基于LabVIEW的重力儀仿真與測試系統設計

摘要：介紹基于LabVIEW的虛擬重力儀的設計，它是由數據采集卡采集外部信號，通過(guò)軟件編程實(shí)現儀器的顯示及測量等功能。該虛擬重力儀主要由數據采集、數字濾波、參數測量、頻譜分析、功率譜分析和波形存儲及讀取模塊組成，具有傳統儀器所沒(méi)有的許多優(yōu)點(diǎn)，如能保存波形及測量結果、成本低廉，可以根據需要進(jìn)行功能拓展等。實(shí)驗證明，該虛擬重力儀運行可靠、性能良好和結果正確。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；重力儀；LabVIEW；軟件編程

重力儀是用于測量重力的專(zhuān)業(yè)儀器，傳統的重力儀外型笨重、功能單一，數字重力儀雖然有一定的功能擴展，但價(jià)格昂貴，而且這些儀器加工工藝復雜、對制造水平要求很高，生產(chǎn)突破有困難。虛擬儀器的出現改變了這一局面，虛擬重力利用計算機系統強大的數據處理能力，利用軟件完成數據的采集、控制、數據分析和處理以及測試結果的顯示等，大大突破了傳統儀器在數據處理、顯示、傳送、存儲等的限制，使用戶(hù)可以方便地對儀器進(jìn)行維護、擴展和升級，而且虛擬重力儀比傳統重力儀節約了許多成本，具有很高的性?xún)r(jià)比。本文介紹虛擬重力儀的設計，用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW實(shí)現虛擬示波器的數據采集、波形顯示、數字濾波、參數測量、頻譜分析、功率譜分析以及數據存儲和回放等功能。實(shí)驗證明，該虛擬重力儀可以實(shí)現對采樣信號的顯示、分析、存儲等操作并且結果正確、可靠，功能比傳統儀器強大。

1 虛擬示波器的結構
根據實(shí)際重力儀傳感器的特點(diǎn)，以及動(dòng)基座下重力儀工作的特點(diǎn)，設計了重力儀模擬器，用于模擬運動(dòng)基座下重力儀的測量輸出。
重力儀模擬器的框圖如圖1所示。

效應、量測噪聲等因素的影響。在模擬仿真中需要對這些因素進(jìn)行仿真設計。模擬器運行時(shí)，首先需要規劃載體航跡和重力值。在航跡規劃中，設定每段路程航向、航速、經(jīng)歷的時(shí)間。規定完載體運動(dòng)航跡后，便可得到每一點(diǎn)的正常重力值。由于海洋重力儀傳感器采用相對重力測量法進(jìn)行重力測量，其敏感量為實(shí)測點(diǎn)重力值與重力基點(diǎn)重力的差值。因此，重力圖生成中，只需要設定當前重力與初始點(diǎn)位置的重力差，即重力輸入信號取△g=g-g0。海洋中進(jìn)行重力測量不可避免受到海浪、載體運動(dòng)等造成的干擾加速度的影響。根據分析，干擾垂直加速度具有似周期性的特點(diǎn)，并且與重力加速度的頻率和幅值有明顯的差異。因此在模擬器中，垂直方向上干擾加速度可以寫(xiě)為：R=R0sinωt。R0為輸入干擾加速度的幅值，ω為干擾加速度的角頻率。
效應造成的重力偏差與載體航向、航速、載體所處緯度有關(guān)。該值通過(guò)計算當前位置的航向、航速和緯度求得。實(shí)時(shí)處理系統的硬件主要包括數字信號處理器及其外圍電路、A／D轉換模塊、串行通信接口模塊等。其中，微處理器模塊控制系統的運行，完成數據的處理。 A／D轉換模塊完成模擬信號到數字信號的轉換，實(shí)現重力信號的采集。串口通信模塊主要完成微處理器與導航計算機通信，實(shí)現外界信息的獲取以及相關(guān)數據上傳。系統上電以后，啟動(dòng)A／D轉換采集重力儀的輸出信號，并同時(shí)接收精確定位數據信息和水深信息。系統的數據處理軟件將對采集到的重力儀信號進(jìn)行干擾加速度影響消除，重力儀自身誤差改正，最后根據定位數據和水深數據對濾波后的重力信息進(jìn)行改正，如改正和吃水改正。其中，改正需要和重力信號采集相互匹配，從而獲取實(shí)時(shí)重力數據。數據處理結果通過(guò)串行通信接口上傳到重力輔助導航計算機，由該計算機完成重力輔助導航的相關(guān)解算。系統結構圖如圖2所示。