关键词：虚拟仪器;舰船消磁设备;集成测试系统;通用串行总线;反馈控制
Abstract: For the need of testing of ship degaussing apparatus, the integrated test system based on virtual instrument technology has been designed. By describing its hardware and software in order, the designing and realizing method of the system based on the VI technology is described. This system adopts USB bus. It can be used as oscillograph, waveform generator and Multimeter. The functions of the degaussing apparatus modules were tested and the faults were found by using the theory of fault analysis branch and diagnosis expert system. The theory of feedback control system is used to analyze the performance of the ship degaussing apparatus too. Application in testing indicates that the precision and efficiency has been improved.
Key words: Virtual Instrument, ship degaussing apparatus, integrated test system, USB, feedback control
1 引言
虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种新型的仪器种类。虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件组成，它在软件上集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果的输出和用户界面的功能，可以通过修改软件来修改增减仪器的功能，体现了“软件就是仪器”的概念，并具有智能化和良好的系统扩展性，是未来仪器技术发展的方向。
在军事上，为了应对磁性武器，舰船装备有消磁设备来消除船体的感应磁场。在消磁设备生产检修中要用到各种类型的仪表，操作复杂，测试效率和测试精度较低。本文根据消磁设备的信号特征和性能指标，充分利用虚拟仪器技术的优势，设计了集成测试系统，用以完成消磁设备的检修和性能测试。
2 测试系统总体设计
本测试系统选用了USB 2.0总线，具有速度高、通用性好、即插即用、热插拔的优点，满足自动化工业现场测量要求。
消磁设备测试系统硬件由计算机和仪器测试箱组成，两者通过USB总线连接（系统硬件结构如图1如示）。计算机通过USB总线发指令给仪器箱内微控制器实现信号的输入输出、激励、调理控制，由数据采集卡USB-9201采集调理后的信号来完成各种测试和测量功能，并由软件进行数据分析。所有的测试功能通过在计算机屏幕上对测试软件界面的操作来完成。USB-9201是美国国家仪器公司生产的数据采集卡，采用了USB2.0接口，信号输入范围±10V，分辨率为12位，最高采样率500kS/s，可同时进行8路模拟量的采集。
图1 系统硬件结构
3 软件与测试功能设计
虚拟仪器系统所用的软件，除了计算机所必须的操作系统等基本软件外，还需要设备驱动软件和用户应用程序。与传统仪器相比，虚拟仪器最大的特点是在计算机屏幕上模拟出仪器面板，各种操作完全由软件来完成。现在一般使用的编程工具为Visual Basic、Visual C++、NI LabVIEW、Aglient VEE等可视化编程软件，在具体功能特点方面，各有优缺点。本文采用面向对象的Microsoft Visual C++ 6.0软件开发平台，并利用NI公司的Measurement Studio Component Works集成式ActiveX相关控件，开发了界面友好操纵简单的测试程序。
本系统在软件结构上由基本测量控制功能、组件测试、系统性能测试、信息管理等部分组成，如图2所示。
图2 系统软件功能结构图
3.1 基本测量控制功能
对于基本测量控制，将万用表、示波器、信号发生器的各种常用测试功能集成于同一面板，用户可以方便的选择各种功能进行测量，充分体现了虚拟仪器的优点。在测量过程中，系统可根据信号输入幅度自动控制增益来选择最合适的测量量程，提高了测量精度。
测量界面如图3所示。
图3 测量界面
本系统利用数据采集卡设计了双通道虚拟示波器。双通道采集时，每通道250kS/s的采样率，单通道采集时，可以达到500kS/s采样率，满足实际测试要求。虚拟示波器功能结构如图4所示。
图4 虚拟示波器功能结构图
3.2 组件测试功能
整个消磁设备是由各种功能组件组成，针对各组件功能，采用诊断专家系统与故障树分析方法相结合的方法，生成诊断专家系统的知识库，指导用户进行设备检修，并进行相关信号的自动测量，实现了对消磁设备系统组件的故障诊断与故障定位。
3.3 系统动态指标测试功能
消磁设备控制器，属于反馈控制系统。控制系统的时间响应，从时间的顺序上可以划分为动态和稳态两个过程。动态过程又称为过渡过程，是指系统从初始状态到接近最终状态的响应过程。稳态过程是指时间t趋于无穷时系统的输出状态。一般认为跟踪和复现阶跃作用对系统来讲是较为严格的工作条件。因此常以阶跃响应来定义时域性能指标并衡量系统控制性能的优劣。控制系统的单位阶跃响应性能指标如图5所示。
图5 控制系统的单位阶跃响应性能指标
图中上升时间tr、峰值时间tp、延迟时间td、调节时间ts、超调量σ%、稳态误差ess，六个动态性能指标基本上可以体现系统动态过程的特征。其中tr、td、tp反应了系统响应初始阶段的快速性。调节时间ts反映系统响应的总体快速性。超调量σ%反映系统响应过程平稳性。稳态误差反应系统复现输入信号的最终控制精度。这6项指标中最重要的是超调量σ%、调节时间ts和稳态误差ess，它们分别评价系统单位阶跃响应的平稳性、快速性和稳态精度。
本系统针对消磁设备的控制过程，产生可设置的阶跃激励信号输入消磁设备控制回路，采集其输出信号波形，计算超调量σ%、调节时间ts和稳态误差ess，以评估其动态和稳态性能。
软件测试波形和数据计算界面如图6所示。
图6 过渡过程测试波形
3.4 信息管理功能
在信息管理功能模块中，实现了测试员的权限管理、系统参数设置、设备测量记录存档等功能，并可打印相关报表。
4 结论
本文设计的基于虚拟仪器的消磁设备集成测试系统，对基本信号测量和和动态性能测试均达到了较高的精度，满足了测试要求。该系统在计量测试研究所做了计量测试，并通过了环境试验的测试。在实际的生产检修过程中的应用表明，该系统工作稳定、性能可靠，提高了消磁设备检修工作的自动化程度以及测试精度、测试效率和信息化管理水平，与传统多种普通仪表完成测试相比具有显著的优点。
本系统基于虚拟仪器技术设计，具有良好的通用性、兼容性和可拓展性，通过添加相应的软件模块可实现多种测试功能的扩展，具有广泛的应用领域。
本文作者创新点：
1.虚拟仪器技术应用于消磁设备测试，把多种测试功能集成于一体;
2.利用专家系统与故障树理论实现了消磁设备组件功能测试与故障定位;
3.采用可设置的阶跃信号源测试消磁设备动态性能;
4.该测试系统具有良好的通用性和扩展性。
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