技術(shù)頻道
      		
		
      
	
      

      

      
	
      
		
      
		    
		
      
		
      
		
      
			
      基于LabVIEW的氣墊船模試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)
      
			
      
				
      
					分類(lèi)：技術(shù)教程
					日期：2009-06-08 11:41:13
					來(lái)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(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 

      應(yīng)用領(lǐng)域：      研發(fā)/實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化 
      挑戰(zhàn)：建立氣墊船模試驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)多通道超低頻實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、在線(xiàn)分析和離線(xiàn)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(hào)調(diào)理模塊等硬件設(shè)備，開(kāi)發(fā)一個(gè)多通道、大數(shù)據(jù)流的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)船模的升沉、橫搖及縱搖等頻響信號(hào)加以采集分析處理，為氣墊船的設(shè)計(jì)提供有效的試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中采用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW的強(qiáng)大功能，開(kāi)發(fā)了一套信號(hào)采集處理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多通道超低頻信號(hào)的時(shí)域/頻域示波及失真度分析等。該測(cè)試系統(tǒng)代替了由大量硬件才能實(shí)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(yàn)過(guò)程中的工作量，且提高了試驗(yàn)可靠性，為氣墊船的試驗(yàn)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(jì)過(guò)程中，船模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于實(shí)船的設(shè)計(jì)具有重要的參考作用。為此，特建立船模試驗(yàn)平臺(tái)以產(chǎn)生升沉、橫搖、縱搖等方式性能分析，指導(dǎo)實(shí)船設(shè)計(jì)。對(duì)作為激振信號(hào)的試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度要求很高，需準(zhǔn)確記錄平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以檢驗(yàn)其失真度是否滿(mǎn)足要求；而對(duì)船模運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄要求準(zhǔn)確，以便進(jìn)行有效的分析，為實(shí)船設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。 
      該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由船模試驗(yàn)平臺(tái)、相關(guān)傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、工控機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件、顯示儀表等部分組成， 
      為實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)調(diào)理模塊及其他配套設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。基于LabVIEW 6.1 PDS的強(qiáng)大功能，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了單通道、多通道信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、失真度等信息在線(xiàn)分析，及信號(hào)的迅速離線(xiàn)后處理等，并可將某一次試驗(yàn)結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)繪在同一曲線(xiàn)圖中進(jìn)行比較，圓滿(mǎn)完成了測(cè)試和分析任務(wù)。 
      2. 氣墊船模試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 
      整個(gè)系統(tǒng)主要有三部分組成：液壓振動(dòng)平臺(tái)、氣墊船模隨動(dòng)機(jī)械裝置和測(cè)試系統(tǒng)。振動(dòng)平臺(tái)采用電液伺服式閉環(huán)控制，可達(dá)到較高的運(yùn)行精度，其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1。振動(dòng)平臺(tái)能產(chǎn)生作為擾動(dòng)輸入的正弦形式的升沉、橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)信號(hào)。隨動(dòng)機(jī)械裝置作用于船模的運(yùn)動(dòng)中心，用于船模的定位及船模升沉位移傳感器的安裝。 
      3. 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成 
      測(cè)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(hào)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(guò)調(diào)研，我們選用當(dāng)時(shí)最為先進(jìn)的LabVIEW 6.1 PDS作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 
      由于要得到氣墊船的頻響特性，對(duì)作為擾動(dòng)源的振動(dòng)平臺(tái)輸入要求有較高的精度，平臺(tái)的升沉、橫搖、縱搖振動(dòng)，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(hào)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(yùn)動(dòng)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(gè)通道的信號(hào)需加以采集分析。我們?cè)贚abVIEW中編制了兩個(gè)程序，一為單通道信號(hào)的采集分析，可在線(xiàn)顯示波形并得到該通道信號(hào)的幅值、頻率及失真度信息，對(duì)于低頻信號(hào)為得到該信號(hào)的失真度等信息，所分析時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)至少應(yīng)包含幾個(gè)完整波形，且所需分析的時(shí)間長(zhǎng)度與被測(cè)信號(hào)頻率有關(guān)，為便于自動(dòng)調(diào)整，我們開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的程序。另一程序?yàn)槎嗤ǖ佬盘?hào)的采集分析，由于此時(shí)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(shí)間歷史曲線(xiàn)的同時(shí),數(shù)據(jù)繪制在同一曲線(xiàn)圖中，以方便比較。 
      4.1 信號(hào)失真度的在線(xiàn)分析 
      在LabVIEW中，可方便實(shí)現(xiàn)類(lèi)似硬件示波器的功能，即連續(xù)采集信號(hào)，在線(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示并刷新。對(duì)于超低頻信號(hào)（如f=0.2Hz），為保證波形的完整及連續(xù)變化，需采用移動(dòng)寄存器，以保留前面合適長(zhǎng)度的時(shí)間段內(nèi)所采得的數(shù)據(jù)，并與當(dāng)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(gè)完整波形周期的數(shù)據(jù)信號(hào)，這就需要先求出所測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率。先以較高的采樣頻率對(duì)振動(dòng)信號(hào)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?xún)?nèi)，即認(rèn)為已得到信號(hào)的頻率。從而可確定合適的數(shù)據(jù)分析時(shí)間長(zhǎng)度，對(duì)這些數(shù)據(jù)即時(shí)分析，便可得到失真度。對(duì)于多通道信號(hào)，由輸入的channel name string中分離出各通道的名稱(chēng)，對(duì)每個(gè)通道的信號(hào)先進(jìn)行分析，得出該通道信號(hào)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(shí)間長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)各通道信號(hào)失真度的在線(xiàn)分析。 
      4.2 程序?qū)崿F(xiàn) 
      由輸入的通道名稱(chēng)(channel name string)分離得到所有通道的名稱(chēng)，LabVIEW中無(wú)實(shí)現(xiàn)此功能的模塊。因此，我們用不同的編程語(yǔ)言編制了實(shí)現(xiàn)此功能的子程序，分別為：LabVIEW中用G語(yǔ)言編制的subVI[1]，通過(guò)System Exec.vi調(diào)用VB生成的exe程序[2]，通過(guò)Call Library Function調(diào)用VC＋＋編制的DLL文件[3]。 
      該子程序的流程圖，見(jiàn)圖2。對(duì)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(shí)文件名傳給VB程序，并將分離得到的通道名保存到該臨時(shí)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(biāo)字符串中的通道名稱(chēng)。總信號(hào)采集及分析VI相應(yīng)的Block Diagram見(jiàn)圖3。它包括手動(dòng)輸入采樣頻率，及由程序自動(dòng)確定合適的采樣頻率兩種運(yùn)行方式。可以在線(xiàn)顯示所有通道信號(hào)的時(shí)間歷史曲線(xiàn)，及某一指定通道信號(hào)的詳細(xì)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(yàn)驗(yàn)證 
      我們編制的程序在振動(dòng)平臺(tái)信號(hào)分析中的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1與表2。表1中的對(duì)比結(jié)果，為上海計(jì)量院利用丹麥B&K公司的PULSE Labshop(v7.0)軟件同步測(cè)得信號(hào)的分析結(jié)果。表2為另一次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，表中的對(duì)比結(jié)果為美國(guó)惠普公司的HP信號(hào)動(dòng)態(tài)分析儀同步測(cè)得信號(hào)的分析結(jié)果。從兩次試驗(yàn)的結(jié)果比較，可以看出本文編制的程序是實(shí)用可靠的。 
      4.4 與以前試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較 
      由于本測(cè)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(yàn)時(shí)的狀態(tài)良好，本文編制了一程序可將測(cè)得的信號(hào)分析結(jié)果與以前試驗(yàn)的數(shù)據(jù)加以比較，以驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的完好性。程序中信號(hào)的存儲(chǔ)選用文本格式，將每次采樣循環(huán)中的信號(hào)及循環(huán)號(hào)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(guò)程中可隨時(shí)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(zhǎng)度；為便于精確的FFT變換分析，程序中可依據(jù)試驗(yàn)信號(hào)的頻率精確定位到某批數(shù)據(jù)的某個(gè)點(diǎn)。程序中對(duì)信號(hào)的濾波采用Butterworth濾波器，其參數(shù)有自動(dòng)設(shè)置與手工設(shè)置兩種方式，可任選其一。可在程序中進(jìn)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(jìn)行窗口濾波操作。對(duì)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(xiàn)。程序中提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方式，可自動(dòng)加以選擇。 
      5 結(jié)束語(yǔ) 
      與其他軟件及硬件系統(tǒng)同步測(cè)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(mǎn)足了試驗(yàn)要求。LabVIEW具有的“所見(jiàn)即所得”編程思想及圖形式開(kāi)發(fā)語(yǔ)言(G語(yǔ)言)，使程序開(kāi)發(fā)變得非常直觀，可大大減少入門(mén)難度及開(kāi)發(fā)時(shí)間。特別是其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理分析功能，使得信號(hào)的采集及分析更為方便。目前，我們的實(shí)驗(yàn)室正在擴(kuò)建，已計(jì)劃采用NI公司的LabVIEW 7 Express與Vision模塊來(lái)滿(mǎn)足新的測(cè)試要求。 

      參考文獻(xiàn)： 
      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(jí)應(yīng)用” [J] 計(jì)算機(jī)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(jì)量院B&K PULSE Labshop測(cè)量軟件同步測(cè)得結(jié)果的比較
       			
		
				
      
			
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