基于LabVIEW的無線自動測控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：針對彈藥爆炸現(xiàn)場爆壓測量難的問題，采用LabVIEW為工具設計了一套無線自動測控系統(tǒng)，主要由傳感器網絡節(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計實現(xiàn)了對無線傳感器網絡節(jié)點的控制、實驗數(shù)據的讀取、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。

關鍵詞：遠程控制;自動測控;數(shù)據采集;無線傳輸

在彈藥的設計過程中需要知道彈藥爆炸時的相關數(shù)據參數(shù)，而傳統(tǒng)儀器設備卻很難滿足這些科學實驗的需求，特別是對人類無法生存的惡劣實驗現(xiàn)場，實驗數(shù)據的獲取就更加困難，開發(fā)新的儀器設備不僅存在開發(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)據流編程圖形化方式非常容易實現(xiàn)程序界面設計、編寫代碼和功能實現(xiàn)，被廣泛應用于航空、汽車、通信和過程控制等領域。利用LabVIEW設計的無線測控系統(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)時間長等幾個關鍵問題，同時系統(tǒng)還具備數(shù)據采集、遠程控制和數(shù)據分析等功能。

1 系統(tǒng)總體結構設計

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

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軟件對傳感器網絡節(jié)點中的采集系統(tǒng)進行相關參數(shù)設置，然后讓傳感器網絡節(jié)點處于待觸發(fā)狀態(tài)。當彈藥爆炸時就會觸發(fā)傳感器網絡節(jié)點使得采集系統(tǒng)自動把相關信號采集并存儲下來。當傳感器網絡節(jié)點收到上位機發(fā)出的讀數(shù)命令時，傳感器網絡節(jié)點中的ARM處理器會把采集系統(tǒng)中存儲的數(shù)據讀出并發(fā)給Wi—Fi無線模塊，由其把數(shù)據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)據的讀取、合并和存儲，并能根據需要對讀回的數(shù)據作濾波和頻譜分析等相關的信號處理工作。

2 系統(tǒng)硬件結構設計

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

A/D變換器作為模數(shù)轉換的關鍵器件在測控系統(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)點的硬件當中FLASH存儲器也顯得尤為重要，因為所有的實驗數(shù)據都需要存儲到FLASH中，一方面數(shù)據要準確地存入且不能丟失，另一方面存儲的數(shù)據要能夠準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絡節(jié)點客戶端通信信道進行的工作狀態(tài)檢測;3)數(shù)據通信，能對接收到的數(shù)據進行濾波和頻譜分析;4)測試過程中的數(shù)據存儲和測試結束后的數(shù)據讀取。

數(shù)據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)據的命令，并讀取和回傳采集到的數(shù)據。LabVIEW的優(yōu)勢在于已經為用戶提供了封裝好的TCPVI函數(shù)，使用時只需要設置服務器端TCP VI的監(jiān)聽端口，客戶端TCP VI則只需要設置相應的要與服務器建立連接的地址和遠程端口即可。在LabVIEW環(huán)境下服務器Socket通信程序框圖如圖3所示。

根據Socket技術TCP通信流程包括：作為服務器端的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)據采集端向服務器端被監(jiān)聽的端口發(fā)出連接請求后，PC機響應，先向客戶端發(fā)出數(shù)據采集命令，再讀取客戶端反饋的表示確認握手成功的信息，并讀取文件是否為加密文件的標志位，讀取文件數(shù)據大小信息，最后讀取數(shù)據，通信完成后關閉TCP連接。

4 實驗結果及分析

數(shù)據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)進行設置，參數(shù)設置的過程是：上位機發(fā)送參數(shù)設置指令，然后指令通過中繼站傳輸?shù)较挛粰C，下位機根據事先的程序設定將系統(tǒng)調整到相對應的工作模式，以1號測控裝置為例，將其采樣率設置在第三檔，即1 Mbps。

為了驗證經過無線設置后系統(tǒng)是否正確地進入到了相對應的工作模式，利用信號源直接產生一個頻率為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理電路的輸入端，待系統(tǒng)采集完成后，將采集結果通過無線傳輸到上位機進行顯示，上位機顯示結果如圖4所示。

4.2 測試結果與分析

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)相關參數(shù)設置完成，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，最后將測量結果經過無線傳回計算機。見圖5給出了模擬炸藥爆炸瞬間測到的爆壓值經過低通濾波處理后的實驗結果。

在圖5中橫坐標的單位是ns，縱坐標的單位是mV，游標1對應的正弦波最小幅值為795 mV，游標0對應的正弦波最大幅值為3 102 mV，除掉軟件操作時游標取點的誤差，這一結果和信號源設置的最大值為3.1 V、最小值為0.8 V基本吻合。游標0和游標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。從上述實驗結果可以看出，該測控系統(tǒng)從參數(shù)的無線設置，到數(shù)據采集模塊的數(shù)據采集，再到采集結果的無線回傳，最后到采集結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)的相關參數(shù)。

5 結論

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