摘 要：本文針對艦船消磁設備的測試需求，設計了基于虛擬儀器技術的集成測試系統。本文從硬件、軟件兩個方面介紹了該系統的設計方案與實現方法。該系統采用了USB通用串行總線，具有示波器、信號發生器和通用測量功能，利用故障樹和專家系統實現了對設備各組件的功能測試和故障分析，并可根據反饋控制理論對消磁設備做出性能分析。在生產檢修過程中的應用表明，該測試系統提高了測試精度和測試效率。 關鍵詞：虛擬儀器;艦船消磁設備;集成測試系統;通用串行總線;反饋控制 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 　　虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）是計算機技術在儀器儀表領域的應用所形成的一種新型的儀器種類。虛擬儀器由計算機、應用軟件和儀器硬件組成，它在軟件上集成了儀器的所有采集、控制、數據分析、結果的輸出和用戶界面的功能，可以通過修改軟件來修改增減儀器的功能，體現了“軟件就是儀器”的概念，并具有智能化和良好的系統擴展性，是未來儀器技術發展的方向。 　　在軍事上，為了應對磁性武器，艦船裝備有消磁設備來消除船體的感應磁場。在消磁設備生產檢修中要用到各種類型的儀表，操作復雜，測試效率和測試精度較低。本文根據消磁設備的信號特征和性能指標，充分利用虛擬儀器技術的優勢，設計了集成測試系統，用以完成消磁設備的檢修和性能測試。 2 測試系統總體設計 　　本測試系統選用了USB 2.0總線，具有速度高、通用性好、即插即用、熱插拔的優點，滿足自動化工業現場測量要求。 　　消磁設備測試系統硬件由計算機和儀器測試箱組成，兩者通過USB總線連接（系統硬件結構如圖1如示）。計算機通過USB總線發指令給儀器箱內微控制器實現信號的輸入輸出、激勵、調理控制，由數據采集卡USB-9201采集調理后的信號來完成各種測試和測量功能，并由軟件進行數據分析。所有的測試功能通過在計算機屏幕上對測試軟件界面的操作來完成。USB-9201是美國國家儀器公司生產的數據采集卡，采用了USB2.0接口，信號輸入范圍±10V，分辨率為12位，最高采樣率500kS/s，可同時進行8路模擬量的采集。 [align=center] 圖1 系統硬件結構[/align] 3 軟件與測試功能設計 　　虛擬儀器系統所用的軟件，除了計算機所必須的操作系統等基本軟件外，還需要設備驅動軟件和用戶應用程序。與傳統儀器相比，虛擬儀器最大的特點是在計算機屏幕上模擬出儀器面板，各種操作完全由軟件來完成。現在一般使用的編程工具為Visual Basic、Visual C++、NI LabVIEW、Aglient VEE等可視化編程軟件，在具體功能特點方面，各有優缺點。本文采用面向對象的Microsoft Visual C++ 6.0軟件開發平臺，并利用NI公司的Measurement Studio Component Works集成式ActiveX相關控件，開發了界面友好操縱簡單的測試程序。 　　本系統在軟件結構上由基本測量控制功能、組件測試、系統性能測試、信息管理等部分組成，如圖2所示。 [align=center] 圖2 系統軟件功能結構圖[/align] 　　3.1 基本測量控制功能 　　對于基本測量控制，將萬用表、示波器、信號發生器的各種常用測試功能集成于同一面板，用戶可以方便的選擇各種功能進行測量，充分體現了虛擬儀器的優點。在測量過程中，系統可根據信號輸入幅度自動控制增益來選擇最合適的測量量程，提高了測量精度。 　　測量界面如圖3所示。 [align=center] 圖3 測量界面[/align] 　　本系統利用數據采集卡設計了雙通道虛擬示波器。雙通道采集時，每通道250kS/s的采樣率，單通道采集時，可以達到500kS/s采樣率，滿足實際測試要求。虛擬示波器功能結構如圖4所示。 [align=center] 圖4 虛擬示波器功能結構圖[/align] 　　3.2 組件測試功能 　　整個消磁設備是由各種功能組件組成，針對各組件功能，采用診斷專家系統與故障樹分析方法相結合的方法，生成診斷專家系統的知識庫，指導用戶進行設備檢修，并進行相關信號的自動測量，實現了對消磁設備系統組件的故障診斷與故障定位。 　　3.3 系統動態指標測試功能 　　消磁設備控制器，屬于反饋控制系統。控制系統的時間響應，從時間的順序上可以劃分為動態和穩態兩個過程。動態過程又稱為過渡過程，是指系統從初始狀態到接近最終狀態的響應過程。穩態過程是指時間t趨于無窮時系統的輸出狀態。一般認為跟蹤和復現階躍作用對系統來講是較為嚴格的工作條件。因此常以階躍響應來定義時域性能指標并衡量系統控制性能的優劣。控制系統的單位階躍響應性能指標如圖5所示。 [align=center] 圖5 控制系統的單位階躍響應性能指標[/align] 　　圖中上升時間tr、峰值時間tp、延遲時間td、調節時間ts、超調量σ%、穩態誤差ess，六個動態性能指標基本上可以體現系統動態過程的特征。其中tr、td、tp反應了系統響應初始階段的快速性。調節時間ts反映系統響應的總體快速性。超調量σ%反映系統響應過程平穩性。穩態誤差反應系統復現輸入信號的最終控制精度。這6項指標中最重要的是超調量σ%、調節時間ts和穩態誤差ess，它們分別評價系統單位階躍響應的平穩性、快速性和穩態精度。 　　本系統針對消磁設備的控制過程，產生可設置的階躍激勵信號輸入消磁設備控制回路，采集其輸出信號波形，計算超調量σ%、調節時間ts和穩態誤差ess，以評估其動態和穩態性能。 　　軟件測試波形和數據計算界面如圖6所示。 [align=center] 圖6 過渡過程測試波形[/align] 　　3.4 信息管理功能 　　在信息管理功能模塊中，實現了測試員的權限管理、系統參數設置、設備測量記錄存檔等功能，并可打印相關報表。 4 結論 　　本文設計的基于虛擬儀器的消磁設備集成測試系統，對基本信號測量和和動態性能測試均達到了較高的精度，滿足了測試要求。該系統在計量測試研究所做了計量測試，并通過了環境試驗的測試。在實際的生產檢修過程中的應用表明，該系統工作穩定、性能可靠，提高了消磁設備檢修工作的自動化程度以及測試精度、測試效率和信息化管理水平，與傳統多種普通儀表完成測試相比具有顯著的優點。 　　本系統基于虛擬儀器技術設計，具有良好的通用性、兼容性和可拓展性，通過添加相應的軟件模塊可實現多種測試功能的擴展，具有廣泛的應用領域。 本文作者創新點： 　　1.虛擬儀器技術應用于消磁設備測試，把多種測試功能集成于一體; 　　2.利用專家系統與故障樹理論實現了消磁設備組件功能測試與故障定位; 　　3.采用可設置的階躍信號源測試消磁設備動態性能; 　　4.該測試系統具有良好的通用性和擴展性。 參考文獻: 　　[1] 唐劍飛，桂永勝，江能軍.潛艇消磁系統綜述[J].船電技術，2005.6:1-3. 　　[2] 劉君華，申忠如，郭福田.現代測試技術與系統集成[M]. 北京：電子工業出版社，2005. 　　[3] 王劃一.自動控制原理[M].北京：國防工業出版社，2001. 　　[4] 吳瑩，秦樹人，張帆. 基于USB總線的嵌入式虛擬儀器的設計[J].自動化儀表，2006.3:14-17. 　　[5] 秦樹人.虛擬儀器[M].北京：中國計量出版社，2003. 　　[6] 李天剛，黃考利，劉于端. 基于VXI總線和虛擬儀器的專家測試系統[J].微計算機信息,2005.2:129-130.