2019年10月29日 | 平台加温控制器自动化测试系统

　　摘要：本文在深入了解平台系统的基础上，设计了一套用于平台自动加温控制系统。系统硬件部分采用模块化设计方式，分别采用电阻测量、信号滤波、温度控制等模块，并结合平板电脑实现对平台系统的加温、测温。系统软件部分采用LabVIEW软件平台，充分利用LabVIEW特有的多线程软件架构，实现对平台系统的加温方式选择、测温数据记录、温度报警显示。系统研制完成后进行老练考核系统的稳定性、可靠性，并与标准仪器比对测试数据，比对结果表明，该系统具有测量误差小，测量数值稳定等特点。系统参与了平台系统不同环境下的试验，试验结果表明该系统具有便携、易维护的特点。

　　引言

　　三轴陀螺稳定平台(以下简称平台)的主要作用是在火箭内按制定的战术技术指标，建立一个与火箭的角运动无关的导航坐标系，为加速度计提供可靠的测量基准，也为火箭姿态角的测量提供所需的坐标基准[1]。目前，平台加温控制器采用手动操作、人为监测的方式，数据记录不完善，设备维护不方便。

　　为了适应火箭密集发射的需要，火箭相关的测试设备需要进一步技术改造，平台加温控制器自动化测试系统(以下简称系统)利用当前测控领域的新技术，借助于现代计算机测控技术，完成对平台内腔的加温预热，结合表头温控实现平台二级温控，确保平台内陀螺和加速度计表头温度稳定。同时实时监测记录平台内腔以及陀螺、加速度计表头的电阻值。确保平台系统内陀螺和加速度计环境稳定。为火箭正常发射提供有力保障，也为平台异常情况分析提供可靠的数据依据。

　　1 系统设计

　　本系统是为实现对平台的加温、测温，记录测试数据和系统使用过程。此外，系统还需适应不同环境下的使用，降低远距离测量过程中的误差，提高测试数据的稳定性和可靠性。

　　所以本系统充分利用了当代测试领域的新技术和新方法，硬件部件设计上采用模块化的方式，把整套系统按照功能分成不同的模块，便于在各个测试场地检查和维护。软件上采用LabVIEW多线程的队列设计模式并配合经典的生产者消费者软件架构，增强软件的可维护性和可扩展性[2]。软件实时监测设备状态，实时控制各个硬件模块，并实时记录测试数据，同时软件简化操作步骤，明确操作提示，用图文并茂的方式显示测试结果。

　　1.1 系统硬件组成

　　系统硬件由电阻测量模块、数据采集模块、继电器模块、温控器模块、平板电脑组成。系统组成框图如图1所示。

　　电阻测量模块测量平台系统内的YX、YZ陀螺和X、Y、Z加速度计的阻值。若采用单端测量方式，测试线缆阻值会引起测试偏差，电阻测量模块采用了三线制测量的方法，消除线缆误差，保证测试阻值的精确性[3]。测量后端加二阶巴特沃斯滤波，截止频率设为10Hz(3.16Hz理论值)，可有效消除工频等干扰[4]。测量原理如图2所示。

　　恒流源电流通过导线连接到测量电路的接地端, 导线1和导线2分别接到运算放大器A1和A2的输入端。两放大器的增益皆为1, 其输出电压V1和V2分别为：

　　数据采集模块采用ADAM4117 AD采集模块对各路的电阻输入信号进行采集，同时采集加温电源的电压、电流值。

　　继电器模块采用ADAM4056S DIO模块，控制继电器吸合，切换加温电路，实现对平台内腔自动加温或手动加温。

　　两个ADAM模块均通过RS422与平板电脑进行通讯。

　　温控器模块采用欧姆龙的E5EZ，该温控器是利用感温液体热胀冷缩及液体不可压缩的原理实现自动调节。当控制温度升高时感温液体膨胀产生的推力将热媒关小，以降低输出温度;当控制温度降低时感温液体收缩，在复位装置的作用下将热媒开打，以提高输出温度，从而使被控制的温度达到和保持在所设定的温度范围内。平台内的测温电阻为型号JCW2-19的铂电阻空气温度传感器，当温度为0℃时，其阻值为100±0.1Ω，系统使用温控器可在温控器液晶显示屏上直接显示测得温度值, 可以在-200℃到500℃内进行温度设置[5]。此外，温控器模块通过RS232与平板电脑进行通讯。

　　1.2 系统软件组成

　　系统软件采用LabVIEW特有的模块化多循环编程架构，包括事件处理、主状态机、硬件输入/输出、错误处理等循环，在并行循环间使用队列的方式传递各种数据[6]，多循环应用程序框架将符合设计模式概念扩展到将多个单循环设计模式、消息机制、工具和控制集成到一个应用程序框架中，这种框架的性能和灵活性，可以通过将常用的功能元素划分到聚合的任务，并将并行循环应用于每个任务来优化[7]。并行循环提供同时执行多个任务的灵活性。因此，基于多并行循环的应用程序框架有助于优化应用程序的性能[8]。

　　软件由继电器模块、数据采集模块、温控器模块、数据存储模块、数据回放模块、数据报警模块、错误处理模块、参数配置模块组成。软件的程序框图如图3所示：

　　软件中的继电器模块、温控器模块和数据采集模块均使用单次循环的实现，实现与相应的硬件建立通讯、数据发送、数据接收、关闭通讯。

　　数据存储模块初始化数据库，建立数据表，实时存储测试数据和操作步骤。

　　参数配置模块从配置文件中读入硬件配置参数和软件运行参数，供软件中各个模块使用，同时用户可方便地更新参数配置，以适应不同的使用需求。

　　数据回放模块采用子面板的方式，实现对数据库中的测试数据的回放，并根据用户需求，实现对历史数据的提取、计算、导出等操作。

　　错误处理模块保证软件的可靠运行，监测软件的运行状态，提高软件的适应性和可靠性[9]。

　　2 系统实现

　　系统实现实图如图4所示：

　　系统设备正面为触摸式平板电脑，用户可外接鼠标、键盘，也可使用触摸屏操作系统软件。设备右半部从上往下依次为加温电压值、电流值和温控器。操作人员在系统软件界面读取各路电阻阻值、平台内腔温度和加温电压、电流值。

　　系统电阻采样值与高精度数字万用表电阻采样值比较如表1所示：

　　通过对接数据可以看出，各通道数据误差控制在1Ω内。测试数据稳定性如表2所示。

　　通过对接数据可以看出，设备通过长电缆连接平台后测温和加温功能正常，数据一致性好。

　　3 结论

　　平台加温控制器自动化测试系统是集“显示界面，控制输入，监测测量”功能于一体的小型化测试设备。这种嵌入式测试设备保证了设备高可靠的抗冲击、抗震动性能，适应发射场恶劣使用环境[10]。同时也为运载火箭其他测试设备的技术改造提供设计模板。并且，本系统通用化、模块化的设计模式，便于系统的后期维护和升级，也便于系统在平台不同测试环境下的操作和使用。

　　参考文献：
　　[1]徐延万,等.控制系统.中国宇航出版社,2005:240-243
　　[2]陈树学,刘宣.LabVIEW宝典.电子工业出版社,2011:450-453
　　[3]李殊骁,郝赤,龚兰芳,等.高精度三线制热电阻检测方法研究[J].仪器仪表学报,2008(1):12-15
　　[4]李素英,窦真兰,曾严.温度传感器三线制接法的测量误差分析[J].电工技术测试,2011(7):52-53
　　[5]陆元九等.惯性器件.中国宇航出版社,2005:244-245
　　[6]张小燕,樊利军.基于LabVIEW温度检测报警系统[J].北京工业职业技术学院学报,2012(1):47-49
　　[7]戴栋,吕昌远,杨颖,等.基于LabVIEW的温度测试系统[J].数字技术与应用,2011(2):88
　　[8]黄根岭,任全会,江兴盟.基于LabVIEW的温度测控系统设计[J].电子测试,2012(1):46-50
    　[9]齐若愚,马忠松.基于LabVIEW的卫星地面接收监控软件设计[J].国外电子测量技术,2012(6):6-11
　　[10]卢佳,徐熙平.LabVIEW环境下自动温度检测系统的研究[J].电子测量技术,2012(9):80-83