摘 要：本文針對艦船消磁設(shè)備的測試需求，設(shè)計了基于虛擬儀器技術(shù)的集成測試系統(tǒng)。本文從硬件、軟件兩個方面介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計方案與實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)采用了USB通用串行總線，具有示波器、信號發(fā)生器和通用測量功能，利用故障樹和專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備各組件的功能測試和故障分析，并可根據(jù)反饋控制理論對消磁設(shè)備做出性能分析。在生產(chǎn)檢修過程中的應(yīng)用表明，該測試系統(tǒng)提高了測試精度和測試效率。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器;艦船消磁設(shè)備;集成測試系統(tǒng);通用串行總線;反饋控制 Abstract: For the need of testing of ship degaussing apparatus, the integrated test system based on virtual instrument technology has been designed. By describing its hardware and software in order, the designing and realizing method of the system based on the VI technology is described. This system adopts USB bus. It can be used as oscillograph, waveform generator and Multimeter. The functions of the degaussing apparatus modules were tested and the faults were found by using the theory of fault analysis branch and diagnosis expert system. The theory of feedback control system is used to analyze the performance of the ship degaussing apparatus too. Application in testing indicates that the precision and efficiency has been improved. Key words: Virtual Instrument, ship degaussing apparatus, integrated test system, USB, feedback control 1 引言 　　虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）是計算機(jī)技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種新型的儀器種類。虛擬儀器由計算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成，它在軟件上集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果的輸出和用戶界面的功能，可以通過修改軟件來修改增減儀器的功能，體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的概念，并具有智能化和良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性，是未來儀器技術(shù)發(fā)展的方向。 　　在軍事上，為了應(yīng)對磁性武器，艦船裝備有消磁設(shè)備來消除船體的感應(yīng)磁場。在消磁設(shè)備生產(chǎn)檢修中要用到各種類型的儀表，操作復(fù)雜，測試效率和測試精度較低。本文根據(jù)消磁設(shè)備的信號特征和性能指標(biāo)，充分利用虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計了集成測試系統(tǒng)，用以完成消磁設(shè)備的檢修和性能測試。 2 測試系統(tǒng)總體設(shè)計 　　本測試系統(tǒng)選用了USB 2.0總線，具有速度高、通用性好、即插即用、熱插拔的優(yōu)點(diǎn)，滿足自動化工業(yè)現(xiàn)場測量要求。 　　消磁設(shè)備測試系統(tǒng)硬件由計算機(jī)和儀器測試箱組成，兩者通過USB總線連接（系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1如示）。計算機(jī)通過USB總線發(fā)指令給儀器箱內(nèi)微控制器實(shí)現(xiàn)信號的輸入輸出、激勵、調(diào)理控制，由數(shù)據(jù)采集卡USB-9201采集調(diào)理后的信號來完成各種測試和測量功能，并由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。所有的測試功能通過在計算機(jī)屏幕上對測試軟件界面的操作來完成。USB-9201是美國國家儀器公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡，采用了USB2.0接口，信號輸入范圍±10V，分辨率為12位，最高采樣率500kS/s，可同時進(jìn)行8路模擬量的采集。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)[/align] 3 軟件與測試功能設(shè)計 　　虛擬儀器系統(tǒng)所用的軟件，除了計算機(jī)所必須的操作系統(tǒng)等基本軟件外，還需要設(shè)備驅(qū)動軟件和用戶應(yīng)用程序。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器最大的特點(diǎn)是在計算機(jī)屏幕上模擬出儀器面板，各種操作完全由軟件來完成?，F(xiàn)在一般使用的編程工具為Visual Basic、Visual C++、NI LabVIEW、Aglient VEE等可視化編程軟件，在具體功能特點(diǎn)方面，各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用面向?qū)ο蟮腗icrosoft Visual C++ 6.0軟件開發(fā)平臺，并利用NI公司的Measurement Studio Component Works集成式ActiveX相關(guān)控件，開發(fā)了界面友好操縱簡單的測試程序。 　　本系統(tǒng)在軟件結(jié)構(gòu)上由基本測量控制功能、組件測試、系統(tǒng)性能測試、信息管理等部分組成，如圖2所示。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　3.1 基本測量控制功能 　　對于基本測量控制，將萬用表、示波器、信號發(fā)生器的各種常用測試功能集成于同一面板，用戶可以方便的選擇各種功能進(jìn)行測量，充分體現(xiàn)了虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)。在測量過程中，系統(tǒng)可根據(jù)信號輸入幅度自動控制增益來選擇最合適的測量量程，提高了測量精度。 　　測量界面如圖3所示。 [align=center] 圖3 測量界面[/align] 　　本系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計了雙通道虛擬示波器。雙通道采集時，每通道250kS/s的采樣率，單通道采集時，可以達(dá)到500kS/s采樣率，滿足實(shí)際測試要求。虛擬示波器功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。 [align=center] 圖4 虛擬示波器功能結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　3.2 組件測試功能 　　整個消磁設(shè)備是由各種功能組件組成，針對各組件功能，采用診斷專家系統(tǒng)與故障樹分析方法相結(jié)合的方法，生成診斷專家系統(tǒng)的知識庫，指導(dǎo)用戶進(jìn)行設(shè)備檢修，并進(jìn)行相關(guān)信號的自動測量，實(shí)現(xiàn)了對消磁設(shè)備系統(tǒng)組件的故障診斷與故障定位。 　　3.3 系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)測試功能 　　消磁設(shè)備控制器，屬于反饋控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的時間響應(yīng)，從時間的順序上可以劃分為動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個過程。動態(tài)過程又稱為過渡過程，是指系統(tǒng)從初始狀態(tài)到接近最終狀態(tài)的響應(yīng)過程。穩(wěn)態(tài)過程是指時間t趨于無窮時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。一般認(rèn)為跟蹤和復(fù)現(xiàn)階躍作用對系統(tǒng)來講是較為嚴(yán)格的工作條件。因此常以階躍響應(yīng)來定義時域性能指標(biāo)并衡量系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣。控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo)如圖5所示。 [align=center] 圖5 控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo)[/align] 　　圖中上升時間tr、峰值時間tp、延遲時間td、調(diào)節(jié)時間ts、超調(diào)量σ%、穩(wěn)態(tài)誤差ess，六個動態(tài)性能指標(biāo)基本上可以體現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)過程的特征。其中tr、td、tp反應(yīng)了系統(tǒng)響應(yīng)初始階段的快速性。調(diào)節(jié)時間ts反映系統(tǒng)響應(yīng)的總體快速性。超調(diào)量σ%反映系統(tǒng)響應(yīng)過程平穩(wěn)性。穩(wěn)態(tài)誤差反應(yīng)系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)輸入信號的最終控制精度。這6項指標(biāo)中最重要的是超調(diào)量σ%、調(diào)節(jié)時間ts和穩(wěn)態(tài)誤差ess，它們分別評價系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的平穩(wěn)性、快速性和穩(wěn)態(tài)精度。 　　本系統(tǒng)針對消磁設(shè)備的控制過程，產(chǎn)生可設(shè)置的階躍激勵信號輸入消磁設(shè)備控制回路，采集其輸出信號波形，計算超調(diào)量σ%、調(diào)節(jié)時間ts和穩(wěn)態(tài)誤差ess，以評估其動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。 　　軟件測試波形和數(shù)據(jù)計算界面如圖6所示。 [align=center] 圖6 過渡過程測試波形[/align] 　　3.4 信息管理功能 　　在信息管理功能模塊中，實(shí)現(xiàn)了測試員的權(quán)限管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備測量記錄存檔等功能，并可打印相關(guān)報表。 4 結(jié)論 　　本文設(shè)計的基于虛擬儀器的消磁設(shè)備集成測試系統(tǒng)，對基本信號測量和和動態(tài)性能測試均達(dá)到了較高的精度，滿足了測試要求。該系統(tǒng)在計量測試研究所做了計量測試，并通過了環(huán)境試驗的測試。在實(shí)際的生產(chǎn)檢修過程中的應(yīng)用表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性能可靠，提高了消磁設(shè)備檢修工作的自動化程度以及測試精度、測試效率和信息化管理水平，與傳統(tǒng)多種普通儀表完成測試相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。 　　本系統(tǒng)基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計，具有良好的通用性、兼容性和可拓展性，通過添加相應(yīng)的軟件模塊可實(shí)現(xiàn)多種測試功能的擴(kuò)展，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： 　　1.虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于消磁設(shè)備測試，把多種測試功能集成于一體; 　　2.利用專家系統(tǒng)與故障樹理論實(shí)現(xiàn)了消磁設(shè)備組件功能測試與故障定位; 　　3.采用可設(shè)置的階躍信號源測試消磁設(shè)備動態(tài)性能; 　　4.該測試系統(tǒng)具有良好的通用性和擴(kuò)展性。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 唐劍飛，桂永勝，江能軍.潛艇消磁系統(tǒng)綜述[J].船電技術(shù)，2005.6:1-3. 　　[2] 劉君華，申忠如，郭福田.現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)集成[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005. 　　[3] 王劃一.自動控制原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001. 　　[4] 吳瑩，秦樹人，張帆. 基于USB總線的嵌入式虛擬儀器的設(shè)計[J].自動化儀表，2006.3:14-17. 　　[5] 秦樹人.虛擬儀器[M].北京：中國計量出版社，2003. 　　[6] 李天剛，黃考利，劉于端. 基于VXI總線和虛擬儀器的專家測試系統(tǒng)[J].微計算機(jī)信息,2005.2:129-130.