基于虚拟仪器技术的引信电池测试系统设计

【摘要】本文利用虚拟仪器技术构建引信电池测试系统，通过模拟弹丸工作条件，进行电池数据的实时采集，并对电池性能数据进行分析和处理。

【关键词】虚拟仪器；LABVIEW；引信；数据采集

1.引言

无线电引信电源是无线电引信工作的能源。由于无线电引信工作的特殊条件，电源在引信发射过程中必须能被激活并可靠工作，在弹丸的飞行过程中，能为引信电子部件提供足够的能量，以保证电子部件的正常工作，因此电源部件是无线电引信可靠工作的关键。对电源部件的性能测试也是整个无线电引信测试必不可少的部分。

引信电源多为化学电池或热电池，通过施加一定的外力使其激活，并开始逐渐放电，为无线电引信提供一定时间的电源供给，保证其电路的正常工作。根据引信电子部件的实际工作需要，电池检测体系应有以下几项指标构成：输出电压（负载应模拟引信实际工作时负载）、激活时间、工作时间、噪音等性能指标，这些指标一般可通过实验室模拟试验的办法来检测。传统的这类检测方法是用数字万用表、示波器等手段构成测试系统，存在采样速率低、测试不够准确，系统不能通用于不同电池测试等缺点。近年来，随着计算机技术的发展，出现了虚拟仪器这一新测试技术，它是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物，是全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破使，引信电源部件电性能测试可以采用虚拟仪器这一先进技术，使得系统测试更精确，体积更紧凑，应用更灵活。

2.系统概述

电池测试系统能在实验室模拟电池部件工作的全过程，对电池部件进行动态性能测试，考查在电池在激活、放电过程中的各项性能指标。系统模拟弹丸飞行过程中激活电池并开始放电为电子部件提供能源，模拟引信工作的实际过程，完成弹丸条件模拟，同时进行整个过程的电池性能数据采集、处理和分析，并在计算机上显示出来。

3.系统组成

系统包括动力装置和数据采集装置，动力装置主要完成模拟弹丸飞行条件和过程。数据采集装置负责对电池旋转激活装置的控制盒电池性能数据的实时采集。系统组成如图1所示。

3.1 动力装置

动力装置主要有中大孔径炮管、真空泵、电磁铁和电机机构等组成。给电池提供向前和自身旋转的作用力，使电池可靠激活，进入正常放电过程。电池经过中大孔径炮管，产生类似弹丸激发的旋转力；真空泵抽炮管真空，形成一定的压强，给电池提供向前的力，模拟弹丸激发；电磁铁负责释放电池；电机机构由电机、传动部件、采集夹具和控制电路构成，电机旋转通过传动部件带动采集夹具高速旋转，模拟弹丸高速飞行的过程，控制电路主要通过固态继电器和变频器完成对电机旋转的控制。首先，变频器接受数据采集装置的信号控制电机机构带动采集夹具高速旋转，达到额定转速后，真空泵抽炮管真空，抽真空达到额定压强后激发电磁铁释放电池，电池通过炮管到达采集夹具内，随电机机构一起旋转并开始放电。

3.2 数据采集装置

数据采集装置作用有三个方面。首先，是对旋转激活装置进行控制，完成弹丸飞行过程的模拟，产生电池激活的外力条件，激活电池。其次，是完成控制信号和采集对信号的调理。最后，完成对电池部件激活、放电等性能数据的采集、处理、分析和显示。

数据采集装置由凌华公司CPCI-2501 PXI系统和信号调理、控制电路组成。PXI机箱配备零槽控制卡CPCI-3700A和PXI-2206多功能数据采集卡，CPCI-3700A[1]是用于3U CPCI系统的CPU模块，Pentium-III850MHz CPU，256M内存、40G硬盘、2个USB接口、2个串行端口、一个并行端口、4M显示存储器、100M网口控制器，具有一般计算机的功能；PXI-2206多功能数据采集卡[2]是64通道16位多功能的数据采集卡，4通道同步差分模拟输入，24通道可编程数字I/O口，最高达250kS/s采样率，16bit A/D分辨率。信号调理、控制电路是多功能采集卡电机控制接口电路，信号采集前的调理电路和负载切换电路。

4.数据采集功能的实现

数据采集是电池性能测试系统重要的组成部分，如何准确采集相关数据是系统设计的关键所在。现对其实现方法和过程叙述如下。

对电池性能数据的采集需要进行输入前的调理。如图2所示，电池部件在激活装置作用下正常工作，E+电池部件经过R（传输线路电阻），通过R*（负载电阻）放电，经过R1、R2按比例衰减，传输进入数据采集卡，完成数据采集、处理过程，看似简单，但要做到数据的真实性，必须注意以下方面。

4.1 信号采集的时时性

数据采集系统在规定时间内以几十KHz的采样速率不间断采集，会采集到大量的数据，如何在较高的采样速率下，保证电池放电数据的不丢失，为后期计算机处理，提供可靠的依据。必须从硬件和软件两个方面着手，相互配合，才能达到这一要求。充分利用数据采集模块板载4K FIFO的作用，采用异步双缓冲模式，在采集过程中，对FIFO进行半满读取，一边采集，一边读取数据。同时利用LABVIEW的并行机制，对数据进行数字滤波、存储和显示。

4.2 噪音信号提取

采集到得电池放电信号当中，包括直流电压信号和噪音电压信号。需要对其中的噪音信号提取后，再进行处理。在信号分离需要用到滤波器，它可以使信号定的频成分通过，而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的这种选频作用，可以完成电池噪音的提取。LABVIEW自带强大的数字滤波器模板，不需要编写复杂冗长的滤波器程序，省去了模拟滤波器的设计与调试，只需要调用相应的函数即可实现信号滤波的功能。

按滤波器的选频作用，或者说对频率函数的处理作用，滤波器的输出频率段有三种情况：通带、阻带、过渡带。根据上述三种频带及其在频带所处区间的不同，滤波器可分为四类：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。最常用的可实现的滤波器有巴特沃兹、切比雪夫滤波器等。根据电池放电性能的特点及电池噪音信号的频率范围，选用带通滤波器。其中，巴特沃兹滤波器具有较好的幅频特性，能较好的反映电池放电的真实特性，设置上限截止频率和下限截止频率，通过调整滤波器的阶数达到满意的滤波效果，从而使提取出真实的通带电池噪音信号，为采集后的分析、处理提供可靠得依据。

4.3 信号的校准

在电池采集通道中，存在电阻衰减网络。信号经过导线传输，导线电阻会对信号产生衰减，使得系统采集到的电压与电池实际放电压存在偏差，且不成线性，需要进行补偿。两者之间的关系为：

其中，k斜率，主要取决于衰减网络；b为截距，主要取决于导线电流在导线中的压降。k、b的取值方法是，在电池电压范围内分段加入标准电压，经过校准程序进行校准计算取得。测得的电池电压数据带入公式1，得到修正后的电池电压。

5.系统软件设计

电池性能测试系统软件编制采用LabVIEW-图形化编程语言[3]。LabVIEW图形化的程序设计方法，使得编程简单、直观、开发效率高。强大的信号分析、处理功能，使其具有无可比拟的优越性。把电池测试任务依据测试流程和功能分解成为若干的子任务，每个子任务完成特定的功能，把一个复杂的问题分解成为许多子任务的组合。用户首先设计subVI完成每个子任务[4]，然后将之逐步组合成为能够解决最终问题的VI。

5.1 软件模块和流程图

LabVIEW的诸多特性为我们实现电池性能测试系统提供了可靠、便捷的软件平台。系统软件采用模块化设计，能够完成动力装置设备控制、电池数据实时采集和数据处理等功能[5]。依据电池测试任务划分若干子模块，动力装置设备控制包括电机启停模块、设备急停模块和电池激活模块，电机启停模块控制电机的启动和停止；设备急停模块处理紧急情况设备的运转保护；电池激活模块负责抽真空设备启停、真空度测量和控制电磁铁释放。电池数据实时采集由数据采集模块完成。数据处理功能完成对电池测试数据的存盘、打印、噪音数据的提取、数据校准等功能，由采集辅助模块、打印电压模块、打印曲线模块、信号分析与提取模块和调试校准模块等完成。在这些子模块基础上，建立主程序，完成对引信电池激活时间、电池最大电压、电池寿命、噪音最大值测试和处理，以及电池放电曲线和噪音曲线的存储和显示，流程图如图3所示。

5.2 测试数据和结果

系统测试主界面能够显示放电过程电池最大电压、最大噪音、噪音位置、激活时间和电池寿命等参数，同时显示引信电池放电曲线。如图4所示，是打印的电池放电电压曲线和噪音曲线，测试0～200秒时间内的电池放电的直流电压和

6.结论

电池性能测试系统利用LabVIEW虚拟仪器技术，通过模拟引信电池工作条件，实现了电池性能的动态在线测试。软件基于模块化设计，结合LabVIEW软件的强大的信号分析及处理功能，实现了对电池信号的数据采集和性能分析，为引信电池科研和生产提供了重要保证。

参考文献

[1].

[2].

[3]Jeffrey Travis，Jim Kring.LabVIEW 大学实用教程[M].北京：电子工业出版社（第3版），2011，3.

[4]周求湛，钱志鸿，刘萍萍，等.虚拟仪器与LabVIEW7 Express程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[5]邢磊，郑萍.多通道高速数据采集系统的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2012（12）：116-118.

作者简介：

刘彤（1972-），男，广西工学院工学硕士，湖南铁道职业技术学院工程师，主要研究方向：控制理论与控制工程。