基于LabVIEW的重力仪仿真与测试系统设计

摘要：介绍基于LabVIEW的虚拟重力仪的设计，它是由数据采集卡采集外部信号，通过软件编程实现仪器的显示及测量等功能。该虚拟重力仪主要由数据采集、数字滤波、参数测量、频谱分析、功率谱分析和波形存储及读取模块组成，具有传统仪器所没有的许多优点，如能保存波形及测量结果、成本低廉，可以根据需要进行功能拓展等。实验证明，该虚拟重力仪运行可靠、性能良好和结果正确。
关键词：虚拟仪器；重力仪；LabVIEW；软件编程

重力仪是用于测量重力的专业仪器，传统的重力仪外型笨重、功能单一，数字重力仪虽然有一定的功能扩展，但价格昂贵，而且这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求很高，生产突破有困难。虚拟仪器的出现改变了这一局面，虚拟重力利用计算机系统强大的数据处理能力，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级，而且虚拟重力仪比传统重力仪节约了许多成本，具有很高的性价比。本文介绍虚拟重力仪的设计，用图形化编程语言LabVIEW实现虚拟示波器的数据采集、波形显示、数字滤波、参数测量、频谱分析、功率谱分析以及数据存储和回放等功能。实验证明，该虚拟重力仪可以实现对采样信号的显示、分析、存储等操作并且结果正确、可靠，功能比传统仪器强大。

1 虚拟示波器的结构
根据实际重力仪传感器的特点，以及动基座下重力仪工作的特点，设计了重力仪模拟器，用于模拟运动基座下重力仪的测量输出。
重力仪模拟器的框图如图1所示。

效应、量测噪声等因素的影响。在模拟仿真中需要对这些因素进行仿真设计。模拟器运行时，首先需要规划载体航迹和重力值。在航迹规划中，设定每段路程航向、航速、经历的时间。规定完载体运动航迹后，便可得到每一点的正常重力值。由于海洋重力仪传感器采用相对重力测量法进行重力测量，其敏感量为实测点重力值与重力基点重力的差值。因此，重力图生成中，只需要设定当前重力与初始点位置的重力差，即重力输入信号取△g=g-g0。海洋中进行重力测量不可避免受到海浪、载体运动等造成的干扰加速度的影响。根据分析，干扰垂直加速度具有似周期性的特点，并且与重力加速度的频率和幅值有明显的差异。因此在模拟器中，垂直方向上干扰加速度可以写为：R=R0sinωt。R0为输入干扰加速度的幅值，ω为干扰加速度的角频率。
效应造成的重力偏差与载体航向、航速、载体所处纬度有关。该值通过计算当前位置的航向、航速和纬度求得。实时处理系统的硬件主要包括数字信号处理器及其外围电路、A／D转换模块、串行通信接口模块等。其中，微处理器模块控制系统的运行，完成数据的处理。 A／D转换模块完成模拟信号到数字信号的转换，实现重力信号的采集。串口通信模块主要完成微处理器与导航计算机通信，实现外界信息的获取以及相关数据上传。系统上电以后，启动A／D转换采集重力仪的输出信号，并同时接收精确定位数据信息和水深信息。系统的数据处理软件将对采集到的重力仪信号进行干扰加速度影响消除，重力仪自身误差改正，最后根据定位数据和水深数据对滤波后的重力信息进行改正，如改正和吃水改正。其中，改正需要和重力信号采集相互匹配，从而获取实时重力数据。数据处理结果通过串行通信接口上传到重力辅助导航计算机，由该计算机完成重力辅助导航的相关解算。系统结构图如图2所示。

系统的数字信号处理器选用TMS320VC6713，该DSP是目前性价比最高的浮点处理器之一，适合于数据的高速处理。它是迄今为止TI公司推出的最快浮点处理器。TI公司6000系列的DSP最主要的特点是体系结构上采用VelociTI甚长指令(VLIM)结构，由一个超长的机器指令字来驱动内部多个功能单元。每个指令字包含多个字段(指令)，字段之间相互独立，各自控制一个功能单元，因此可以单周期发射多条指令，实现很高的指令级并行效率。此外还具有以下特点：16位／3z位／64位高性能外部存储器接口(EMIF)提供了与SDRAM、SBSRAM和SRAM等同步／异步存储器直接接口；具有VelociTI先进VLIM内核结构；具有类是RISC的指令值；片内集成多种集成外设；内置灵活的PLL索相时钟电路；支持IEEE-1149．1(JTAG)边界扫描接口；内核采用1．2 V／1．5 V／1．8 V供电，周围I／O采用3．3 V供电；0．12～0．18μm CMOSZ工艺，5／6层金属处理；BGA球栅阵列封装。
根据海洋重力测量数据处理方法，在对某点重力观测值进行处理，得到该点实际重力值的过程中，需已知观测点的位置、水深以及载体的速度、航向等信息。因此，系统首先要实现既能对重力仪信号进行高精度的A／D转换和数据采集，又能实现与定位、水深设备的对接，即实现重力数据、定位数据及水深数据的同步采集。其次，同步采集的重力测量数据要经过低通数字滤波、重力修正等方法的处理才能得到比较精确的重力值，这就要求系统同时具有较好的在线处理速度。

2 模拟器软件流程
通过模拟器设计完成海洋重力数据输出的任务。在设计中，本文考虑到在海洋中进行重力采集各种因素，并通过软件设计将其模拟出来。重力数据采用定时结构产生，通过D／A卡将其转换为连续电压输出信号。其软件流程图如图3所示。