應(yīng)用領(lǐng)域：
航空／國(guó)防
使用的產(chǎn)品：
NI USB-6008
LabVIEW8.20
挑戰(zhàn)：
運(yùn)用NI的便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備" title="數(shù)據(jù)采集設(shè)備">數(shù)據(jù)采集設(shè)備融合先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多路" title="多路">多路電阻、多路電流的精密測(cè)量和系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，以較低的成本解決生產(chǎn)、調(diào)試和維修過程中的監(jiān)測(cè)任務(wù)。
應(yīng)用方案：
運(yùn)用NI的便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備配合相應(yīng)的外圍電路，對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集，使用NI的圖形化編程軟件LabVIEW對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理和記錄，實(shí)現(xiàn)了慣性制導(dǎo)系統(tǒng)溫控電路" title="溫控電路">溫控電路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)" title="實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)">實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
介紹：
本文根據(jù)監(jiān)測(cè)精度的需要，設(shè)計(jì)了精密穩(wěn)定的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，將需要監(jiān)測(cè)的電阻、電流和系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)碾妷盒盘?hào)；并根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)的需要選擇合適的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，軟件采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)，受益于labVIEW對(duì)NI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的完美支持，可以很方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、處理和記錄等功能。
正文：
引言
慣性制導(dǎo)是利用陀螺儀和加速度表組成的慣性測(cè)量裝置測(cè)量飛行器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，控制其按預(yù)定路線飛行的一種制導(dǎo)方式。整個(gè)制導(dǎo)系統(tǒng)一般由慣性測(cè)量組合、計(jì)算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。慣性測(cè)量組合是保證制導(dǎo)精度的核心裝置，內(nèi)部裝有高精度的測(cè)量?jī)x器（包括陀螺儀、加速度表）和相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，這些器件必須工作在恒定的溫度環(huán)境下，才能達(dá)到高精度的測(cè)量要求，因此慣性測(cè)量組合內(nèi)部都設(shè)計(jì)有精密的溫度控制電路。本文所介紹的就是美國(guó)國(guó)家儀器公司的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品在某型號(hào)慣性制導(dǎo)武器溫控電路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。
?
監(jiān)測(cè)對(duì)象分析
為了縮短穩(wěn)定時(shí)間、提高控溫精度，慣性制導(dǎo)系統(tǒng)溫控電路采用多路控溫、多級(jí)控溫的方式，首先采用了溫度繼電器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初級(jí)控溫，待系統(tǒng)溫度升高到45℃時(shí)溫度繼電器斷開，系統(tǒng)對(duì)外輸出28V“加溫好”指示信號(hào)；一級(jí)溫控和二級(jí)溫控電路采用PWM（脈寬調(diào)制）控制方式，一級(jí)溫控電路的控溫點(diǎn)為52℃，二級(jí)溫控電路的控溫點(diǎn)為60℃，由于一、二級(jí)溫控之間溫度梯度較小，從而保證了最終的控溫效果，一級(jí)和二級(jí)的控溫電路監(jiān)測(cè)主要通過監(jiān)測(cè)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)自帶的測(cè)溫鉑電阻阻值和加溫電流實(shí)現(xiàn)。
綜上所述，要完成對(duì)溫控電路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要對(duì)多路電阻、多路電流和“加溫好”信號(hào)進(jìn)行采集。對(duì)于鉑電阻阻值的監(jiān)測(cè)，考慮到電阻初始值較高，而變化量又較小，采用電橋法，輸出的微弱電壓信號(hào)經(jīng)儀表放大器放大到0~5V之間。由于電流的典型值最大高達(dá)18A左右，最小0.2A左右，為保證采集精度，我們選用高精度的霍爾效應(yīng)線性電流傳感器ACS712，選用量程20A的電流傳感器監(jiān)測(cè)總加溫電流，量程5A的電流傳感器監(jiān)測(cè)分路加溫電流?！凹訙睾谩毙盘?hào)通過電阻分壓的方法將其將降為1~3V之間。這樣所有的待測(cè)信號(hào)都轉(zhuǎn)化為0~5V的電壓信號(hào)。
?
硬件系統(tǒng)組成
1)?鉑電阻阻值監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)
鉑電阻阻值監(jiān)測(cè)電路示意圖如圖1所示。在監(jiān)測(cè)過程中，最多需要監(jiān)測(cè)六路測(cè)溫鉑電阻的阻值，通過繼電器控制與驅(qū)動(dòng)電路分別將測(cè)溫鉑電阻作為一個(gè)橋臂接入橋式阻值測(cè)量電路，鉑電阻阻值的變化產(chǎn)生的電壓信號(hào)，經(jīng)儀表放大器AD620放大后送入數(shù)據(jù)采集設(shè)備。
?
圖1 鉑電阻阻值監(jiān)測(cè)電路示意圖
2)?電流監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)
電流監(jiān)測(cè)電路如圖2所示。在監(jiān)測(cè)過程中，最多需要監(jiān)測(cè)四路加溫電流，所以我們選用了四片Allegro公司的高精度的霍爾效應(yīng)線性電流傳感器ACS712，其輸出電壓正比于交/直流電流輸入，在室溫下其輸出誤差小于1.5%，精度完全能夠滿足總電流0.5A、分路電流0.2A的測(cè)量精度。選擇量程為20A的ACS712-20A用于監(jiān)測(cè)總加溫電流，其余三片監(jiān)測(cè)分路加溫電流的ACS712-5B量程為5A，電流傳感器輸出的電壓信號(hào)無需放大即可直接送入數(shù)據(jù)采集設(shè)備。
圖2 電流監(jiān)測(cè)電路
3)?“加溫好”信號(hào)監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)
“加溫好”信號(hào)是由慣性制導(dǎo)系統(tǒng)初級(jí)加溫達(dá)到45℃時(shí)對(duì)外輸出的28V直流電壓信號(hào)，考慮到一般數(shù)據(jù)采集設(shè)備的量程，我們將其作分壓處理，原理圖如下：
圖3 “加溫好”信號(hào)監(jiān)測(cè)電路
圖中，Tok+的輸出為0V、1.33V，經(jīng)過分壓后的電壓信號(hào)更加方便數(shù)據(jù)采集設(shè)備的處理。
4)?數(shù)據(jù)采集設(shè)備的選擇
- 精度
鉑電阻阻值監(jiān)測(cè)精度分析
鉑電阻的阻值計(jì)算公式：
R(t)=R(0℃)（1+At+Bt2）………………………………………………………（1）
式中：
R(t)——溫度為t時(shí)鉑電阻的阻值；
t——溫度；
R(0℃)——溫度為0℃時(shí)鉑電阻的阻值（這里為500Ω）；
A——3.90802×10-3 ℃-1；
B——-5.80195×10-7 ℃-2。
根據(jù)公式計(jì)算可得到
R（25℃）=500×（1+3.90802×10-3×25-5.80195×10-7×252）=548.7Ω
R（52℃）=500×（1+3.90802×10-3×52-5.80195×10-7×522）=600.8Ω
R（60℃）=500×（1+3.90802×10-3×60-5.80195×10-7×602）=616.2Ω
R（75℃）=500×（1+3.90802×10-3×75-5.80195×10-7×752）=644.9Ω
由于監(jiān)測(cè)都在室溫下進(jìn)行，我們將溫度監(jiān)測(cè)的低點(diǎn)設(shè)為25℃，高點(diǎn)設(shè)為75℃，并保證0.1℃的監(jiān)測(cè)精度。將圖1中的R取549Ω，則溫度在25℃~75℃之間時(shí)，輸出的電壓信號(hào)在0~200mV之間，則放大倍數(shù)G=19.93（RG=2.61kΩ）時(shí)可輸出0~4V的電壓信號(hào)。由于R與T近似線性關(guān)系，也即Ｒ也需要1/500的相對(duì)精度，但由于輸出電壓與R是非線性關(guān)系,當(dāng)R變化1/500時(shí)，
根據(jù)R與電壓的關(guān)系可得：
Ｕ1=G*(2.5-549*5/(R+549))
U2=G*(2.5-549*5/（R+R/500+549）)
ΔU=U2-U1=G*(2.5-549*5/（R+R/500+549）-2.5+549*5/(R+549))=5.49*G*R/((R+549)(R+R/500+549))
當(dāng)R在548.7~644.9Ω之間時(shí)ΔU在49.6~50mV之間,因此數(shù)據(jù)采集卡在量程為0~5V時(shí)應(yīng)具有不大于49.6mV的絕對(duì)精度。
根據(jù)電流傳感器輸出電壓的靈敏度，量程為20A的電流傳感器靈敏度為100mV/A，輸出電壓范圍0.5Ｖ~2.5V；量程為5A的電流傳感器靈敏度為185mV/A，輸出電壓范圍1.575~2.5V；同時(shí)還需監(jiān)測(cè)+5V（DAQ）精密電壓基準(zhǔn)以方便對(duì)電流傳感器輸出電壓進(jìn)行校準(zhǔn)，因此數(shù)據(jù)采集卡在量程為0~5V時(shí)應(yīng)具有不小于100mV的絕對(duì)精度。
“加溫號(hào)”信號(hào)只需監(jiān)測(cè)其有無，無精度要求。
- 采樣速率
本應(yīng)用對(duì)采樣速率無特殊要求，不小于100S/s的采樣速率即可滿足要求。
- 模擬輸入通道
三路差分模擬輸入通道" title="輸入通道">輸入通道分別用來精確測(cè)量鉑電阻阻值、加溫電流、+5V（DAQ）精密電壓基準(zhǔn)；一路模擬或數(shù)字輸入通道用來監(jiān)測(cè)“加溫號(hào)”信號(hào)的有無，當(dāng)選用數(shù)字輸入通道時(shí)，圖3中的R26應(yīng)換用10k電阻，R27應(yīng)不大于1k，否則無法將數(shù)字輸入通道拉低到零。
- 數(shù)字I/O
能輸出六路鉑電阻通道切換控制信號(hào)和四路電流傳感器輸出電壓通道切換控制信號(hào)，共需十路（并行控制）數(shù)字I/O，或者四路（串行控制，需要譯碼器配合）數(shù)字I/O。
根據(jù)上述要求我們選用美國(guó)國(guó)家儀器公司的便攜式多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備NI USB-6008, NI USB-6008具有10kS/s采樣速率、12位分辨率，8路模擬輸入、2路模擬輸出，12路數(shù)字I/O，1個(gè)32位的數(shù)字計(jì)數(shù)器，功能全面，性能適中，具有很高的性價(jià)比。NI USB-6008在量程為±5V的差分工作模式下，絕對(duì)精度可達(dá)4.28mV，完全可以滿足監(jiān)測(cè)的需要。
軟件及界面設(shè)計(jì)
軟件程序流程圖如圖4所示，程序初始化后首先進(jìn)行系統(tǒng)配置，選擇測(cè)試項(xiàng)目，輸入產(chǎn)品信息和測(cè)試信息等測(cè)試必需的配置選項(xiàng)，然后即可開始采集工作，此時(shí)NI USB-6008被配置為四路差分模擬輸入通道，分別對(duì)電阻、電流、基準(zhǔn)電壓、“加溫好”信號(hào)進(jìn)行采集，而P0和P1口被用來控制多路電阻和電流的切換。數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)的顯示在前面板上，數(shù)據(jù)的其他處理在后臺(tái)進(jìn)行。達(dá)到設(shè)定的監(jiān)測(cè)時(shí)間或用戶終止采集后結(jié)束采集，生成測(cè)試報(bào)表，表中的控溫精度是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差算法求得，計(jì)算公式如下：
………………………………………………………（2）
其中， 為樣本的平均值，n為樣本個(gè)數(shù)。測(cè)試報(bào)表共給出了25分鐘、30分鐘、35分鐘、40分鐘時(shí)的控溫精度，用以衡量本路控溫電路的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)預(yù)覽無誤后可保存或打印輸出。
圖4 軟件程序流程圖
軟件操作界面分為系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集、報(bào)表管理3個(gè)頁(yè)面組成。
系統(tǒng)配置頁(yè)面如圖5所示，主要用來配置測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試信息等初始信息，這些信息可導(dǎo)出和載入，方便用戶在下次測(cè)試相同項(xiàng)目時(shí)使用。
圖5 系統(tǒng)配置頁(yè)面
數(shù)據(jù)采集頁(yè)面如圖6所示，本頁(yè)面是程序的的核心界面，界面簡(jiǎn)潔，重點(diǎn)突出。溫度曲線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖像占據(jù)了整個(gè)頁(yè)面的四分之三左右，可方便用戶一目了然的觀察當(dāng)前的控溫狀況，同時(shí)界面還提供了電流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，“加溫好”信號(hào)和控溫異常報(bào)警指示燈。
圖6 數(shù)據(jù)采集頁(yè)面
報(bào)表管理頁(yè)面如圖7，包括報(bào)表預(yù)覽、保存和打印功能。
圖7 報(bào)表管理頁(yè)面
結(jié)論
在采用本方案之前，我們對(duì)溫控電路的監(jiān)測(cè)是通過Agilent 34401A 6 1/2位數(shù)字萬用表配合繼電器驅(qū)動(dòng)和控制電路監(jiān)測(cè)六路鉑電阻阻值，阻值數(shù)據(jù)通過串口傳出給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；通過四塊4 1/2位數(shù)字萬用表的來監(jiān)測(cè)電流，同時(shí)人工記錄電流數(shù)據(jù)，硬件成本高昂，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力?，F(xiàn)在只需以前十分之一左右的成本即可實(shí)現(xiàn)同樣精度的監(jiān)測(cè)，同時(shí)借助labVIEW強(qiáng)大的軟件功能，我們實(shí)現(xiàn)了了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄和處理，并生成標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試表格方便存儲(chǔ)和打印，無需人工記錄，節(jié)約了人力成本。
在系統(tǒng)的開發(fā)過程中我們深切體會(huì)到了NI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的方便易用，由于labVIEW對(duì)NI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的完美支持，大大降低了軟件程序的開發(fā)難度，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間，使我們有更多的精力投入到測(cè)試需求的分析，而最后的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橛辛薔I，一切變得如此簡(jiǎn)單。