基于LabVIEW的氣墊船模試驗平臺測試系統
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：工程師 工程師
公司：中國船舶及海洋工程設計研究院
應用領域：研發/實驗室自動化
挑戰：建立氣墊船模試驗平臺的測試系統，對多通道超低頻實驗信號進行數據采集、存儲、在線分析和離線后處理。
應用方案：使用NI公司的LabVIEW6.1數據處理軟件，配合16位16通道的A/D轉換卡—PCI-6034E、SCXI-1102B信號調理模塊等硬件設備，開發一個多通道、大數據流的測試系統，對船模的升沉、橫搖及縱搖等頻響信號加以采集分析處理，為氣墊船的設計提供有效的試驗參考。
使用的產品：LabVIEW6.1 PDS，PCI-6034E，SCXI-1102B及其它配套硬件。
介紹
在氣墊技術實驗室的建設中采用虛擬儀器技術，基于LabVIEW的強大功能，開發了一套信號采集處理系統，可實現多通道超低頻信號的時域/頻域示波及失真度分析等。該測試系統代替了由大量硬件才能實現的傳統的數據采集分析處理功能，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，具有較好的應用前景。
1．引言
在氣墊船設計過程中，船模試驗結果對于實船的設計具有重要的參考作用。為此，特建立船模試驗平臺以產生升沉、橫搖、縱搖等方式性能分析，指導實船設計。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動信號，以檢驗其失真度是否滿足要求；而對船模運動響應的數據記錄要求準確，以便進行有效的分析，為實船設計提供可靠的依據。
該實驗系統由船模試驗平臺、相關傳感器、數據采集模塊、工控機、數據處理軟件、顯示儀表等部分組成，
為實現信號采集及數據處理，采用NI公司的16位16通道的A/D轉換卡PCI_6034E和SCXI-1102B信號調理模塊及其他配套設備進行數據采集。基于LabVIEW 6.1 PDS的強大功能，通過二次開發實現了單通道、多通道信號的數據采集、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果與歷史數據繪在同一曲線圖中進行比較，圓滿完成了測試和分析任務。
2. 氣墊船模試驗系統簡介
整個系統主要有三部分組成：液壓振動平臺、氣墊船模隨動機械裝置和測試系統。振動平臺采用電液伺服式閉環控制，可達到較高的運行精度，其結構原理見圖1。振動平臺能產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. 測試系統硬件組成
測試系統所采用的NI公司的硬件設備為：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. 數據處理軟件編制
通過調研，我們選用當時最為先進的LabVIEW 6.1 PDS作為開發平臺。
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。這三路信號作為系統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，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，所分析時間段內的信號至少應包含幾個完整波形，且所需分析的時間長度與被測信號頻率有關，為便于自動調整，我們開發了相應的程序。另一程序為多通道信號的采集分析，由于此時的數據量較大，為不影響正常的數據采集保存，在顯示所有通道時間歷史曲線的同時,數據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，可方便實現類似硬件示波器的功能，即連續采集信號，在線動態顯示并刷新。對于超低頻信號（如f=0.2Hz），為保證波形的完整及連續變化，需采用移動寄存器，以保留前面合適長度的時間段內所采得的數據，并與當前采得的數據合并形成顯示波形。為便于失真度分析，亦需包含幾個完整波形周期的數據信號，這就需要先求出所測信號對應的頻率。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，即認為已得到信號的頻率。從而可確定合適的數據分析時間長度，對這些數據即時分析，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，從而實現各通道信號失真度的在線分析。
4.2 程序實現
由輸入的通道名稱(channel name string)分離得到所有通道的名稱，LabVIEW中無實現此功能的模塊。因此，我們用不同的編程語言編制了實現此功能的子程序，分別為：LabVIEW中用G語言編制的subVI[1]，通過System Exec.vi調用VB生成的exe程序[2]，通過Call Library Function調用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。調用VC編制的DLL文件的subVI中，將源參數，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。可以在線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、峰值因數等。
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果見表1與表2。表1中的對比結果，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果。表2為另一次試驗的數據，表中的對比結果為美國惠普公司的HP信號動態分析儀同步測得信號的分析結果。從兩次試驗的結果比較，可以看出本文編制的程序是實用可靠的。
4.4 與以前試驗數據的比較
由于本測試系統中所用到的傳感器較多，為保證系統整體每次試驗時的狀態良好，本文編制了一程序可將測得的信號分析結果與以前試驗的數據加以比較，以驗證測試系統的完好性。程序中信號的存儲選用文本格式，將每次采樣循環中的信號及循環號作為一批數據添加到數據文件的尾部，這樣在采樣過程中可隨時加以停止采樣，而保存的數據不受損害。后處理程序根據保存的數據文件可選擇不同的用于分析的數據段的起始位置及長度；為便于精確的FFT變換分析，程序中可依據試驗信號的頻率精確定位到某批數據的某個點。程序中對信號的濾波采用Butterworth濾波器，其參數有自動設置與手工設置兩種方式，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需給出均方根值隨輸入頻率的響應曲線。程序中提供了相應的數據處理方式，可自動加以選擇。
5 結束語
與其他軟件及硬件系統同步測得結果的比較，表明本文編制的數據采集分析程序功能穩定，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語言(G語言)，使程序開發變得非常直觀，可大大減少入門難度及開發時間。特別是其強大的數據處理分析功能，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：電子工業出版社 1999：142~180
2、張冬玲,聞翔,金梁 “LabVIEW高級應用” [J] 計算機軟件與應用 2003(1)：20~21
3、D.J.Kruglinski,S.Wingo,G.Shepherd《Visual C++6.0技術內幕(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果的比較
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