基于LabVIEW的重力儀仿真與測試系統設計

摘要：介紹基于LabVIEW的虛擬重力儀的設計，它是由數據采集卡采集外部信號，通過軟件編程實現儀器的顯示及測量等功能。該虛擬重力儀主要由數據采集、數字濾波、參數測量、頻譜分析、功率譜分析和波形存儲及讀取模塊組成，具有傳統儀器所沒有的許多優點，如能保存波形及測量結果、成本低廉，可以根據需要進行功能拓展等。實驗證明，該虛擬重力儀運行可靠、性能良好和結果正確。
關鍵詞：虛擬儀器；重力儀；LabVIEW；軟件編程

重力儀是用于測量重力的專業儀器，傳統的重力儀外型笨重、功能單一，數字重力儀雖然有一定的功能擴展，但價格昂貴，而且這些儀器加工工藝復雜、對制造水平要求很高，生產突破有困難。虛擬儀器的出現改變了這一局面，虛擬重力利用計算機系統強大的數據處理能力，利用軟件完成數據的采集、控制、數據分析和處理以及測試結果的顯示等，大大突破了傳統儀器在數據處理、顯示、傳送、存儲等的限制，使用戶可以方便地對儀器進行維護、擴展和升級，而且虛擬重力儀比傳統重力儀節約了許多成本，具有很高的性價比。本文介紹虛擬重力儀的設計，用圖形化編程語言LabVIEW實現虛擬示波器的數據采集、波形顯示、數字濾波、參數測量、頻譜分析、功率譜分析以及數據存儲和回放等功能。實驗證明，該虛擬重力儀可以實現對采樣信號的顯示、分析、存儲等操作并且結果正確、可靠，功能比傳統儀器強大。

1 虛擬示波器的結構
根據實際重力儀傳感器的特點，以及動基座下重力儀工作的特點，設計了重力儀模擬器，用于模擬運動基座下重力儀的測量輸出。
重力儀模擬器的框圖如圖1所示。

效應、量測噪聲等因素的影響。在模擬仿真中需要對這些因素進行仿真設計。模擬器運行時，首先需要規劃載體航跡和重力值。在航跡規劃中，設定每段路程航向、航速、經歷的時間。規定完載體運動航跡后，便可得到每一點的正常重力值。由于海洋重力儀傳感器采用相對重力測量法進行重力測量，其敏感量為實測點重力值與重力基點重力的差值。因此，重力圖生成中，只需要設定當前重力與初始點位置的重力差，即重力輸入信號取△g=g-g0。海洋中進行重力測量不可避免受到海浪、載體運動等造成的干擾加速度的影響。根據分析，干擾垂直加速度具有似周期性的特點，并且與重力加速度的頻率和幅值有明顯的差異。因此在模擬器中，垂直方向上干擾加速度可以寫為：R=R0sinωt。R0為輸入干擾加速度的幅值，ω為干擾加速度的角頻率。
效應造成的重力偏差與載體航向、航速、載體所處緯度有關。該值通過計算當前位置的航向、航速和緯度求得。實時處理系統的硬件主要包括數字信號處理器及其外圍電路、A／D轉換模塊、串行通信接口模塊等。其中，微處理器模塊控制系統的運行，完成數據的處理。 A／D轉換模塊完成模擬信號到數字信號的轉換，實現重力信號的采集。串口通信模塊主要完成微處理器與導航計算機通信，實現外界信息的獲取以及相關數據上傳。系統上電以后，啟動A／D轉換采集重力儀的輸出信號，并同時接收精確定位數據信息和水深信息。系統的數據處理軟件將對采集到的重力儀信號進行干擾加速度影響消除，重力儀自身誤差改正，最后根據定位數據和水深數據對濾波后的重力信息進行改正，如改正和吃水改正。其中，改正需要和重力信號采集相互匹配，從而獲取實時重力數據。數據處理結果通過串行通信接口上傳到重力輔助導航計算機，由該計算機完成重力輔助導航的相關解算。系統結構圖如圖2所示。