基于LabVIEW的增壓控制器測試設(shè)備軟件設(shè)計

祁錦媛

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

基于LabVIEW的增壓控制器測試設(shè)備軟件設(shè)計

祁錦媛

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

LabVIEW作為一種功能強大的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境得到廣泛的應用；利用LabVIEW設(shè)計測試設(shè)備軟件，讀取存儲在EXCEL表格中的貯箱壓力值，通過RS485串口通信發(fā)送給增壓控制器作為模擬壓力值，增壓控制器通過接收的壓力值來控制電磁閥的啟閉以此驗證增壓控制的功能，實現(xiàn)軟件的測試功能；利用LabVIEW可以設(shè)計出簡潔友好的界面，方便操作和觀察；有效降低程序的計算量，能夠做到實時讀取和發(fā)送。

LabVIEW；運載火箭；增壓控制器；測試設(shè)備；串口通信

Keywork: LabVIEW；launch vehicle; pressurization controller; test equipment; serial communication

0 引言

運載火箭助推模塊氧箱和燃箱均區(qū)間采用箱壓反饋的閉式氣增壓方案，需要研制壓力傳感器反饋的閉式增壓方案[4]。壓力傳感器實時測試貯箱壓力傳送給增壓控制器，增壓控制器的主要功能是接收處理壓力傳感器測得的壓力數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與預先設(shè)定的箱壓控制帶比較，控制增壓路的啟閉[7]。為確保增壓控制器設(shè)計合理正確，需要為增壓控制器研制測試設(shè)備，用于提供模擬真實壓力輸出的測試信號。驗證增壓控制器接口的匹配性、通信功能的正確性和軟件設(shè)計的合理性。與硬件測試設(shè)備相比較而言，利用基于LabVIEW軟件模擬測試信號是更加經(jīng)濟、便捷、有效的方式。測試軟件的研發(fā)周期遠小于硬件測試設(shè)備，研制的成本也遠小于硬件測試設(shè)備。測試時，軟件具有簡單快捷又靈活方便的優(yōu)點，越來越多地在工程實踐中被應用[2]。

1 總體方案設(shè)計

采用壓力傳感器反饋控制的增壓系統(tǒng)由“壓力傳感器+增壓控制器+電磁閥+節(jié)流圈”組成，氧箱和燃箱各設(shè)置一個增壓控制器，實現(xiàn)對增壓主、副路的控制。增壓控制器得到壓力傳感器輸出的貯箱壓力值，獲知當前貯箱壓力值，將該值與設(shè)定條件比較，判斷狀態(tài)后驅(qū)動電磁閥工作[6]。

貯箱壓力與兩路電磁閥通斷電的要求如圖1所示。

圖1 增壓電磁閥通斷壓力范圍示意圖

測試軟件用于增壓控制器的原理性驗證。為真實模擬壓力傳感器數(shù)據(jù)，試驗中使用點火試車過程中Y箱氣枕壓力數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)。利用軟件讀取Excel中的源數(shù)據(jù)后按照CY8-44A型壓力傳感器的數(shù)據(jù)格式進行編幀，并通過MOXA板卡發(fā)送3路RS485總線形式的數(shù)據(jù)至增壓控制器原理驗證板。單機接收到測試值后，根據(jù)貯箱壓力變化和電磁閥控制之間的關(guān)系來控制電磁閥工作。電磁閥的通斷通過LED燈的亮暗來表示。

整個測試系統(tǒng)的主要組成部分有PC機、MOXA RS485、電纜和單機。具體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

貯箱壓力和電磁閥通斷之間的關(guān)系如表1所示[6]。

表1 軟件輸入輸出關(guān)系

2 測試軟件設(shè)計

整個測試軟件分為用戶界面和程序框圖兩部分組成。用戶界面主要用于與用戶的直接對話，如顯示和交互等；程序框圖主要負責功能的實現(xiàn)，如讀取，數(shù)據(jù)處理和通信等。

2.1 測試軟件功能設(shè)計

測試軟件模擬壓力信號值，處理后傳送給增壓控制器，作為增壓控制器的測試值。具體需要實現(xiàn)的功能有讀取、浮點型數(shù)據(jù)到十六進制數(shù)據(jù)的類型轉(zhuǎn)換、串口發(fā)送和波形顯示及處理的功能。為了增強程序的可讀性，將整個程序分為幾個程序模塊即子VI來具體實現(xiàn)，分別為讀模塊、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊、串口發(fā)送模塊和用戶界面操作模塊。每個模塊僅實現(xiàn)簡單的功能，便于快速、容易地理解程序。軟件的流程如圖3所示。

圖3 測試軟件流程圖

軟件的主程序如圖4所示。

圖4 主程序框圖

2.1.1 讀模塊

讀模塊要求能夠?qū)崟r讀取Excel中存儲的壓力值數(shù)據(jù)。但是由于采集的數(shù)據(jù)量過于龐大，如果直接從Excel讀取數(shù)據(jù)，耗時極長，不能做到實時讀取。所以在讀模塊中利用了TDMS文件作為中間工具來縮短讀取所耗時間。TDMS文件是NI公司最新推出的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以二進制方式存儲數(shù)據(jù)，所以文件更小，速度更快。首先將數(shù)據(jù)寫入到TDMS文件中，讀取數(shù)據(jù)時，直接讀取生成的TDMS文件，速度極快，能夠滿足實時讀取的要求[1]。

TDMS寫入子VI的大致過程為：打開Excel表單→讀取單元格數(shù)據(jù)→存儲到數(shù)組→寫入TDMS文件→關(guān)閉Excel表單。

2.1.2 數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊

TDMS文件中讀取的是浮點型數(shù)據(jù)，而串口發(fā)送時使用的是十六進制數(shù)據(jù)類型。串口發(fā)送前要先進行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。

通訊接口采用RS485異步串行通訊接口，數(shù)字式壓力傳感器輸出的數(shù)據(jù)幀包括1個字節(jié)的幀頭，2個字節(jié)的壓力數(shù)據(jù)字節(jié)，1個字節(jié)的校驗和，以及一個字節(jié)的幀尾。每個字節(jié)為8-bit字符型數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)格式見表2。

表2 數(shù)字壓力傳感器通信數(shù)據(jù)幀格式

其中壓力數(shù)據(jù)為2個字節(jié)(DH,DL)的整型數(shù)據(jù)，壓力最小壓力刻度(1 LSB)為0.1 kPa將此2個字節(jié)(16bit)整型數(shù)據(jù)乘以1 LSB。即為真實壓力值，單位為(MPa)，累加和為2個壓力字節(jié)(即壓力高字節(jié)和壓力低字節(jié))累加后的低8bit數(shù)據(jù)。

2.1.3 串口發(fā)送模塊

串口通信作為儀器通信的一部分，它的函數(shù)是VISA函數(shù)的子集。串口操作的基本過程為：配置串口參數(shù)(打開串口)→發(fā)送或接收數(shù)據(jù)→關(guān)閉串口。主要使用是串口配置函數(shù)，VISA寫入函數(shù)和VISA關(guān)閉函數(shù)實現(xiàn)串口通信。

利用LabVIEW可以多線程運行的優(yōu)點，三路串口并行發(fā)送，所以在串口配置時要對三個串口分別進行配置。串口配置的參數(shù)配置非常重要，它直接關(guān)系到串口通信是否正常。串口配置完成后使用VISA寫入函數(shù)進行發(fā)送[1-3]。發(fā)送內(nèi)容是類型轉(zhuǎn)換模塊中經(jīng)轉(zhuǎn)換得到的十六進制數(shù)據(jù)，以HEX方式顯示。串口發(fā)送完畢后需要使用VISA關(guān)閉函數(shù)，關(guān)閉設(shè)備對話句柄，釋放串口資源。

2.2 測試軟件界面設(shè)計

LabVIEW的前面板是交互式圖形化用戶界面，這對于設(shè)計簡潔友好的交互式界面有非常大的幫助。用戶界面的主要組成部分有波形圖、串口選擇、參數(shù)設(shè)置、當前數(shù)值觀察和停止鍵。軟件本身設(shè)置了默認參數(shù)，當用戶有個性化的需求時也可以自定義。此外，軟件可以對波形顯示的結(jié)果進行放大，縮小，取值等操作，使得用戶也能夠直觀地得到實驗結(jié)果，方便觀察。用戶界面如圖5所示。

圖5 用戶界面

波形圖表橫軸為行數(shù)，縱軸為壓力數(shù)據(jù)值，單位為兆帕(MPa)。曲線圖例上有7條曲線。com1,com2,com3分別代表三路壓力數(shù)據(jù)，傳送至三路串口。其余4條代表4個閾值，對應表1中的P1,P2,P3,P4。波形圖表右上側(cè)的數(shù)值顯示框中顯示的是在當前時刻三條壓力曲線的實時數(shù)值。串口選擇一欄用于三路串口資源的選擇，默認值分別為com1,com2,com3。參數(shù)設(shè)置一欄中列出了等待時間、波特率和行數(shù)三個參數(shù)，并設(shè)置默認參數(shù)。當前數(shù)據(jù)觀察一欄中，當前數(shù)值表示實驗進行中當前時刻的行數(shù)com1,com2,com3代表當前三個串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型是十六進制數(shù)據(jù)。停止鍵的作用是實驗進行中停止本次運行。

3 試驗驗證

本次試驗均使用默認值進行實驗。將測試軟件和增壓控制器原理驗證板進行聯(lián)試，對增壓控制器進行原理性驗證。實驗的運行曲線如圖6所示。

圖6 運行曲線圖

波形曲線表示的是串口傳送給增壓控制器的壓力值。增壓控制器上電磁閥的通斷按照表1軟件輸入輸出關(guān)系來確定。電磁閥的通斷在增壓控制器原理驗證板上通過LED等的亮滅來表現(xiàn)。波形圖中用四條白線對應四條閾值曲線。

結(jié)合圖6，試驗過程中，原理驗證板能夠正確按照表2中輸入輸出關(guān)系進行繼電器控制，并且符合軟件波形圖的顯示，增壓控制器的功能基本實現(xiàn)，測試軟件能夠滿足測試需求。

4 結(jié)論

為判斷增壓控制器邏輯功能，給出了基于LabVIEW的測試設(shè)備軟件設(shè)計。軟件模擬真實的壓力信號，處理后發(fā)送給增壓控制器作為測試值。整個測試軟件分為讀模塊、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊、串口發(fā)送模塊和用戶界面操作模塊，增強程序的可讀性。參數(shù)調(diào)整便捷，計算速度快，能夠做到實時讀取和發(fā)送，數(shù)據(jù)使用波形顯示，直觀有效。聯(lián)試試驗驗證結(jié)果良好，增壓控制器能夠按照表2中輸入輸出關(guān)系進行繼電器控制，測試符合要求。未來可作為其他單機的測試設(shè)備，重復使用。

[1] 陳樹學,劉 萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2] 阮奇楨.我和LabVIEW ——一個NI工程師的十年編程經(jīng)驗(第二版)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[3] 呂向鋒,高洪林,馬 亮,等. 基于LabVIEW串口通信的研究[J]. 國外電子測量技術(shù),2009,(12).

[4] 范瑞祥,田玉蓉,黃 兵. 新一代運載火箭增壓技術(shù)研究[J]. 火箭推進,2012(4).

[5] 向紅軍,雷 彬.基于單片機系統(tǒng)的數(shù)字濾波方法的研究[J].電測與儀表,2005(9):55.

[6] 潘 雷.三取二平臺的時鐘同步算法[J].鐵道通信信號,2011,12:72-73.

[7] 姚 娜,李會萍,程光平,等.新一代運載火箭推進劑貯箱的冗余氦氣增壓系統(tǒng)[J].上海航天,2014(2):42.

Software Design of Test Equipment for Pressurization Controller Based on LabVIEW

Qi Jinyuan

(Institute of Aerospace System Engineering, Shanghai 201109,China)

LabVIEW is widely used as virtual instrument development environment with powerful functions. The software of test equipment is designed based on LabVIEW, which can read the pressure value in EXCEL and send simulated pressure signal to pressurization controller through RS485. The pressurization controller can control the solenoid on and off according to the received pressure value so as to verify the function of pressurization controller. Furthermore, the software has friendly interface, convenient for operation and observation, achieving the effective reduction of computational complexity, real time read and sending.

2016-09-21；

2016-10-12。

祁錦媛(1992-)，女，上海市人，碩士生，主要從事運載火箭測量綜合技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)02-0113-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.031

TP311

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