基于PXI总线的某型舵系统检测设备设计

摘要：基于PXI平台，并结合高效灵活的LabVIEW软件组成的虚拟仪器系统完成对某型舵系统的检测。通过使用PXI-6713板卡输出的信号控制系统的工作，并利用PXI-6254板卡采样经系统调理后反馈的各路信号，再利用计算机根据指标来分析判断该系统工作是否正常及各项参数是否符合技术指标要求。
关键词：虚拟仪器；PXI总线；LabVIEW

O 引言
    随着虚拟仪器技术、PXI总线技术和计算机技术等高新技术的发展，要求测试设备要具有小型化、集成化、智能化的特点，并且在部队装备抢修时，也对测试设备在振动、温度与湿度方面提出了较高的要求。利用虚拟仪器技术，采用PXI总线开发可视化故障诊断平台，可以方便地将专家的经验、技术资料等信息融入到诊断流程开发中，完成测试程序的开发。实现对被测装备的快速故障诊断，提高对装备的临时抢修和应急、机动保障能力。

1 某型舵系统的工作原理
    该系统由舵机放大器(以下简称舵放)、四个电动舵机(以下简称舵机)和舵面组成，作为惯性控制系统的执行部件，舵放将输入信号和舵机的位置、速度反馈信号，变换成一定的控制信号给舵机，再由舵机带动舵面偏转，从而实现角度跟踪达到稳定和控制弹体飞行的目的，对导弹的航向、俯仰和倾斜进行自动控制，结构框图见图1。

    输入信号和本系统的位置、速度反馈信号经舵放变换后输出控制信号驱动舵机工作，将舵机内的电动机输出的转矩通过减速器传递到输出轴。当输入信号为零时，电动舵机输出的转矩不可能传递到输出轴，输出轴不发生偏转；当输入信号为正电压时，将电动机输出的转矩通过减速器传递到输出轴，致使输出轴向—个方向偏转；反之，当输入信号为负电压时，致使输出轴向另一个方向偏转。
    为稳定系统输出转角，并使输出转角与输入信号成正比，采用电位器进行位置反馈。
    为使系统工作稳定和改善系统的动态工作品质，采用测速发电机进行速度反馈。

2 测试原理
    PXI工控机利用D／A转换模块输出控制信号，用来模拟舵系统的输入信号，同时电动舵机输出相应的位置、速度反馈信号，该反馈信号经调理模块进行调理，再由A／D数据采集模块采集送入工控机。控制计算机将采集的数据与相对应舵系统技术指标进行分析、比较，来判定各项参数是否满足要求，最终确定舵系统工作是否正常，并通过显示器显示出测试结果。

    PXI控制计算机提供调理模块工作所需资源的集成环境，+28．5 V和±15 V直流电源分别为被测对象和调理模块提供正常工作的电源。

3 硬件设计
3．1 测试平台
    PXI平台是一种专为工业数据采集与自动化应用量身定制的模块化仪器平台，具备机械、电气、软件等多方面的专业特性。充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准结构一PCI，是compactPCI规范的扩展，是以CompactPCI为基础再加上一些特有的信号组合而成的一个架构，继承了PCI的电气信号，拥有如PCI bus的极高传输数据的能力。
    PXI产品具有级别更高、定义更严谨的环境一致性指标，符合工业环境下振动、撞击、温度与湿度的极限条件，尺寸上，4U的PXI机箱比绝大多数的台式机或工业计算机平台更加紧凑，这对于狭小环境下的测试来说是一项重要的特性。
    PXI模块化、前插式结构给维护和升级带来极大的便利，如果系统中的一个模块需要修理，工程师可以将其取出而不影响其他模块，模块化减少的停机时间降低了系统寿命内的维护成本。
3．2 板卡选择
    数据采集采用高速数据采集卡PXI-6254，D／A转换采用转换模块PXI45713。
3．3 调理电路设计
    调理模块完成直流电源以及各路所需信号的幅值调理。调理原理示意图如图3所示。

3．4 保护设计
    检测台电源的输入、输出设计有瞬间熔断保险丝，具有电过载保护功能，电缆、电缆组件的布局和接线应保证外露接头不带电，以防意外短路，并且电连接器应有防插错设计。
3．5 计量接口设计
    配置电源和信号的专用检测、计量接口，通过对该接口信号的测量，可以对设备进行计量、鉴定和故障定位。
3．6 电磁兼容性设计
    (1)电路板采用多层板设计，将电源层和地层分别单独敷设；
    (2)印刷板设计布局：
    元器件的位置应按电源电压、数字及模拟电路、电流大小等进行分组，以免相互干扰，所有连接器应安排在印刷电路板的一侧，尽量避免从两侧引出电缆，减少共模辐射；
    (3)线路板的布线线宽不要突变，导线不要突然拐角；
    (4)采用屏蔽电缆，并且电缆布线应按照传输信号的强弱进行分类归并，以便使可能发生的串扰减少到最小。
    (5)在控制线进入印尉板的入口处加接R-C去耦电路，以便消除长线传输中可能出现的干扰因素。

4 软件设计
4．1 软件描述
    开发软件采用NI LabVIEW 2009，它是一种真正意义上的图形化编程语言，采用工程技术人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，具有界面友好、操作简单、开发周期短等特点，广泛应用于各个行业的仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等方面，在各大公司、科研机构日益普及，得到广泛应用。
    软件的输入主要为检测人员录入的数据、用户输入的操作指令及相关的项目检测结果。对于测试的实现，将应完成的测试步骤及正常的参数结果范围等信息提前保存，在测试过程中根据测试步骤产生控制条件加载指令，完成各测试步骤后，读取测试结果信息，将测试值与正常的参数结果范围进行分析比较，从而确定该步骤是否通过。
    软件的输出主要采用测试数据库，包括以下内容：检测时间、人员、检测对象序列号、参数名称、数值、测量参数的参考值及可能的故障部件等测试结果信息，并提供相应的格式进行打印预览和打印输出。
4．2 软件功能
    包括系统自检、测试参数的装订、按测试项目进行舵系统电参数的测试、根据测试结果进行故障的自动诊断和定位、显示和打印测试结果、建立测试数据库。
4．3 测试项目及方法
    (1)输出轴偏转极性测试：分别给系统加正、负控制信号。查看舵机的输出轴偏转方向；
    (2)传递系数测试：给系统加一组输入信号，分别计算出各个舵的反馈系数、线性度误差值；
    (3)转速测试：计算出舵机输出轴从一个方向最大转角转动到另一个方向最大转角的平均转速；
    (4)过程过渡时间测试：输入一定的阶跃控制信号，同时开始计时和测量该时间；
    (5)零位电压测试：给系统加一定的输入信号然后回零，测出其零位的反馈电压；
    (6)最大转角测量：根据反馈电压和舵机转角的比例关系，计算出舵机偏转的最大转角；
    (7)控制信号测试：给舵放加一组输入信号，然后检测出其相应输出给舵机的控制信号。
4．4 软件构成
    软件主要由人机界面模块、自检测模块、测试模块、检定模块、帮助说明模块组成。
    人机界面模块要求在显示器上显示出供操作者选用相应的功能选项，操作者一旦选择了某项功能，检测台就打开相应的测试模块完成该项测试，测试结束后回到主菜单。
    自检测模块是对检测仪的各个板卡进行检测，利用自检测程序完成板卡各通道的检测。自检完成后，屏幕显示自检测结果，当有故障时，显示故障定位，如果提示有故障，则其余测试模块将不允许操作。
    测试模块是检测仪按照测试项目对舵系统完成各项电参数检测。并要求测试模块每次得出测试结果后都可调用数据库的指标，通过对比得出测试结果，若出现故障则需得出故障模式，做出故障定位。
    通过检定模块此模块可以完成对设备的计量检定。
    帮助说明模块提供检测仪组成、功能、测试程序概述、使用方法、注意事项。
4．5 软件流程

4．6 软件安装和维护
    完成软件的设计后，生成可执行文件，测试时点击该文件即可运行程序。为便于软件的维护，在正确完成系统和各个功能板卡驱动的安装后，进行系统备份。同时，为了确保系统的安全，设置重置功能，一旦使用该功能，系统恢复到初始状态。

5 结束语
    该检测台基于高速的PXI总线平台，能够满足该舵系统的检测要求，利用PXI总线的模块完成信号采集与测试，硬件通道数和规模均可扩展，并且用户通过友好的软件界面即可完成操作，提供开放的二次开发接口，功能强大，扩展灵活，提高了系统检测的机动性和灵活性，实现了被测对象的快速故障诊断，同时降低了诊断流程开发的难度，提高了实用性。