设计并开发了航海仪器综合检测系统。该系统包含双通道示波器、信号发生器、信号分析仪、航向信号检测、自动舵检测、计程仪检测、串口信息检测、气象仪信号检测等多个模块。结果表明，该系统能够对航海仪器进行快速、有效的检测，准确地评估航海仪器的工作状态。
关键词： 虚拟仪器； 导航装备； 综合检测； 数据采集
中图分类号： TN965⁃34； U666.1 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2017）02⁃0103⁃04
Abstract： Aiming at the great variety， and complexity of the measurement node and measurement signal of warship navigation equipments， the virtual instrument technology is used to design and develop the comprehensive detection system for navigation instruments. The system contains the dual⁃channel oscilloscope， signal generator， signal analyzer， course signal detection module， autopilot detection module， speed⁃log detection module， serial port information detection module， atmospherium signal detection module， etc. The result indicates that the system can detect the navigation instrument quickly and effectively， and evaluate the operating state of the navigation instrument accurately.
Keywords： virtual instrument； navigation equipment； comprehensive detection； data acquisition
舰艇导航装备负责向航海部门提供高精度的船舶位置、速度、姿态等信息，在保证舰艇航行安全方面起着极其重要的作用。由于导航装备种类繁多，测量节点和相应的测量信号更是复杂多变，如何设计和开发先进有效、便于携带的综合检测系统以满足现代维修保障需求，是一个亟待解决的问题[1⁃3]。为此，本文利用虚拟仪器和信息采集技术，设计并开发了导航装备综合检测系统。系统能够对陀螺罗经、自动舵、测深仪、计程仪、GPS和Loran⁃C等装备进行专门测试，并在此基础上通过基于频谱分析、小波分析、小波包分析和时频分析的数据处理平台，实现对装备性能的检测。
1 总体设计方案
导航装备的实际性能不仅关系到航行安全，同时也影响作战武器系统性能，因此能否对舰载导航装备进行快速检测显得十分重要。导航装备综合检测系统能够通过对导航装备信号进行检测，进而快速、准确地评估导航装备的工作状态。该系统主要由高精度采集卡、自整角机轴角⁃数字转换器、信号调理电路、嵌入式计算机及虚拟仪器软件组成，其工作流程如图1所示。
基于LabVIEW的导航装备综合检测系统，能够实时采集和记录装备产生的导航信号，其中计程仪等信号可以通过数据采集卡进行信号示波、分析，罗经航向信号、自动舵信号则需要经过信号调理、降压、模/数转换之后送到数据采集卡，而对于GPS 舰位等串口信息则直接送入到嵌入式计算机。该系统能够有效提高装备故障隐患发现概率、减少运行和维修费用、提高设备使用可靠度、改善工作过程、优化维修任务、减少故障发生次数和提高设备的利用率。
2 硬件设计
系统硬件都集成在仪器箱内，主要由嵌入式计算机、数据采集卡、自整角机信号处理模块、检测接口和仪器箱组成，系统外观如图2所示。
2.1 嵌入式计算机
嵌入式计算机作为搭载整个系统的硬件平台，除了提供存储空间、计算/显示处理单元外，还为采集卡、外部输入/输出设备提供连接的接口，是决定设备性能的关键部件。系统采用了研祥5.25英寸EC5⁃1718CLDNA嵌入式模块，具有强大的运算性能、灵活的升级能力及适当的便携性。
2.2 数据采集卡
采集卡是系统核心之一，决定设备采集性能的关键部件[4⁃5]。系统采用NI最新M系列PCI⁃6221数据采集卡，如图3所示，具有2路16位模拟输出（833 kS/s）、24路数字I/O、32位计数器、数字触发、关联DIO（8条时钟线， 1 MHz）、NI?MCal校准技术、NIST校准认证书以及70多个信号调理选项，无论是精度还是速率都能够满足系统要求，同时又确保为扩展升级预留了足够的空间。
2.3 自整角机信号处理模块
为便于计算机对自整角机的角度信号进行处理和显示，系统采用12ZSZ型转换器，可将罗经等装备中的自整角机转角量转换为数据采集卡直接采集的数字量。该转换器是一种采用跟踪技术和模块化结构的自整角机/旋转变压器：数字转换器。它采用二阶伺服回路，输出与TTL电平兼容的并行自然二进制码，该系列转换器主要用于角度位移量的检测与控制。其外观如图4所示。
由于12ZSZ转换器的最大允许信号输入电压为26 V，PCI⁃6221数据采集卡模拟输入的最大电压范围是-10～10 V，而被测轴角（如自整角机转角）信号电压最高可达90 V，因此专门设计三相变压器组对轴角信号进行降压调理。
2.4 检测接口
在检测系统右侧装有检测接口，便于数据采集和仿真信号发送。其面板设计有多种接口，包括2个USB 2.0接口、1个RS 232接口、1个RS 422接口、4个示波器BNC接口、2个信号发生器接口、1个系统开机按钮、1个系统重启按钮，5个自整角机信号输入接口、2个航程脉冲输入接口和3个扩展备用接口。
3 软件设计
在LabVIEW平台上开发的舰艇导航装备综合检测系统能够实现对导航装备的检测，评估被检装备的运行状态，主要包括以下8个功能模块：双通道示波器模块、信号发生器模块、信号分析仪模块、航向信号检测模块、自动舵检测模块、计程仪检测模块、串口信息检测模块和气象仪信号检测模块。系统模块组成如图5所示。
系统主界面的设计采用“所见即所得”的可视技术[6]；把信息按功能或关系进行逻辑分组，如图6所示。使得系统软面板上的功能简洁明了，易于理解。检测系统各功能模块分别与主前面板上的按键相对应，单击时，就会调用对应的子VI并显示模块界面。
3.1 双通道示波器模块
双通道示波器模块能够进行单通道或双通道的数据采集和显示，可实现单次测量和连续采集。双通道示波器提供标尺、位置调节旋钮和可变的时基；触发源和触发模式设置可选；自动标尺调整特性允许基于交流电压信号的峰⁃峰值调节电压显示刻度，使测量信号的显示效果最佳；具有数字和模拟硬件触发；游标可用于精确的屏幕测量。其界面如图7所示。
3.2 信号发生器模块
为方便仪器的测试，根据具体需要生成不同的信号，开发了信号发生器模块，其界面如图8所示。信号发生器模块可以发出正弦波、三角波、方波、锯齿波以及公式波形，其中公式波形允许通过公式字符串指定要使用的时间函数来创建输出波形，如sin（ω*t）*sin（2*pi（1）*10）可生成Loran⁃C的信号包络波形。
3.3 信号分析仪模块
信号分析仪模块可测量硬件板卡的模拟输入，计算和显示其RMS平均功率谱（Averaged Power Spectrum）。既可以连续测量，也可以单次扫描，并对信号应用多种窗函数、平均模式和滤波器选项[7]。检测峰值频率成分，估计实际频率和功率。其界面如图9所示。
3.4 串口信息检测模块
串口信息检测模块能通过RS 232或RS 422串口实时接收并显示GPS、Loran C、北斗、惯性导航仪以及计程仪、测深仪等发送的串口导航数据，并对符合NMEA⁃0183协议的语句进行解析，获得其中的时间、位置、对地速度、航向、航速、深度等相关信息。同时，也可向上述航海仪器发送指定格式的NMEA⁃0183语句，以供调试。发送的内容可以来自界面控件，也可来自文件。其界面如图10所示。
3.5 罗经信号检测模块
针对罗经中的自整角机信号，通过12ZSZ型转换模块对其轴角位置、旋转方向进行采集，实时监测自整角机三相模拟信号的波形；设置初始航向后，可以根据对自整角机旋转信号的采集，实时显示出当前航向的变化，并对航向变化进行全程记录，并可实时监测自整角机三相模拟信号的波形。其界面如图11所示。
3.6 其他检测模块
自动舵检测模块是通过检测自动舵中自整角机的转角信号对航向和反馈舵角信号进行检测；气象仪信号检测模块能够分别对船舶气象仪的风向、风速、温度、湿度、大气压力、航速、航向共7路信号进行检测，并以直观的显示方式将各检测值呈现给用户；计程仪信号检测模块用于检测计程仪发送的航速与航程信号，可根据其串行、并行、直流电压、脉冲等多种信息发送方式，均能以直观方式的显示出来。
4 结 语
本文介绍了舰艇导航装备综合检测系统的总体设计方案；从嵌入式计算机、数据采集卡、自整角机信号处理模块和检测接口四个方面详细介绍了系统的硬件构成；着重介绍了系统的软件设计，并从模块功能和界面设计等角度，对系统包含的双通道示波器模块、信号发生器模块、信号分析仪模块、航向信号检测模块、自动舵检测模块、计程仪检测模块、串口信息检测模块、气象仪信号检测模块进行了详细的描述。该测试系统设计方案完善、性能可靠、人机界面友好、使用方便。在实际应用中很好地解决了以往检测系统自动化程度低、功能单一，且不便于对检测数据进行判断、分析、统计、保存和传输等诸多问题，具有较好的推广应用价值。
参考文献
[1] 李伟，马亮，王新华.基于PXI测试总线及虚拟仪器技术的便携式舰艇武器系统通用检测系统[J].舰船科学技术，2010，32（3）：81⁃85.
[2] 韩云东，王英才，周爱军.基于虚拟仪器的回声测深仪仿真系统研究[J].潜艇学术研究，2011，29（1）：37?40.
[3] 赵军，张辉.基于虚拟仪器的导航装备性能检测及故障诊断系统[J].计算机测量与控制，2008，16（9）：1246⁃1248.
[4] 范春涛，徐城烽，蒋永华，等.基于LabVIEW的电机转速测控系统研制[J].现代电子技术，2015，38（7）：114⁃117.
[5] 睦翔，王琪，薛朋骏，等.基于LabVIEW的智能车综合信息监控系统开发[J].现代电子技术，2012，35（20）：149⁃151.
[6] 雷振山.LabVIEW高级编程与虚拟仪器工程应用[M].北京：中国铁道出版社，2013：162⁃181.
[7] 郑对元.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计[M].北京：清华大学出版社，2012：321⁃343.
