作為擾動源的振動平臺輸入要求有較高的精度，平臺的升沉、橫搖、縱搖振動，要求其幅值、頻率、失真度要控制在一定范圍之內(nèi)。這三路信號作為系統(tǒng)需采集分析的一部分，再加上船模的升沉、橫搖、縱搖運動響應(yīng)，及船艏、船舯、船艉處的加速度，與前/后氣室的氣墊壓力，共有11個通道的信號需加以采集分析。我們在LabVIEW中編制了兩個程序，一為單通道信號的采集分析，可在線顯示波形并得到該通道信號的幅值、頻率及失真度信息，對于低頻信號為得到該信號的失真度等信息，所分析時間段內(nèi)的信號至少應(yīng)包含幾個完整波形，且所需分析的時間長度與被測信號頻率有關(guān)，為便于自動調(diào)整，我們開發(fā)了相應(yīng)的程序。另一程序為多通道信號的采集分析，由于此時的數(shù)據(jù)量較大，為不影響正常的數(shù)據(jù)采集保存，在顯示所有通道時間歷史曲線的同時,數(shù)據(jù)繪制在同一曲線圖中，以方便比較。
4.1 信號失真度的在線分析
在LabVIEW中，可方便實現(xiàn)類似硬件示波器的功能，即連續(xù)采集信號，在線動態(tài)顯示并刷新。對于超低頻信號（如f=0.2Hz），為保證波形的完整及連續(xù)變化，需采用移動寄存器，以保留前面合適長度的時間段內(nèi)所采得的數(shù)據(jù)，并與當前采得的數(shù)據(jù)合并形成顯示波形。為便于失真度分析，亦需包含幾個完整波形周期的數(shù)據(jù)信號，這就需要先求出所測信號對應(yīng)的頻率。先以較高的采樣頻率對振動信號采樣，分析得到其頻率，以前后兩次分析得到的頻率相差1％以內(nèi)，即認為已得到信號的頻率。從而可確定合適的數(shù)據(jù)分析時間長度，對這些數(shù)據(jù)即時分析，便可得到失真度。對于多通道信號，由輸入的channel name string中分離出各通道的名稱，對每個通道的信號先進行分析，得出該通道信號的頻率；據(jù)所有通道的頻率，即可確定合適的總采樣頻率及分析時間長度，從而實現(xiàn)各通道信號失真度的在線分析。
4.2 程序?qū)崿F(xiàn)
由輸入的通道名稱(channel name string)分離得到所有通道的名稱，LabVIEW中無實現(xiàn)此功能的模塊。因此，我們用不同的編程語言編制了實現(xiàn)此功能的子程序，分別為：LabVIEW中用G語言編制的subVI[1]，通過System Exec.vi調(diào)用VB生成的exe程序[2]，通過Call Library Function調(diào)用VC＋＋編制的DLL文件[3]。
該子程序的流程圖，見圖2。對于VB程序，利用VB獲取命令行參數(shù)的功能，將保存初始channel name string的臨時文件名傳給VB程序，并將分離得到的通道名保存到該臨時文件中，由LabVIEW程序讀取。調(diào)用VC編制的DLL文件的subVI中，將源參數(shù)，從而得到目標字符串中的通道名稱。總信號采集及分析VI相應(yīng)的Block Diagram見圖3。它包括手動輸入采樣頻率，及由程序自動確定合適的采樣頻率兩種運行方式?？梢栽诰€顯示所有通道信號的時間歷史曲線，及某一指定通道信號的詳細信息，如幅值、頻率、失真度、波形因數(shù)、峰值因數(shù)等。
4.3 試驗驗證
我們編制的程序在振動平臺信號分析中的實測結(jié)果見表1與表2。表1中的對比結(jié)果，為上海計量院利用丹麥B&K公司的PULSE Labshop(v7.0)軟件同步測得信號的分析結(jié)果。表2為另一次試驗的數(shù)據(jù)，表中的對比結(jié)果為美國惠普公司的HP信號動態(tài)分析儀同步測得信號的分析結(jié)果。從兩次試驗的結(jié)果比較，可以看出本文編制的程序是實用可靠的。
4.4 與以前試驗數(shù)據(jù)的比較
由于本測試系統(tǒng)中所用到的傳感器較多，為保證系統(tǒng)整體每次試驗時的狀態(tài)良好，本文編制了一程序可將測得的信號分析結(jié)果與以前試驗的數(shù)據(jù)加以比較，以驗證測試系統(tǒng)的完好性。程序中信號的存儲選用文本格式，將每次采樣循環(huán)中的信號及循環(huán)號作為一批數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)文件的尾部，這樣在采樣過程中可隨時加以停止采樣，而保存的數(shù)據(jù)不受損害。后處理程序根據(jù)保存的數(shù)據(jù)文件可選擇不同的用于分析的數(shù)據(jù)段的起始位置及長度；為便于精確的FFT變換分析，程序中可依據(jù)試驗信號的頻率精確定位到某批數(shù)據(jù)的某個點。程序中對信號的濾波采用Butterworth濾波器，其參數(shù)有自動設(shè)置與手工設(shè)置兩種方式，可任選其一。可在程序中進行濾波窗口的選擇，可以選擇三角窗、漢寧窗、海明窗、布喇克曼窗等窗口中的一種，或是不要進行窗口濾波操作。對不同的信而氣墊壓力變化與加速度響應(yīng)需給出均方根值隨輸入頻率的響應(yīng)曲線。程序中提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方式，可自動加以選擇。
5 結(jié)束語
與其他軟件及硬件系統(tǒng)同步測得結(jié)果的比較，表明本文編制的數(shù)據(jù)采集分析程序功能穩(wěn)定，滿足了試驗要求。LabVIEW具有的“所見即所得”編程思想及圖形式開發(fā)語言(G語言)，使程序開發(fā)變得非常直觀，可大大減少入門難度及開發(fā)時間。特別是其強大的數(shù)據(jù)處理分析功能，使得信號的采集及分析更為方便。目前，我們的實驗室正在擴建，已計劃采用NI公司的LabVIEW 7 Express與Vision模塊來滿足新的測試要求。

參考文獻：
1、劉炳文《精通Visual Basic 6.0中文版》[M] 北京：電子工業(yè)出版社 1999：142~180
2、張冬玲,聞翔,金梁 “LabVIEW高級應(yīng)用” [J] 計算機軟件與應(yīng)用 2003(1)：20~21
3、D.J.Kruglinski,S.Wingo,G.Shepherd《Visual C++6.0技術(shù)內(nèi)幕(第五版)》[M] 北京：希望電子出版社 1999：509~538




表1、與計量院B&K PULSE Labshop測量軟件同步測得結(jié)果的比較
         			
		
				
        
			
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