基于LabVIEW的無線自動測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：針對彈藥爆炸現(xiàn)場爆壓測量難的問題，采用LabVIEW為工具設(shè)計了一套無線自動測控系統(tǒng)，主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、無線中繼站AP和上位機三部分組成。測控系統(tǒng)以LabVIEW為主控軟件，利用圖形化編程語言和模塊化設(shè)計實現(xiàn)了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制、實驗數(shù)據(jù)的讀取、存儲和分析。通過系統(tǒng)驗證和測試表明，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和遠程控制的能力，完全能夠勝任惡劣環(huán)境下爆炸現(xiàn)場爆壓測量的重任。

關(guān)鍵詞：遠程控制;自動測控;數(shù)據(jù)采集;無線傳輸

在彈藥的設(shè)計過程中需要知道彈藥爆炸時的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，而傳統(tǒng)儀器設(shè)備卻很難滿足這些科學(xué)實驗的需求，特別是對人類無法生存的惡劣實驗現(xiàn)場，實驗數(shù)據(jù)的獲取就更加困難，開發(fā)新的儀器設(shè)備不僅存在開發(fā)周期長和測試效率低的問題，還大大增加了測試成本。美國國家儀器有限公司NI提出的虛擬儀器技術(shù)很好地解決了以上問題，推出的圖形化編程語言LabVIEW提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，采用數(shù)據(jù)流編程圖形化方式非常容易實現(xiàn)程序界面設(shè)計、編寫代碼和功能實現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、通信和過程控制等領(lǐng)域。利用LabVIEW設(shè)計的無線測控系統(tǒng)實現(xiàn)了對爆炸現(xiàn)場爆壓測量，解決了開發(fā)成本高、測試效率低和系統(tǒng)開發(fā)時間長等幾個關(guān)鍵問題，同時系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)采集、遠程控制和數(shù)據(jù)分析等功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于LabVIEW的無線測控系統(tǒng)主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、無線中繼站和上位機三部分組成，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)的采集和存儲，并將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ARM處理器，由ARM處理器控制將數(shù)據(jù)由無線Wi—Fi無線模塊發(fā)送給中繼站。為了保證本測控系統(tǒng)適應(yīng)無線遠距離傳輸，選用無線AP作為中繼站保證數(shù)據(jù)的正確可靠的遠距離傳輸。在接收端中繼將接收到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)口傳回上位機，上位機由基于LabVIEW的測控軟件對數(shù)據(jù)進行讀取、處理、顯示、存儲和分析等相關(guān)操作。

無線測控系統(tǒng)在工作時首先在上位機LabVIEW軟件的控制下進行自檢，待自檢完成后，通過LabVIEW軟件對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的采集系統(tǒng)進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，然后讓傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于待觸發(fā)狀態(tài)。當(dāng)彈藥爆炸時就會觸發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使得采集系統(tǒng)自動把相關(guān)信號采集并存儲下來。當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點收到上位機發(fā)出的讀數(shù)命令時，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的ARM處理器會把采集系統(tǒng)中存儲的數(shù)據(jù)讀出并發(fā)給Wi—Fi無線模塊，由其把數(shù)據(jù)通過中繼站傳回上位機。最后裝在上位機上的LabVIEW軟件完成數(shù)據(jù)的讀取、合并和存儲，并能根據(jù)需要對讀回的數(shù)據(jù)作濾波和頻譜分析等相關(guān)的信號處理工作。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于LabVIEW的無線測控系統(tǒng)硬件部分主要由傳感器、AD轉(zhuǎn)換器、FPGA、ARM系統(tǒng)、Wi—Fi無線模塊、存儲器FLASH、USB控制器FT245等組成，硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

A/D變換器作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件在測控系統(tǒng)中的地位是不容忽視的，測控系統(tǒng)選用AD公司的AD7492作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，AD7492分辨率為12 bit，在2.7 V～5.25 V的電壓下工作，最高采樣速率可達到3 MB/s，可以處理高達10 MHz的寬頻信號。在傳感器節(jié)點的硬件當(dāng)中FLASH存儲器也顯得尤為重要，因為所有的實驗數(shù)據(jù)都需要存儲到FLASH中，一方面數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確地存入且不能丟失，另一方面存儲的數(shù)據(jù)要能夠準(zhǔn)確地被讀出并傳回上位機。測控系統(tǒng)的NandFlash芯片選用三星公司的K9K2G08U0M，容量為256 MB，電壓工作在2.7 V～3.6 V，一頁大小為2 kB，編程和擦除均為自動。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于LabVIEW的無線測控系統(tǒng)上位機軟件主要運用NI公司的LabVIEW9.0開發(fā)完成，系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)以下幾點功能：1)系統(tǒng)參數(shù)配置，包括對傳感器的采樣頻率、采樣點數(shù)及信號調(diào)理模塊的放大倍數(shù)等;2)工作狀態(tài)檢測，即對選定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點客戶端通信信道進行的工作狀態(tài)檢測;3)數(shù)據(jù)通信，能對接收到的數(shù)據(jù)進行濾波和頻譜分析;4)測試過程中的數(shù)據(jù)存儲和測試結(jié)束后的數(shù)據(jù)讀取。

數(shù)據(jù)讀取模塊是軟件系統(tǒng)的主要單元，主要的功能是向下位機發(fā)送執(zhí)行采集數(shù)據(jù)的命令，并讀取和回傳采集到的數(shù)據(jù)。LabVIEW的優(yōu)勢在于已經(jīng)為用戶提供了封裝好的TCPVI函數(shù)，使用時只需要設(shè)置服務(wù)器端TCP VI的監(jiān)聽端口，客戶端TCP VI則只需要設(shè)置相應(yīng)的要與服務(wù)器建立連接的地址和遠程端口即可。在LabVIEW環(huán)境下服務(wù)器Socket通信程序框圖如圖3所示。

根據(jù)Socket技術(shù)TCP通信流程包括：作為服務(wù)器端的PC機首先對指定的端口監(jiān)聽并處于等待連接狀態(tài)，作為客戶端的數(shù)據(jù)采集端向服務(wù)器端被監(jiān)聽的端口發(fā)出連接請求后，PC機響應(yīng)，先向客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，再讀取客戶端反饋的表示確認(rèn)握手成功的信息，并讀取文件是否為加密文件的標(biāo)志位，讀取文件數(shù)據(jù)大小信息，最后讀取數(shù)據(jù)，通信完成后關(guān)閉TCP連接。

4 實驗結(jié)果及分析

數(shù)據(jù)采集模塊作為測控系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，其正確性對整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)有著決定性的影響，因此首先對采集模塊的正確性進行驗證才能保證后續(xù)實驗的正確性。

4.1 系統(tǒng)功能驗證實驗

首先要對采集模塊的參數(shù)進行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置的過程是：上位機發(fā)送參數(shù)設(shè)置指令，然后指令通過中繼站傳輸?shù)较挛粰C，下位機根據(jù)事先的程序設(shè)定將系統(tǒng)調(diào)整到相對應(yīng)的工作模式，以1號測控裝置為例，將其采樣率設(shè)置在第三檔，即1 Mbps。

為了驗證經(jīng)過無線設(shè)置后系統(tǒng)是否正確地進入到了相對應(yīng)的工作模式，利用信號源直接產(chǎn)生一個頻率為1 kHz、最大值為3.1 V、最小值為0.8 V的正弦信號，將該信號直接輸入到調(diào)理電路的輸入端，待系統(tǒng)采集完成后，將采集結(jié)果通過無線傳輸到上位機進行顯示，上位機顯示結(jié)果如圖4所示。

4.2 測試結(jié)果與分析

為了進一步驗證測控系統(tǒng)的實際工作能力，采用ICP傳感器和測控系統(tǒng)對模擬的炸藥爆炸現(xiàn)場進行了爆壓測量實驗。首先通過無線將系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成，并讓系統(tǒng)進入待觸發(fā)狀態(tài)，等炸藥起爆的瞬間完成炸藥瞬態(tài)爆壓的測量，最后將測量結(jié)果經(jīng)過無線傳回計算機。見圖5給出了模擬炸藥爆炸瞬間測到的爆壓值經(jīng)過低通濾波處理后的實驗結(jié)果。

在圖5中橫坐標(biāo)的單位是ns，縱坐標(biāo)的單位是mV，游標(biāo)1對應(yīng)的正弦波最小幅值為795 mV，游標(biāo)0對應(yīng)的正弦波最大幅值為3 102 mV，除掉軟件操作時游標(biāo)取點的誤差，這一結(jié)果和信號源設(shè)置的最大值為3.1 V、最小值為0.8 V基本吻合。游標(biāo)0和游標(biāo)1在橫軸上的差值可以計算得到采集到的正弦波一個周期為1 ms，這正好和信號源沒置的信號頻率為1 k吻合。從上述實驗結(jié)果可以看出，該測控系統(tǒng)從參數(shù)的無線設(shè)置，到數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)采集，再到采集結(jié)果的無線回傳，最后到采集結(jié)果的上位機顯示都正確無誤，測試曲線能夠很好地記錄炸藥爆炸前后各個狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)。

5 結(jié)論

從基于LabVIEW的無線測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)出發(fā)對系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成和設(shè)計思想進行了詳細(xì)介紹，并給出了測控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信模塊程序框圖，最后通過試驗對測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力、無線傳輸控制能力和系統(tǒng)的實際應(yīng)用能力進行了驗證。經(jīng)過爆炸現(xiàn)場爆壓測量實驗結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)完全能夠勝任惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和控制的重任。