基于LabVIEW的無(wú)線(xiàn)自動(dòng)測控系統設計與實(shí)現

摘要：針對彈藥爆炸現場(chǎng)爆壓測量難的問(wèn)題，采用LabVIEW為工具設計了一套無(wú)線(xiàn)自動(dòng)測控系統，主要由傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)中繼站AP和上位機三部分組成。測控系統以L(fǎng)abVIEW為主控軟件，利用圖形化編程語(yǔ)言和模塊化設計實(shí)現了對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的控制、實(shí)驗數據的讀取、存儲和分析。通過(guò)系統驗證和測試表明，該系統具有數據采集、無(wú)線(xiàn)傳輸和遠程控制的能力，完全能夠勝任惡劣環(huán)境下爆炸現場(chǎng)爆壓測量的重任。

關(guān)鍵詞：遠程控制;自動(dòng)測控;數據采集;無(wú)線(xiàn)傳輸

在彈藥的設計過(guò)程中需要知道彈藥爆炸時(shí)的相關(guān)數據參數，而傳統儀器設備卻很難滿(mǎn)足這些科學(xué)實(shí)驗的需求，特別是對人類(lèi)無(wú)法生存的惡劣實(shí)驗現場(chǎng)，實(shí)驗數據的獲取就更加困難，開(kāi)發(fā)新的儀器設備不僅存在開(kāi)發(fā)周期長(cháng)和測試效率低的問(wèn)題，還大大增加了測試成本。美國國家儀器有限公司NI提出的虛擬儀器技術(shù)很好地解決了以上問(wèn)題，推出的圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW提供了很多外觀(guān)與傳統儀器類(lèi)似的控件，采用數據流編程圖形化方式非常容易實(shí)現程序界面設計、編寫(xiě)代碼和功能實(shí)現，被廣泛應用于航空、汽車(chē)、通信和過(guò)程控制等領(lǐng)域。利用LabVIEW設計的無(wú)線(xiàn)測控系統實(shí)現了對爆炸現場(chǎng)爆壓測量，解決了開(kāi)發(fā)成本高、測試效率低和系統開(kāi)發(fā)時(shí)間長(cháng)等幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)系統還具備數據采集、遠程控制和數據分析等功能。

1 系統總體結構設計

基于LabVIEW的無(wú)線(xiàn)測控系統主要由傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)中繼站和上位機三部分組成，總體結構圖如圖1所示。系統傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)主要完成數據的采集和存儲，并將采集的數據導入ARM處理器，由ARM處理器控制將數據由無(wú)線(xiàn)Wi—Fi無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送給中繼站。為了保證本測控系統適應無(wú)線(xiàn)遠距離傳輸，選用無(wú)線(xiàn)AP作為中繼站保證數據的正確可靠的遠距離傳輸。在接收端中繼將接收到的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)口傳回上位機，上位機由基于LabVIEW的測控軟件對數據進(jìn)行讀取、處理、顯示、存儲和分析等相關(guān)操作。

無(wú)線(xiàn)測控系統在工作時(shí)首先在上位機LabVIEW軟件的控制下進(jìn)行自檢，待自檢完成后，通過(guò)LabVIEW軟件對傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中的采集系統進(jìn)行相關(guān)參數設置，然后讓傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)處于待觸發(fā)狀態(tài)。當彈藥爆炸時(shí)就會(huì )觸發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)使得采集系統自動(dòng)把相關(guān)信號采集并存儲下來(lái)。當傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)收到上位機發(fā)出的讀數命令時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中的ARM處理器會(huì )把采集系統中存儲的數據讀出并發(fā)給Wi—Fi無(wú)線(xiàn)模塊，由其把數據通過(guò)中繼站傳回上位機。最后裝在上位機上的LabVIEW軟件完成數據的讀取、合并和存儲，并能根據需要對讀回的數據作濾波和頻譜分析等相關(guān)的信號處理工作。

2 系統硬件結構設計

基于LabVIEW的無(wú)線(xiàn)測控系統硬件部分主要由傳感器、AD轉換器、FPGA、ARM系統、Wi—Fi無(wú)線(xiàn)模塊、存儲器FLASH、USB控制器FT245等組成，硬件總體結構圖如圖2所示。

A/D變換器作為模數轉換的關(guān)鍵器件在測控系統中的地位是不容忽視的，測控系統選用AD公司的AD7492作為模數轉換芯片，AD7492分辨率為12 bit，在2.7 V～5.25 V的電壓下工作，最高采樣速率可達到3 MB/s，可以處理高達10 MHz的寬頻信號。在傳感器節點(diǎn)的硬件當中FLASH存儲器也顯得尤為重要，因為所有的實(shí)驗數據都需要存儲到FLASH中，一方面數據要準確地存入且不能丟失，另一方面存儲的數據要能夠準確地被讀出并傳回上位機。測控系統的NandFlash芯片選用三星公司的K9K2G08U0M，容量為256 MB，電壓工作在2.7 V～3.6 V，一頁(yè)大小為2 kB，編程和擦除均為自動(dòng)。

3 系統軟件設計

基于LabVIEW的無(wú)線(xiàn)測控系統上位機軟件主要運用NI公司的LabVIEW9.0開(kāi)發(fā)完成，系統軟件主要實(shí)現以下幾點(diǎn)功能：1)系統參數配置，包括對傳感器的采樣頻率、采樣點(diǎn)數及信號調理模塊的放大倍數等;2)工作狀態(tài)檢測，即對選定的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)客戶(hù)端通信信道進(jìn)行的工作狀態(tài)檢測;3)數據通信，能對接收到的數據進(jìn)行濾波和頻譜分析;4)測試過(guò)程中的數據存儲和測試結束后的數據讀取。

數據讀取模塊是軟件系統的主要單元，主要的功能是向下位機發(fā)送執行采集數據的命令，并讀取和回傳采集到的數據。LabVIEW的優(yōu)勢在于已經(jīng)為用戶(hù)提供了封裝好的TCPVI函數，使用時(shí)只需要設置服務(wù)器端TCP VI的監聽(tīng)端口，客戶(hù)端TCP VI則只需要設置相應的要與服務(wù)器建立連接的地址和遠程端口即可。在LabVIEW環(huán)境下服務(wù)器Socket通信程序框圖如圖3所示。

根據Socket技術(shù)TCP通信流程包括：作為服務(wù)器端的PC機首先對指定的端口監聽(tīng)并處于等待連接狀態(tài)，作為客戶(hù)端的數據采集端向服務(wù)器端被監聽(tīng)的端口發(fā)出連接請求后，PC機響應，先向客戶(hù)端發(fā)出數據采集命令，再讀取客戶(hù)端反饋的表示確認握手成功的信息，并讀取文件是否為加密文件的標志位，讀取文件數據大小信息，最后讀取數據，通信完成后關(guān)閉TCP連接。

4 實(shí)驗結果及分析

數據采集模塊作為測控系統的首要環(huán)節，其正確性對整個(gè)系統功能的實(shí)現有著(zhù)決定性的影響，因此首先對采集模塊的正確性進(jìn)行驗證才能保證后續實(shí)驗的正確性。

4.1 系統功能驗證實(shí)驗

首先要對采集模塊的參數進(jìn)行設置，參數設置的過(guò)程是：上位機發(fā)送參數設置指令，然后指令通過(guò)中繼站傳輸到下位機，下位機根據事先的程序設定將系統調整到相對應的工作模式，以1號測控裝置為例，將其采樣率設置在第三檔，即1 Mbps。

為了驗證經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)設置后系統是否正確地進(jìn)入到了相對應的工作模式，利用信號源直接產(chǎn)生一個(gè)頻率為1 kHz、最大值為3.1 V、最小值為0.8 V的正弦信號，將該信號直接輸入到調理電路的輸入端，待系統采集完成后，將采集結果通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸到上位機進(jìn)行顯示，上位機顯示結果如圖4所示。

4.2 測試結果與分析

為了進(jìn)一步驗證測控系統的實(shí)際工作能力，采用ICP傳感器和測控系統對模擬的炸藥爆炸現場(chǎng)進(jìn)行了爆壓測量實(shí)驗。首先通過(guò)無(wú)線(xiàn)將系統相關(guān)參數設置完成，并讓系統進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)，等炸藥起爆的瞬間完成炸藥瞬態(tài)爆壓的測量，最后將測量結果經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)傳回計算機。見(jiàn)圖5給出了模擬炸藥爆炸瞬間測到的爆壓值經(jīng)過(guò)低通濾波處理后的實(shí)驗結果。

在圖5中橫坐標的單位是ns，縱坐標的單位是mV，游標1對應的正弦波最小幅值為795 mV，游標0對應的正弦波最大幅值為3 102 mV，除掉軟件操作時(shí)游標取點(diǎn)的誤差，這一結果和信號源設置的最大值為3.1 V、最小值為0.8 V基本吻合。游標0和游標1在橫軸上的差值可以計算得到采集到的正弦波一個(gè)周期為1 ms，這正好和信號源沒(méi)置的信號頻率為1 k吻合。從上述實(shí)驗結果可以看出，該測控系統從參數的無(wú)線(xiàn)設置，到數據采集模塊的數據采集，再到采集結果的無(wú)線(xiàn)回傳，最后到采集結果的上位機顯示都正確無(wú)誤，測試曲線(xiàn)能夠很好地記錄炸藥爆炸前后各個(gè)狀態(tài)的相關(guān)參數。

5 結論

從基于LabVIEW的無(wú)線(xiàn)測控系統總體結構出發(fā)對系統的軟硬件構成和設計思想進(jìn)行了詳細介紹，并給出了測控系統中數據通信模塊程序框圖，最后通過(guò)試驗對測控系統的數據采集能力、無(wú)線(xiàn)傳輸控制能力和系統的實(shí)際應用能力進(jìn)行了驗證。經(jīng)過(guò)爆炸現場(chǎng)爆壓測量實(shí)驗結果表明，該測控系統完全能夠勝任惡劣環(huán)境下的數據采集、無(wú)線(xiàn)傳輸和控制的重任。