惯性制导系统温控电路的实时监测
应用领域：
航空／国防
使用的产品：
NI USB-6008
LabVIEW 8.20
挑战：
运用NI的便携式数据采集设备融合先进的虚拟仪器技术，实现多路电阻、多路电流的精密测量和系统状态信号的监测，以较低的成本解决生产、调试和维修过程中的监测任务。
应用方案：
运用NI的便携式数据采集设备配合相应的外围电路，对监测信号进行采集，使用NI的图形化编程软件LabVIEW对监测数据进行显示、处理和记录，实现了惯性制导系统温控电路的实时监测。
介绍：
本文根据监测精度的需要，设计了精密稳定的信号转换电路，将需要监测的电阻、电流和系统状态信号转化为适当的电压信号；并根据监测任务的需要选择合适的数据采集设备，对电压信号进行采集，软件采用LabVIEW实现，受益于labVIEW对NI数据采集产品的完美支持，可以很方便的实现数据的显示、处理和记录等功能。
正文：
引言
惯性制导是利用陀螺仪和加速度表组成的惯性测量装置测量飞行器的运动参数，控制其按预定路线飞行的一种制导方式。整个制导系统一般由惯性测量组合、计算机和执行机构等组成。惯性测量组合是保证制导精度的核心装置，内部装有高精度的测量仪器（包括陀螺仪、加速度表）和相应的模数转换电路，这些器件必须工作在恒定的温度环境下，才能达到高精度的测量要求，因此惯性测量组合内部都设计有精密的温度控制电路。本文所介绍的就是美国国家仪器公司的数据采集产品在某型号惯性制导武器温控电路的实时监测中的应用。
监测对象分析
为了缩短稳定时间、提高控温精度，惯性制导系统温控电路采用多路控温、多级控温的方式，首先采用了温度继电器对系统进行初级控温，待系统温度升高到45℃时温度继电器断开，系统对外输出28V“加温好”指示信号；一级温控和二级温控电路采用PWM（脉宽调制）控制方式，一级温控电路的控温点为52℃，二级温控电路的控温点为60℃，由于一、二级温控之间温度梯度较小，从而保证了最终的控温效果，一级和二级的控温电路监测主要通过监测惯性制导系统自带的测温铂电阻阻值和加温电流实现。
综上所述，要完成对温控电路的实时监测，需要对多路电阻、多路电流和“加温好”信号进行采集。对于铂电阻阻值的监测，考虑到电阻初始值较高，而变化量又较小，采用电桥法，输出的微弱电压信号经仪表放大器放大到0~5V之间。由于电流的典型值最大高达18A左右，最小0.2A左右，为保证采集精度，我们选用高精度的霍尔效应线性电流传感器ACS712，选用量程20A的电流传感器监测总加温电流，量程5A的电流传感器监测分路加温电流。“加温好”信号通过电阻分压的方法将其将降为1~3V之间。这样所有的待测信号都转化为0~5V的电压信号。
硬件系统组成
1) 铂电阻阻值监测电路设计
铂电阻阻值监测电路示意图如图1所示。在监测过程中，最多需要监测六路测温铂电阻的阻值，通过继电器控制与驱动电路分别将测温铂电阻作为一个桥臂接入桥式阻值测量电路，铂电阻阻值的变化产生的电压信号，经仪表放大器AD620放大后送入数据采集设备。
2) 电流监测电路设计
电流监测电路如图2所示。在监测过程中，最多需要监测四路加温电流，所以我们选用了四片Allegro公司的高精度的霍尔效应线性电流传感器ACS712，其输出电压正比于交/直流电流输入，在室温下其输出误差小于1.5%，精度完全能够满足总电流
3) “加温好”信号监测电路设计
“加温好”信号是由惯性制导系统初级加温达到
图中，Tok+的输出为0V、1.33V，经过分压后的电压信号更加方便数据采集设备的处理。
4) 数据采集设备的选择
l 精度
铂电阻阻值监测精度分析
铂电阻的阻值计算公式：
R(t)=R(
式中：
R(t)——温度为t时铂电阻的阻值；
t——温度；
R(
A——3.90802×10
B——-5.80195×10
根据公式计算可得到
R（
R（
R（
R（
由于监测都在室温下进行，我们将温度监测的低点设为25℃，高点设为75℃，并保证0.1℃的监测精度。将图1中的R取549Ω，则温度在25℃~75℃之间时，输出的电压信号在0~200mV之间，则放大倍数G=19.93（RG=2.61kΩ）时可输出0~4V的电压信号。由于R与T近似线性关系，也即Ｒ也需要1/500的相对精度，但由于输出电压与R是非线性关系,当R变化1/500时，
根据R与电压的关系可得：
Ｕ1=G*(2.5-549*5/(R+549))
U2=G*(2.5-549*5/（R+R/500+549）)
ΔU=U2-U1=G*(2.5-549*5/（R+R/500+549）-2.5+549*5/(R+549))=5.49*G*R/((R+549)(R+R/500+549))
当R在548.7~644.9Ω之间时ΔU在49.6~50mV之间,因此数据采集卡在量程为0~5V时应具有不大于49.6mV的绝对精度。
根据电流传感器输出电压的灵敏度，量程为20A的电流传感器灵敏度为100mV/A，输出电压范围0.5Ｖ~2.5V；量程为5A的电流传感器灵敏度为185mV/A，输出电压范围1.575~2.5V；同时还需监测+5V（DAQ）精密电压基准以方便对电流传感器输出电压进行校准，因此数据采集卡在量程为0~5V时应具有不小于100mV的绝对精度。
“加温号”信号只需监测其有无，无精度要求。
l 采样速率
本应用对采样速率无特殊要求，不小于100S/s的采样速率即可满足要求。
l 模拟输入通道
三路差分模拟输入通道分别用来精确测量铂电阻阻值、加温电流、+5V（DAQ）精密电压基准；一路模拟或数字输入通道用来监测“加温号”信号的有无，当选用数字输入通道时，图3中的R26应换用10k电阻，R27应不大于1k，否则无法将数字输入通道拉低到零。
l 数字I/O
能输出六路铂电阻通道切换控制信号和四路电流传感器输出电压通道切换控制信号，共需十路（并行控制）数字I/O，或者四路（串行控制，需要译码器配合）数字I/O。
根据上述要求我们选用美国国家仪器公司的便携式多功能数据采集设备NI USB-6008, NI USB-6008具有10kS/s采样速率、12位分辨率，8路模拟输入、2路模拟输出，12路数字I/O，1个32位的数字计数器，功能全面，性能适中，具有很高的性价比。NI USB-6008在量程为±5V的差分工作模式下，绝对精度可达4.28mV，完全可以满足监测的需要。
软件及界面设计
软件程序流程图如图4所示，程序初始化后首先进行系统配置，选择测试项目，输入产品信息和测试信息等测试必需的配置选项，然后即可开始采集工作，此时NI USB-6008被配置为四路差分模拟输入通道，分别对电阻、电流、基准电压、“加温好”信号进行采集，而P0和P1口被用来控制多路电阻和电流的切换。数据被实时的显示在前面板上，数据的其他处理在后台进行。达到设定的监测时间或用户终止采集后结束采集，生成测试报表，表中的控温精度是根据标准偏差算法求得，计算公式如下：
其中， 为样本的平均值，n为样本个数。测试报表共给出了25分钟、30分钟、35分钟、40分钟时的控温精度，用以衡量本路控温电路的稳定性。数据预览无误后可保存或打印输出。
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