姿控發(fā)動機減壓閥性能測試系統(tǒng)設(shè)計

（海軍裝備部駐重慶軍事代表局，成都 610100）

氣體減壓閥是姿控發(fā)動機的重要組件之一，在姿控發(fā)動機工作過程中發(fā)揮著壓力調(diào)節(jié)器的作用，可以將控制氣、吹除氣、貯箱擠壓氣等高壓氣體減壓到所需的壓力。減壓閥工作特性的好壞直接影響著姿控發(fā)動機的性能，也影響到火箭發(fā)射或衛(wèi)星軌道確定及軌道保持的成敗。

減壓閥性能測試系統(tǒng)是姿控發(fā)動機的一個地面測試設(shè)備。用于完成對姿控發(fā)動機出廠前以及發(fā)射加注前減壓閥性能的測試。該系統(tǒng)是在繼承其他型號檢測設(shè)備先進性能的基礎(chǔ)上，對各分系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，在設(shè)備工作可靠性、安全性得到保證的前提下開發(fā)的減壓閥地面測試設(shè)備。整套設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，便于移動和使用維護，為一款便攜式地面測試設(shè)備。該測試系統(tǒng)基于PC-104 計算機總線架構(gòu)，集測量控制功能于一體，具有檢測精度高、可靠性高、操作便利等特點，能夠完成對減壓閥的零流量抗沖擊試驗和3種不同流量下的流量特性試驗。在測試過程中，可以實時動態(tài)顯示測試結(jié)果，高速記錄減壓閥的入口壓力和出口壓力，并具有完善的數(shù)據(jù)處理功能，可以快速打印測試結(jié)果。

本文設(shè)計的測試系統(tǒng)所采用的減壓閥、電磁閥、管路連接件等工藝管件均為成熟標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，所采用的嵌入式計算機、采集卡、顯示器等均為寬溫、軍品級元件，目的是提高系統(tǒng)的可靠性。軟件主要由驅(qū)動程序和用戶程序所組成，驅(qū)動程序采用C++語言結(jié)合動態(tài)鏈接庫技術(shù)、虛擬設(shè)備驅(qū)動程序技術(shù)進行設(shè)計，用戶程序則采用Delphi7 語言進行開發(fā)。

1 系統(tǒng)組成及測試原理

減壓閥性能測試系統(tǒng)由手動截止閥、高壓電磁閥、10 L 氣瓶、2 L 氣瓶、1.6 mm 孔徑限流圈、1.0 mm 孔徑限流圈、0.5 mm 孔徑限流圈、壓力變送器、采集控制器等組成，其測試原理如圖1所示。

圖1 減壓閥性能測試系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，其主要模塊為減壓閥配氣臺和采集控制器，配氣臺可以為減壓閥性能測試提供高達25 MPa的高壓氣源，采集控制器則完成對減壓閥的控制和測量參數(shù)的檢測任務(wù)。在對減壓閥進行性能測試時，需要對其進行零流量抗沖擊試驗和3種不同流量下的流量特性試驗，目的是模擬和檢測減壓閥在電爆閥瞬間零流量狀態(tài)下減壓閥的抗沖擊性能和起爆后3種流量下減壓閥的流量特性。

2 測試系統(tǒng)硬件組成

采集控制器是減壓閥性能測試系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要由嵌入式主機、DM5416 多功能卡、電磁閥驅(qū)動電路、壓力變送器、智能數(shù)顯表和熱敏打印機等組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該控制器采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法進行設(shè)計，具有低成本、低功耗、智能化、小型化、高可靠性的特點，其主要測試指標(biāo)如下：

1）壓力測量精度：0.4級；

2）8路電磁閥控制通道，4路模擬量測量通道；

3）采樣分辨率為16 位，采樣速率為1 000點/s；

圖2 硬件組成框圖

主控計算機是控制器的核心部件，為了可靠和便于設(shè)備集成，采用研華公司的PCM-3353 嵌入式計算機進行設(shè)計，其主頻為500 MHz，工作溫度寬，平均無故障時間長，磁盤采用比一般硬盤更耐震動與沖擊的電子盤，有利于提高控制器的可靠性。DM5416 多功能卡（RTD 公司）具有16路模擬輸入通道和16路開關(guān)量通道，采集速度可達100 kHz，主要用于參數(shù)的測量和電磁閥的控制。電磁閥驅(qū)動電路具有8個通道，固態(tài)繼電器最大電流為4 A，導(dǎo)通時間小于0.058 ms，關(guān)斷時間小于0.1 ms，漏電流小于10 μA。采用1 臺5V/9A 和1 臺24V/2A的穩(wěn)壓電源為主控機、電磁閥和變送器供電。系統(tǒng)采用嵌入式熱敏打印機，能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境，可在電源反接下不被損毀，供電電壓為直流24 V，安裝于操作臺面板上，接口方式為串口或并口。

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由驅(qū)動程序和用戶程序所組成，驅(qū)動程序采用C++語言編程實現(xiàn)，用戶程序采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言O(shè)bject Pascal，開發(fā)工具為Delphi 7.0[1]，軟件運行平臺為Window98 專業(yè)版。系統(tǒng)軟件從實際需求出發(fā)，結(jié)合軟件工程設(shè)計方法進行設(shè)計，主要實現(xiàn)減壓閥性能參數(shù)的實時采集、實時存儲、實時顯示，電磁閥的自控控制和手動控制，歷史數(shù)據(jù)的曲線回放和曲線報表打印等功能。軟件開發(fā)采用模塊化結(jié)構(gòu)，其主要功能模塊如圖3所示。

圖3 軟件總體結(jié)構(gòu)框圖

測試系統(tǒng)主流程圖如圖4所示。測試程序啟動后，數(shù)據(jù)采集任務(wù)隨之執(zhí)行，但并不執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲任務(wù)，減壓閥入口壓力和出口壓力以曲線和數(shù)字方式顯示。當(dāng)自動控制程序啟動后，開始數(shù)據(jù)的實時存儲。測試完成后可以對數(shù)據(jù)進行歷史回放或報表打印等數(shù)據(jù)處理工作。

圖4 測試系統(tǒng)流程圖

3.1 用戶程序開發(fā)

1）數(shù)據(jù)采集程序開發(fā)。數(shù)據(jù)采集程序用來對減壓閥入口壓力和出口壓力進行采集、記錄和顯示等功能操作。應(yīng)用程序通過調(diào)用硬件驅(qū)動程序庫中的A/D 控制函數(shù)來實現(xiàn)采集功能，采集速率為1 000通道/s。采集數(shù)據(jù)讀入緩存，然后調(diào)用Delphi 中的Tchart 控件，利用Tchart 控件中的series的ADDXY函數(shù)將采集數(shù)據(jù)以波形曲線方式顯示。

2）數(shù)據(jù)回放。減壓閥性能測試完后，可以對采集結(jié)果進行數(shù)據(jù)回放。數(shù)據(jù)回放時，先將歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機內(nèi)存中，供曲線繪制時使用。減壓閥入口壓力曲線和出口壓力曲線采集采用不同顏色進行區(qū)分，允許用戶通過選擇按鈕隱藏某一條曲線，而單獨顯示另外一條曲線。允許用戶通過控制按鈕或快捷功能鍵控制曲線進行上下移動或左右移動等操作，采用鼠標(biāo)來獲取曲線上某一點的坐標(biāo)值。

3）數(shù)據(jù)報表打印。數(shù)據(jù)處理完以后，需要對數(shù)據(jù)曲線進行報表打印。數(shù)據(jù)報表打印前，需要設(shè)置打印紙類型：A4 紙或自定義紙長。允許用戶按時間分段打印曲線并可以設(shè)置曲線的上限和下限。數(shù)據(jù)報表具備打印預(yù)覽功能，借助該功能，用戶可以檢查打印紙長度和曲線上下限的設(shè)置是否合理。

3.2 軟件設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

1）動態(tài)鏈接庫技術(shù)。動態(tài)鏈接庫（Dynamic-Link Library，DLL）是Windows的一項極其重要的技術(shù)，通過它可以讓應(yīng)用程序共享代碼和資源。DLL是個可執(zhí)行的模塊，但它沒有自己的堆棧，必須在調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)的程序環(huán)境下運行。Windows利用動態(tài)鏈接庫給多個應(yīng)用程序提供公用的函數(shù)或資源。減壓閥性能測試系統(tǒng)驅(qū)動程序開發(fā)采用了DLL 動態(tài)鏈接庫技術(shù)，建立了硬件驅(qū)動函數(shù)庫。在Delphi 開發(fā)環(huán)境下通過調(diào)用DLL 庫中驅(qū)動函數(shù)便可實現(xiàn)對硬件的操作[2]。

2）多線程技術(shù)。在Windows 98中，一個程序無法獨占所有的CPU 執(zhí)行時間。而且一個程序也不是從頭到尾一條線。相反，一個程序在執(zhí)行中可分為多個程序片斷同時執(zhí)行。這些能同時執(zhí)行的程序片斷稱為線程[3]。線程能執(zhí)行程序代碼的任何部分，包括由其他線程執(zhí)行的部分，它是操作系統(tǒng)為其分配CPU時間的基本實體。合理采用多線程技術(shù)可以有效地加快程序的反應(yīng)速度、提高執(zhí)行效率。減壓閥性能測試系統(tǒng)軟件設(shè)計采用了多線程技術(shù)，可以一個線程采集并處理數(shù)據(jù)，另一個程序根據(jù)處理結(jié)果作出控制或其他的工作，這將有利于保證采集和控制的實時性。

3）虛擬設(shè)備驅(qū)動程序技術(shù)。Windows 98系統(tǒng)核心由虛擬機管理器VMM 和虛擬設(shè)備驅(qū)動程序VxD[4]的集合組成。系統(tǒng)內(nèi)核提供了900 多個服務(wù)函數(shù)來管理系統(tǒng)內(nèi)存、控制物理設(shè)備、處理中斷、創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、管理文件系統(tǒng)等，這些服務(wù)函數(shù)都可以被用戶編寫的VxD 調(diào)用。VxD 運行在系統(tǒng)的Ring0級，擁有與操作系統(tǒng)同等的級別，用戶可以利用它來支持硬件設(shè)備的管理。該系統(tǒng)開發(fā)了定時器中斷虛擬設(shè)備驅(qū)動程序Clock.VxD 向VPICD注冊專用的中斷通道，這為實現(xiàn)實時控制提供了前提，利用DM5416的定時器可以產(chǎn)生2 ms定時中斷。

4 結(jié)束語

減壓閥性能測試系統(tǒng)研制完后已投產(chǎn)使用，經(jīng)多次使用表明，該系統(tǒng)測量精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、抗惡劣環(huán)境能力強、人機界面友好、操作簡便，為一款便攜式地面檢測設(shè)備。該系統(tǒng)的成功研制為姿控發(fā)動機減壓閥的測試工作帶來了極大的方便，具有極高的應(yīng)用價值。

[1]江義華.Delphi7 完美經(jīng)典[M].北京:中國鐵道出版社,2003:542-544.

[2]張惠強,萬永菁.在VC 和Delphi 下共享DLL 文件[J].現(xiàn)代計算機,2001(1):72-74.

[3]湯彬,李培耀.Windows 下多線程編程技術(shù)[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2002,16(4):310-313.

[4]溫世讓,李博.Win98 下硬件虛擬設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)及實例[J].現(xiàn)代計算機,2000(7):36-38.