某型号导弹发射控制系统的虚拟测试平台设计
张霞1, 2，苏中1, 2，薛瑞彬1, 2，刘宁1, 2
(1. 北京信息科技大学 自动化学院，北京，100101；
2. 北京信息科技大学 智能控制研究所，北京，100101)
摘要：不同型号的导弹有其对应型号的测试系统。随着导弹技术的不断发展，导弹测试系统的性能也在不断提高。设计开发了某型导弹控制系统的虚拟仪器检测平台，详细介绍由6008数据采集卡和Lab VIEW编程语言组成的自动测试系统的硬件组成及软件设计。此系统硬件组成简单，人机界面友好。本平台的研制实现对某型导弹发射控制设备的检测，能够精确地测试导弹发射控制系统提供给导弹的信号是否正常，可以很好地完成对导弹发射控制系统的点火信号和控制信号的测量。
关键词：虚拟测试；Lab VIEW；数据采集
中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S1-0999-04
Design of virtual measurement platform for missile launch control system
ZHANG Xia1, 2, SU Zhong1, 2, XUE Rui-bin1, 2, LIU Ning1, 2
(1. School of Automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100101, China;
2. Institute of Intelligence Control, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100101, China)
Abstract: There is corresponding type of the missile test system for the determined type of the missile．With the continuous development of missile technology, the performances of the missile test system are constantly improved. According to requirements of the missile launch control system, a virtual measurement system was built based on the computer with a DAQ card and the programming language Lab VIEW. The system has simple Hardware Components and kindly man-machine interface, which can realize the intelligent automatic inspection for the missile control system and the signal provided by missile launch control system is tested normal or not. It can also finish the measurement to the ignition signal and control signal.
Key words: virtual test; Lab VIEW; data acquisition
导弹发射控制系统是导弹装备系统的重要组成部分，直接影响着导弹的最终打击效果。对其各项指标进行严格的测试具有重要的意义[1-2]。本虚拟测试平台是针对导弹发射控制系统研制的模拟测试系统，主要用来检测发射装置或其它地面武器系统处于发射状态时为导弹发射所提供的信号是否正确，从而为是否发射导弹提供参考信息。
虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术高速发展孕育出的一项革命性的技术，其核心就是用软件来实现硬件的功能。用户通过修改软件就可以方便地实现改变系统的功能与规模的目的，所以常有“软件就是仪器”之说。基于G语言的图形化编程环境，Lab VIEW是美国NI公司的创新软件产品，它是一种功能强大的虚拟仪器开发平台，能提供类似Windows系统人性化的图形操作界面，同时也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。传统的测试手段所需仪器繁多而复杂，且测试准确度不高，系统扩展性差。利用虚拟仪器技术构建的测试系统，配以必要的传感器和数据采集卡等硬件就能满足实际测试分析的需要。
本研究所设计的虚拟测试平台就是基于Lab VIEW的虚拟仪器。该测试系统界面友好，功能完备，可靠性高、可维护性强。
1 主要硬件
虚拟测试平台主要由以下几个部分：测试前端(包括测试信号、接口电路)、虚拟仪器硬件部分(包括数据采集卡、数据线)和虚拟仪器软件部分(利用Lab VIEW 开发的数据采集与信号处理系统)。
数据采集卡是本系统的硬件核心部分，它主要完成数据的采集和存储。主要考虑采样频率、输入精度、AD转换速度与分辨率等技术指标。在现在的虚拟仪器技术中，软件已经成为虚拟测试系统的核心，硬件仅仅起着解决信号输入输出问题。数据采集卡是仿真系统的重要组成部分，负责各种仿真数据的采集。根据测试要求，同时考虑与软件的配合，测试平台选用了NI公司多功能DAQ卡中的产品NI USB-6008，用来完成对信号数据的采集、放大及转换任务[3]。NI USB-6008具有基本的数据采集功能，可应用于简单的数据记录、便携式测量和学术机构的实验室试验[2]。8路12位模拟输入通道，12条DIO线，2路模拟输出，1个计数器。USB-6008数据采集卡能够满足被测信号的需求。
2 测试平台结构设计
基于虚拟仪器技术的测试平台软件结构包括：(1)I/O接口驱动，I/O接口设备是对外获取信号的通道。为了能使计算机对I/O接口设备有效地进行控制，就要考虑系统I/O接口设备的驱动问题。直接驱动调理、采集、激励等硬件部分，形成一个协调一致的完善测试系统；(2)仪器驱动软件，由NI公司提供的最新款数据采集(DAQ)驱动软件NI-DAQmx 9，NI-DAQmx是NI测量服务软件的核心，完成模块在操作系统的驱动和连接；(3)虚拟仪器，用户在显示器上设计的虚拟仪器面板，用于满足各种应用测试的需要；(4)测试管理，用户自己开发的应用测试程序，包括信号采集、分析、处理、波形显示等[4]。不同的导弹装备有着不同的测试项目以及特殊的操作要求，所以通常采用模块化的软件思路进行设计[5]。虚拟测试平台与整个控制系统组织结构关系如图l所示。测试平台能对控制系统所发出的偏航、俯仰正、负控制信号，各项点火信号等进行显示、处理、存储和模块自检。测试时，可通过提示操作， 由虚拟示波器显示信号波形。
图1 虚拟测试平台示意图
Fig.1 Design diagram of virtual measurement platform
程序流程：系统上电，测试系统开始工作，系统计时；计到25 s后，控制系统的DA模块产生模拟信号的同时，测试系统自动采集各路信号，其中包括可以利用4路数字IO来采集4种点火信号，使用AD模块采集四路控制信号和两路陀螺信号。4路点火信号显示于同一画面。采集完后，采集陀螺信号及控制信号。系统可以自动更改DA模块产生模拟信号的幅度，当幅度小于某一个值后，系统控制信号转入无控信号，无控信号为33 Hz的方波信号，然后，对检测结果进行存储、分析、判定。
3 数据采集和数据显示
为了实现Lab VIEW开发软件与硬件间的无缝链接，NI公司开发了NI-DAQmx。NI-DAQmx是形成测量应用程序架构的主体核心部分，控制着DAQ系统(包括NI信号调理设备)的每一方面。通过具有即测即用功能的虚拟通道和DAQ助手[6](DAQ Assistant)快速收集实际数据。NI-DAQmx除了具备数据采集(DAQ)驱动的基本功能之外，还具备更高工作效率和更多性能优势。本研究采用NI DAQmx提供DAQ助手快速实现测量采集任务的创建、编辑和运行。除了在数据采集方面成果显著外，Lab VIEW还提供了丰富的数据图形化显示控件[7]。Lab VIEW控件与VC等其它程序软件所带的控件相比界面更加真实美观，功能更全面，使用也更便捷，如图3所示。
图2 DAQ助手任务设置
Fig.2 Mission set in instrument I/O assistant
图3 测试平台前面板
Fig.3 Front panel of virtual measurement platform
3.1 数据转换
在信号采集、处理和分析过程中经常用到波型数据，除了波形数据能在波形图中显示以外，其他的数组和簇的类型也能在波形图中作为图形显示。采集卡采集的信号对动态数据类型进行如图4所示转换，能清晰直观实时地显示数据变化情况。
3.2 信号处理
直接用计算机内部时钟所产生的模拟正弦波信号容易产生失真或者干扰，一般可以通过2个办法进行消除：一是采用低通滤波器。实际测试中，通过对采集到的信号进行分析后发现，由系统产生的控制信号波形良好。而传感器信号中则存在一定的干扰，采集到的信号便失真。为了防止干扰对数据分析产生影响，需对波形进行一定的处理。在硬件上可以在传感器的输入和地之间接一个小电容滤除高频噪声。软件上则可以使用Lab VIEW提供的滤波器对传感器信号进行数字滤波。谭营等[8]选择了一阶Butterworth低通滤波器，并用试验证明使用高阶滤波器将会使正常的方波波形产生失真，在上升和下降沿处出现尖峰。二是6008的AO是软件定时，所以输出波形的时钟都是靠windows的系统时钟。在AO的程序中，还包含了数据运算和AI采集的代码，这些都会影响到输出的波形。在本测试平台中，采用将AO的程序单独放在一个while循环当中的作法提升波形发生的质量，如图5所示。经实际测试，信号质量显著提高。
3.3 数据存储
对于一个完整的测试系统或数据采集系统，需要将硬件的配置信息写入配置文件或者将采集到的数据以一定格式存储在文件中保存。Lab VIEW 提供了强大的文件I/O函数用以满足不同的文件操作要求。其中波形文件专门用于存储波形数据。在本测试平台中，采集到的模拟信号存储为波形文件，然后将其读出，最后将波形数据导入表单文件。
4 结论
高技术武器导弹在飞速发展的同时，也使导弹的测试系统愈加复杂。虚拟仪器技术利用计算机软件的强大功能，与相应的硬件结合，大大突破传统仪器在数据处理、显示和存储等方面的限制。其人机界面友好，功能强大；开发效率高、可维护性强；测试精度、稳定性和可靠性能得到充分保证；具有很高的性能价格比，节省投资，适合测控领域的计算机编程，因而开展对导弹发射控制系统虚拟测试平台的研究具有深远的意义。目前，该平台已通过测试检验，在功能和精度方面都达到了预期目标。该平台已运用于测试现场，并满足该控制系统性能测试要求。
图4 数据转换
Fig.4 Data conversion
图5 模拟输出信号产生
Fig.5 Analog output signal generation
图6 输入数据存储
Fig.6 Input data storage
综上所述，由USB 6008数据采集卡和Lab VIEW编程语言组成的自动测试系统通用性好，可以完成对导弹控制系统的电压信号的测量，该自动测试系统硬件配置简单，便于今后的扩展和升级换代，这在当今导弹技术飞速发展、装备更新换代速度较快的情况下具有重要意义。
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(编辑 李艳红)
收稿日期：2011-04-15；修回日期：2011-06-15
基金项目：北京市属高等学校人才强教深化计划项目(PHR200906131, PHR201106226, PHR201006115)；国家自然科学基金资助项目(61031001, 60972118)
通信作者：张霞(1986-)，女，重庆人，硕士研究生，从事检测技术与自动化装置研究；电话：13811994095；E-mail：13811994095@139.com
