基于LabV IE W的空間相機(jī)試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁九生,吳清文,黃 濤

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春 130033; 2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100039)

1 引 言

空間相機(jī)是空間遙感領(lǐng)域最重要的有效載荷,它在太空的工作環(huán)境條件與地面大為不同,多涉及真空、冷黑空間、太陽輻照、粒子輻照、磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)、微重力等環(huán)境,其中真空、冷黑空間和太陽輻照環(huán)境最為重要,它們會(huì)直接影響到空間相機(jī)的熱性能、電性能和力學(xué)性能。為保證空間相機(jī)能在上述環(huán)境下正常工作,必須進(jìn)行熱控制,使其各部分溫度保持在儀器正常工作溫度范圍內(nèi)[1]。為了驗(yàn)證相機(jī)熱設(shè)計(jì)的正確性、檢驗(yàn)組件的熱性能,考核熱控系統(tǒng)對(duì)在軌飛行熱環(huán)境的適應(yīng)能力及確定最佳熱控參數(shù),在研制過程中須進(jìn)行充分的地面模擬試驗(yàn)[2]。

空間相機(jī)的地面模擬試驗(yàn)主要包括力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)、模態(tài)試驗(yàn)、熱試驗(yàn)等,其中熱試驗(yàn)占了相當(dāng)大的份量,主要包括熱平衡試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)和熱循環(huán)試驗(yàn) (包括老練熱試驗(yàn))。在這些試驗(yàn)中,準(zhǔn)確地測(cè)控相關(guān)參數(shù)尤為重要,因此,對(duì)儀器智能化要求也越來越高,通常采用虛擬儀器。本文采用 N I公司的硬件設(shè)備,結(jié)合 LabV IEW開發(fā)環(huán)境和 PXI總線技術(shù),突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、處理等方面的限制,設(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)定、可靠的多參數(shù)綜合測(cè)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控系統(tǒng)基本原理

完整的測(cè)控系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集卡、系統(tǒng)總線、計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。如圖1所示,傳感器用于獲取測(cè)控對(duì)象的有用信息,并轉(zhuǎn)換為適于測(cè)量的變量或信號(hào)。信號(hào)調(diào)理部分用于對(duì)傳感器輸出的信號(hào)做進(jìn)一步加工處理,包括對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換放大、濾波、隔離、線性化等。然后,通過接口總線把采集卡采集到的數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)軟件控制信號(hào)的采集及相關(guān)控制命令的發(fā)送,完成系統(tǒng)測(cè)控[3]。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Principle of general measurement and control system

2.2 PXI總線技術(shù)

PXI總線以 CompactPCI為基礎(chǔ),由具有開放性的 PCI總線擴(kuò)展而來。PXI總線符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),在機(jī)械、電氣和軟件特性方面充分發(fā)揮了 PCI總線的全部?jī)?yōu)點(diǎn),其構(gòu)造類似于 VXI結(jié)構(gòu),但它的設(shè)備成本更低、運(yùn)行速度更快、體積更小。基于PCI總線的軟硬件均可應(yīng)用于 PXI系統(tǒng)中,從而使 PXI系統(tǒng)具有良好的兼容性。PXI還有高度的可擴(kuò)展性,其傳輸速率已達(dá)到 132 Mbit/s(最高為500 Mbit/s),是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速率。PXI的設(shè)計(jì)吸取了 PCI規(guī)范的優(yōu)點(diǎn),增加了多種觸發(fā)、同步信號(hào),又足夠堅(jiān)固,完全符合工業(yè)應(yīng)用的要求。目前,基于 PXI總線的儀器硬件已廣泛地應(yīng)用于通信領(lǐng)域、汽車測(cè)試、半導(dǎo)體測(cè)試、功能性測(cè)試、航空設(shè)備測(cè)試以及軍事方面。

2.3 系統(tǒng)的虛擬儀器結(jié)構(gòu)

目前,以 LabV IEW圖形化軟件為開發(fā)環(huán)境的虛擬儀器已經(jīng)比較成熟,它是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ),軟件為核心,配以相應(yīng)的硬件 (如數(shù)據(jù)采集卡),完成高度智能化的信號(hào)采集調(diào)理、數(shù)據(jù)測(cè)試分析、儀器控制等眾多功能的高新儀器技術(shù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中,硬件用于控制信號(hào)的輸入、輸出,軟件是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。

本文所述系統(tǒng),利用了虛擬儀器技術(shù)和 PXI總線的優(yōu)點(diǎn),虛擬儀器基本構(gòu)成如圖2所示,以PXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以 GP IB標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成控制系統(tǒng),從而達(dá)到測(cè)試、控制相關(guān)參數(shù)的目的。

圖2 虛擬儀器結(jié)構(gòu)Fig.2 Componentmode of virtual instrument

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 空間相機(jī)試驗(yàn)中傳感器的選擇

空間相機(jī)是長(zhǎng)時(shí)間對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的主要有效載荷之一,衛(wèi)星的軌道壽命與任務(wù)性質(zhì)決定了它必須在嚴(yán)酷的空間環(huán)境下具有可靠的光學(xué)性能。在發(fā)射衛(wèi)星之前要對(duì)空間相機(jī)做很多試驗(yàn),試驗(yàn)中傳感器的精度直接影響相關(guān)參數(shù)測(cè)控精度,因此合理選擇相關(guān)傳感器十分重要。本系統(tǒng)在試驗(yàn)中主要測(cè)控溫度、應(yīng)變等參數(shù),設(shè)計(jì)時(shí)需合理選擇溫度傳感器和力學(xué)傳感器。

3.1.1 溫度傳感器

目前國(guó)際上在航天器研制中所用的溫度傳感器主要有熱電偶和熱敏電阻兩種。熱電偶穩(wěn)定性好、價(jià)格便宜、工藝實(shí)施方便,在地面試驗(yàn)中被大量采用,但由于需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償,其測(cè)溫精度受冷端校準(zhǔn)精度影響較大。當(dāng)航天器在軌運(yùn)行時(shí),冷端補(bǔ)償方式較難實(shí)現(xiàn),而且熱電偶因溫度變化所產(chǎn)生的電信號(hào)反應(yīng)較為微弱,易受干擾,克服該問題所需的星上電路復(fù)雜,存在較大偏差。此外,熱電偶的測(cè)溫偶絲容易受損折斷,其可靠性較熱敏電阻低,因此在航天器的在軌運(yùn)行中很少采用熱電偶。與熱電偶相比,熱敏電阻精度高、可靠性高,但價(jià)格昂貴,對(duì)溫度的反應(yīng)有一定的滯后。由于在航天器的應(yīng)用中,保證測(cè)量精度和高可靠性最為重要,且在軌溫度的監(jiān)測(cè)主要側(cè)重于穩(wěn)態(tài)溫度水平,因此熱敏電阻具有一定的優(yōu)勢(shì),目前國(guó)內(nèi)外航天器上用于飛行試驗(yàn)的溫度傳感器主要采用熱敏電阻[4]。本系統(tǒng)主要用于地面試驗(yàn),綜合兩種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn),同時(shí)選用了熱電偶傳感器和熱敏電阻傳感器兩種溫度傳感器來測(cè)試相關(guān)位置點(diǎn)的溫度參數(shù)。

3.1.2 力學(xué)傳感器

力學(xué)傳感器是利用材料受力變形后電阻值發(fā)生變化的原理制成的敏感元件。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片組成,測(cè)量時(shí)將電阻應(yīng)變片安裝在彈性敏感元件上,彈性敏感元件受壓時(shí)其表面會(huì)出現(xiàn)變形,致使其表面所附的電阻應(yīng)變片隨著產(chǎn)生應(yīng)變,通過測(cè)量此時(shí)電阻應(yīng)變片的電阻值的變化,可以測(cè)量應(yīng)變、應(yīng)力等各種參數(shù)。應(yīng)變式傳感器常用的測(cè)量電路有單臂電橋、差動(dòng)半橋和差動(dòng)全橋,其中差動(dòng)全橋可提高電橋的靈敏度,消除電橋的非線性誤差,并可消除溫度誤差等共模干擾。應(yīng)變式傳感器和其它類型傳感器相比,具有測(cè)量范圍廣、精度高、輸出特性好、性能穩(wěn)定、工作可靠以及能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn),因此,本系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)控相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)。

3.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)溫度傳感器和力學(xué)傳感器的優(yōu)缺點(diǎn),考慮到系統(tǒng)的功能需求和成本因素,并兼顧系統(tǒng)的擴(kuò)展性和再開發(fā)能力,采用了 N I公司的 PXI系列硬件,整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖3所示,包括 PXI1042Q機(jī)箱、PXI8106主控制器、PXI6280數(shù)據(jù)采集卡、SCXI信號(hào)調(diào)理模塊、SCXI接線端子等。系統(tǒng)中各個(gè)傳感器測(cè)量到的信號(hào),經(jīng)過 SCXI-1001信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理后,由計(jì)算機(jī)軟件控制數(shù)據(jù)采集卡 PXI6280采集相關(guān)數(shù)據(jù),再根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)出相關(guān)指令控制儀器。其中,SCXI信號(hào)調(diào)整模塊通過 SCXI-1349電纜和PXI6280數(shù)據(jù)采集卡連接起來,再用 MX-2光纜(長(zhǎng) 200 m)把 PXI8106主控制器和相關(guān)計(jì)算機(jī)連成網(wǎng)絡(luò),來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。機(jī)箱上插有 PXI-GP IB卡,通過電纜連接 GP IB設(shè)備,控制相關(guān)儀器。系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性,可根據(jù)需要購(gòu)買不同的板卡插在機(jī)箱的擴(kuò)展槽上添加相關(guān)儀器,實(shí)現(xiàn)不同儀器的測(cè)控,從而降低系統(tǒng)開發(fā)成本。

圖3 多參數(shù)綜合測(cè)試與控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Illustration ofmeasurement and control system formulticenter parameters

其中,熱電偶采用了精度高、穩(wěn)定性好、反應(yīng)快的銅-康銅熱電偶 (T型),其連線采用二線制。該設(shè)備是根據(jù)試驗(yàn)所需長(zhǎng)度,參照有關(guān)技術(shù)規(guī)范自行制作的,使用前按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定和篩選,共有 5個(gè) 32通道 SCXI-1303和SCXI-1102接線端子,可同時(shí)測(cè)試 160個(gè)熱電偶測(cè)溫點(diǎn)的溫度。

熱敏電阻采用成都宏明電子股份有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)熱敏電阻器,其連線采用四線制,其中SCXI-1581提供 100μA激勵(lì)電流源,可同時(shí)測(cè)試64個(gè)熱敏電阻器測(cè)溫點(diǎn)的溫度。熱敏電阻的阻溫特性系數(shù)A,B,C是根據(jù) Steinhart-Hart公式:

用Matalab進(jìn)行曲線擬合。式 (1)中T為開氏溫度,R為溫度T時(shí)的電阻,A,B,C是要確定的系數(shù)。表1是MF761熱敏電阻用Matalab曲線擬合出來的系數(shù)A,B,C。

表1 M F761熱敏電阻的阻溫特性Table 1 Temperature characteristics of M F761 therm istors

系統(tǒng)使用兩套 SCXI-1314和 SCXI-1520可同時(shí)測(cè)試 16個(gè)應(yīng)變式傳感器的應(yīng)變值,并能通過32通道 SCXI-1308和 SCXI-1102測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)電流。在LabV IEW溫度采集程序中根據(jù)熱電偶的類型和熱敏電阻的阻溫特性系數(shù)進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)置,而應(yīng)變片可根據(jù)具體情況選擇全橋、半橋、1/4橋等橋式電路,配置相關(guān)初始參數(shù)。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)所有程序采用實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,LabV IEW),LabV IEW是 N I公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品,可提供便捷、輕松的圖形化設(shè)計(jì)開發(fā)集成環(huán)境。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Flow chart of software system

整個(gè)系統(tǒng)軟件程序流程如圖4所示,下位機(jī)程序包括溫度、應(yīng)變、電流數(shù)據(jù)的測(cè)試程序和儀器的控制程序;上位機(jī)程序?yàn)閿?shù)據(jù)的處理顯示程序?？紤]程序的通用性,所有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)文件都保存為數(shù)據(jù)庫文件,利用 LabSQL工具包和數(shù)據(jù)庫連接;采用了LabV IEW的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)消費(fèi)者模式編寫數(shù)據(jù)采集和處理顯示程序,并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)施數(shù)據(jù)處理和過程監(jiān)控。

LabV IEW采用直觀的前面板與流程圖式的編程技術(shù),設(shè)計(jì)者只需將虛擬儀器所需的顯示窗口、按鈕、數(shù)學(xué)運(yùn)算方法等控件從 LabV IEW工具箱內(nèi)用鼠標(biāo)拖到面板上,布置好布局,然后在 Diagram窗口將這些控件、工具按設(shè)計(jì)的虛擬儀器所需要的邏輯關(guān)系,用連線工具連接起來即可。圖5為數(shù)據(jù)采集程序框圖的一部分。

圖5 數(shù)據(jù)采集程序部分框圖Fig.5 Block diagram ofDAQ system

儀器控制程序用 V ISA(虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu))和 SCPI標(biāo)準(zhǔn)命令語言與計(jì)算機(jī)通訊,這是因?yàn)閂 ISA是在LabV IEW平臺(tái)上控制各種儀器的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口 (API),具有與儀器接口無關(guān)的特性,可以不考慮儀器的驅(qū)動(dòng)軟件。

5 系統(tǒng)工程應(yīng)用

5.1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)用于在某空間相機(jī)分系統(tǒng)熱平衡試驗(yàn)中測(cè)試 36個(gè)熱敏電阻測(cè)溫點(diǎn),14個(gè)熱電偶測(cè)溫點(diǎn)的溫度,然后通過可編程電源控制加熱器的功耗來控制相關(guān)測(cè)溫點(diǎn)的溫度。

該空間相機(jī)分系統(tǒng)主要由正視相機(jī)、前視相機(jī)、后視相機(jī)、多光譜相機(jī)、測(cè)繪基座、電氣機(jī)箱等組成。試驗(yàn)主要目的是為了驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的正確性和熱控指標(biāo)的合理性,同時(shí)考核相機(jī)在溫控指標(biāo)范圍內(nèi)的成像特性,具體分為:低溫穩(wěn)態(tài)、低溫拉偏、高溫穩(wěn)態(tài)、高溫拉偏 4個(gè)工況。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)前按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定了熱電偶,對(duì)比標(biāo)定結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)測(cè)試值可知,系統(tǒng)的測(cè)溫精度可達(dá)到 0.15℃。以低溫穩(wěn)態(tài)工況測(cè)繪相機(jī)的前視相機(jī)溫控為例,前視相機(jī)的前鏡組區(qū)、安裝區(qū)和驅(qū)動(dòng)電箱溫控目標(biāo)為 (16.5±0.5)℃。由表2可知,前視相機(jī)的前鏡組區(qū)、安裝區(qū)和驅(qū)動(dòng)電箱平均溫度分別為 16.505、16.68、16.26℃,可以看出,該系統(tǒng)能夠很好地滿足測(cè)溫和控溫的要求。

表2 低溫穩(wěn)態(tài)工況測(cè)繪相機(jī)溫度數(shù)據(jù)Table 2 Temperature data of mapping camera in low temperature and stable state conditions

通過對(duì)試驗(yàn)誤差進(jìn)行分析,認(rèn)為可從以下幾個(gè)方面提高測(cè)溫和控溫的精度:

(1)由于測(cè)試通道和測(cè)試參數(shù)較多,應(yīng)增強(qiáng)軟件的通用性和數(shù)據(jù)處理能力。

(2)對(duì)于熱電偶,須根據(jù)試驗(yàn)的要求對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定和篩選,并根據(jù)電路連線,合理選擇軟件中的補(bǔ)償方式 (Built In、ConstantValue、Channel)。

(3)對(duì)于熱敏電阻,須根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地?cái)M合出 3個(gè)阻溫特性系數(shù)A、B、C。

(4)不管是熱電偶還是熱敏電阻,都應(yīng)根據(jù)需要選擇合理的電路連線方式。

雖然力學(xué)試驗(yàn)中尚未采用 N I公司的這套設(shè)備,但是在硬件的驗(yàn)收和軟件的開發(fā)測(cè)試中,已經(jīng)經(jīng)過多次測(cè)試,結(jié)果表明本系統(tǒng)能夠滿足預(yù)定要求。

6 結(jié) 論

本文采用 N I的 PXI硬件設(shè)計(jì)了一個(gè)多參數(shù)綜合測(cè)控系統(tǒng),該系統(tǒng)通過 PXI總線控制相關(guān)儀器,能精確地測(cè)試相關(guān)位置點(diǎn)的溫度、應(yīng)變、電流等參數(shù)。由于不論是軟件和硬件均與具體試驗(yàn)系統(tǒng)無關(guān),該系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行,具有很強(qiáng)的通用性。與傳統(tǒng)的文本語言相比,利用 LabV IEW圖形化軟件開發(fā)相關(guān)程序,節(jié)省了大約 80%的時(shí)間,又有直觀的前面板,通過局域網(wǎng)、PXI總線控制相關(guān)儀器,體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的虛擬儀器技術(shù)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,該系統(tǒng)能夠很好地滿足空間相機(jī)環(huán)境試驗(yàn)中對(duì)溫度等參數(shù)的自動(dòng)測(cè)控要求,具有延續(xù)開發(fā)能力和可移植性,其設(shè)計(jì)方法能為其他測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。

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