基于LabVIEW的光纤放线装置测控系统设计_任鹏远.pdf

基金项目：国防预研项目（编号：202105106）收稿日期：20220902基于LabVIEW的光纤放线装置测控系统设计*任鹏远，马保吉（西安工业大学 机电工程学院，西安710021）摘要：长距离高速光纤放线装置是光纤制导多用途飞行器地面模拟试验的重要部分，用于模拟飞行器在发射和飞行状态下光纤从线管上高速释放的状态。针对前几代放线系统复杂、效率低的问题，开发了一套基于虚拟仪器的放线测控系统。测控系统以LabVIEW为开发平台，通过DMC运动控制卡以及DAQ系列数据采集系统，配合伺服电机和传感采集装置对放线系统进行测控，通过运动控制和数据采集算法设计，能够实现模拟光纤高速释放状态，同时对光纤动态状态进行监控测量。实验结果表明，所采集的轴向力在-10+10 N/m范围内，径向力在03 N/m范围内，设计的传感装置均能满足，能够稳定实现相关设计功能，且整套系统人机交互性好、自动化程度高、可操作性强，对于制导光纤研究提供了相应的依据。关键词：光纤放线；运动控制；数据采集；虚拟仪器中图分类号：TP27文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02019506Design of Measurement and Control System for Optical Fiber Pay-off DeviceBased on LabVIEWRen Pengyuan，Ma Baoji（Xian Technological University,Xian 710021,China）Abstract:The long-distance high-speed optical fiber pay-off device is an important part of the ground simulation test of the optical fiber-guided multi-purpose aircraft,which is used to simulate the high-speed release of the optical fiber from the cable tube in the launch and flightstate of the aircraft.Aiming at the complex and low efficiency of previous generations of pay-off systems,a set of pay-off measurement andcontrol systems based on virtual instruments was developed.The measurement and control system used LabVIEW as the development platform,through the DMC motion control card and the DAQ series data acquisition system,and cooperated with the servo motor and the sensoracquisition device to measure and control the pay-off system.Monitored and measured the dynamic state of optical fiber.The experimentalresults show that the collected axial force is in the range of-10+10 N/m,and the radial force is in the range of 03 N/m.The whole systemhas good man-machine interaction,high degree of automation and strong operability,which provides relevant basis for the research of guidedoptical fiber.Key words:fiber pay-off;sport control;data collection;virtual instrument2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.044任鹏远，马保吉.基于LabVIEW的光纤放线装置测控系统设计 J.机电工程技术，2023，52（02）：195-200.0引言光纤制导技术集合图像探测追踪、光纤传输等关键技术，具有传输速率高、损耗率低、体积小、轻便诸多优势，可实现对目标的精准打击，目前受到各国和军方的重视1。但是每次进行真实的导弹放线实验要耗费大量的导弹与光纤。此外还很难在弹体上安装一些大型的高精度实验设备来获取实验数据实验效果非常不理想。采用地面模拟放线实验装置进行实验，可以节省大量的人力物力。地面模拟放线装置用于进行长距离光缆模拟飞行收放线试验，模拟飞行器在发射和飞行状态下光纤从线管上高速释放的状态。光纤地面放线装置用于模拟光纤线管在高低温环境下的飞行姿态和光纤高速释放过程，并且测量光纤高速剥离力、剥离形态、光信号传输特性以及线管高速释放稳定性和可靠性。整个装置由控制系统、传动系统、放线架和测试系统4大部分组成2-5。针对前几代地面放线装置系统复杂、效率低的情况，为了确保对制导过程中光纤的动态状态模拟更接近真实情况，本文设计了一套自动化运行的高精度光纤放线装置，并对测控系统进行开发。能够实现对制导光纤的动态运动进行精准模拟，并实时反馈光纤受力数据，为制导光纤的研究提供数据支持。1测控系统硬件设计1.1系统需求为了对光纤放线状态进行最大程度的真实模拟，针对放线装置的运动以及测控要求，需要满足以下功能需求。（1）模拟飞行器机动时俯仰和偏航角运动逆向姿态，模拟光纤线包尾舱在气流下受到的不规则随机扰动；195（2）整套系统具备手动运行和自动运行两套模式，可针对地面放线需求对角度以及角速度进行调整，要求运动角度波动范围小于5%，同时精度在0.1内；（3）测试实时动态轴向拉力和切向力，实时显示俯仰、偏航速度并且以图形形式实时显示动态解脱力；（4）测试系统具有良好的用户界面、用户管理、数据存储与分析，报告生成与输出功能；（5）具有充分的可扩展接口进行输入输出，方便后续功能扩充。放线装置整体结构设计如图 1 所示。为模拟导弹光纤释放过程，由水平转台实现偏航运动，在水平转台上安装步进电机通过减速器带动俯仰平台实现俯仰运动的模拟，通过对俯仰偏航运动的结合，模拟光纤释放过程中的随机运动。同时在线包安装法兰上安装有扭矩传力杆和轴向力传力杆，传力杆的另一端连接到扭矩传感器和拉力传感器，用于测量放线过程中的轴向剥离力和径向剥离力，监测光纤释放状态6-7。1.2系统设计系统主要由运动模拟执行机械装置和控制测试系统组成。其中，控制测试系统主要由运动伺服驱动与控制系统、传感检测与反馈系统、数据采集系统、上位机控制与管理系统及软件系统组成。对于机械装置部分，水平转台采用步进电机配合蜗轮蜗杆进行传动、俯仰机构采用步进电机配合行星减速器传动，传动比分别为1180以及1121。两部分驱动器均采用二细分，可达到 0.9的精度，通过减速装置，最终可保证最小步距角为0.007 5，足以满足设计需求中的0.1的角精度需求。同时对水平转台和俯仰机构分别配置3个NPN型限位开关，开关常开，当机构运行到指定位置时，限位开关向端子板输出5 V高电平传输到运动控制卡，系统通过高低电平对装置运行位置以及状态进行判断，同时起到安全保护的作用，可防止运动幅度过大对装置造成损坏。控制测试系统部分采用运动控制卡作为核心控制部件，通过工控机作为上位机进行人机交互，运动控制卡作为下位机并通过控制器对水平转台以及俯仰机构进行控制，运动控制卡外接端子板配置有I/O输入接口，可以同时接受限位开关的信号对装置运动状态及位置进行实时监测，确保装置运行正确，不必对信号进行数模转换，可避免误差产生。测控系统组成如图2所示。放线测控装置的姿态模拟运动主要由两个步进电机驱动，考虑到程序的开发和调试过程要求设备与 LabVIEW应具有较好的兼容性，采用编程简单，功能丰富的雷赛DMC1000B脉冲系列运动控制卡，可控制112轴伺服或步进电机。根据步进电机和步进电机驱动器的型号设计相应的步进电机驱动电路，如图3所示。每个电机的两相绕组分别连接至对应驱动器的A+、A-和 B+、B-端口。驱动器的其他4个端口分别为脉冲、方向、使能和电源端口，电源端口连接至 24 V 直流电压源，脉冲、方向、使能端口的正端与对应的PCI板卡输出端口相连接，负端统一连接至公共端口。另外控制卡本身自带多路通用I/O口，扩大了应用范围。对外接口上采用68芯高密度屏蔽电缆线，抗干扰能力更强，连接也更加的紧凑方便。可对6个位置信号进行实时采集，判断装置运行状态，便于监测和调整6-9。选用研华的16路高分辨率多功能数据采集卡作为线包解脱力数据采集处理的设备，具有很高的精度和速度。在接线过程中，采用差分输入的方式进行数据采集，避免接地回路的干扰和由于环境引起的共模干扰。通过采集变送器的电压信号传递到上位机便于软件进行数据转换处理并实时显示。2测控系统软件设计2.1软件整体框架设计光纤放线测控系统软件基于 LabVIEW 平台进行开发，软件系统除用户登录注册模块外，还具备参数设置模块、姿态控制模块以及线包动态解脱力数据采集测量模块8。软件整体层次组成如图4所示，根据操作需要，测控系统软件在登录界面具有身份验证的功能，可对操作人员身份和权限信息的存储与增改。通过参数设置模块进行参数设置后，进行运动控制以及数据采集。2.2人机交互界面设计前面板是人机交互的关键部分，主要由数据显示、放线装置运行状态监控和装置运行参数设置3部分组成。其中，数据显示模块主要用于实时显示放线时光纤轴向和径向解脱力大小，用于观察并记录光纤放线状态；放线装置运行状态监控模块主要用于监测装置运行是否达到预期位置同时可对装置进行复位；电机参数设置模块主要用于设置脉冲频率、转动角度、电机运行模式等参图1放线装置设计示意图图2测控系统组成示意图2023年02月机 电 工 程 技 术第52卷第02期196数。装置运行参数设置模块中运行角度可调范围为15，转动速度范围为015/s，装置运行模式可分为自动运行模式和手动运行模式，其中自动运行模式下又有随机运行模式模块。界面如图5所示。2.3放线装置姿态控制雷赛官方提供了运动控制API函数库，在其基础上进行应用软件开发将十分简单，使用LabVIEW开发用户界面并调用DMC1000B函数库中的相关运动控制函数，实现对姿态模拟装置的运动及位置精确、高速、协调控制。打开LabVIEW通过工具导入共享库(.dll)选择雷赛官方提供的“Dmc1000.dll”和“Dmc1000.h”两文件将函数库导入LabVIEW生成库文件，该库中包含控制卡提供的各类函数，使用时可直接在库中进行调用。2.3.1参数转换光纤放线装置采用步进电机进行驱动，对于步进电机，脉冲是其运动的关键。因此，软件设计时需要将前面板用户所输入的运动参数转换为脉冲数。步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。步进驱动器的细分数，通常细分数越高，控制分辨率越高，但细分数太高则影响到运行速度9。经过实验分析选择 2细分对应 400脉冲