摘   要： 針對自主研制激光跟蹤測量系統(tǒng)的校準需求,，基于虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LabWindows/CVI,，設計了面向測量用戶的校準軟件。該軟件能夠按要求對測量數(shù)據(jù)進行分析與處理,，實現(xiàn)了激光跟蹤測量系統(tǒng)重要校準項目的自動化,。
關鍵詞： LabWindows/CVI； 激光跟蹤,； 校準軟件

    自主研制的激光跟蹤測量系統(tǒng)通過激光測距和精密測角實現(xiàn)對空間目標的坐標測量,。作為一個精密測角測距儀器，激光跟蹤測量系統(tǒng)在出廠之前需要進行相應的校準,，以獲得儀器內(nèi)部光學系統(tǒng),、機械結(jié)構(gòu)、伺服系統(tǒng)的相關參數(shù),，并對儀器測量精度進行評估,。為了使儀器校準過程簡捷有效，開發(fā)通用型的校準軟件很有必要,。LabWindows/CVI是由美國NI公司推出的一種虛擬儀器軟件開發(fā)工具,，為熟悉C語言的技術開發(fā)人員在測控領域建立計算機儀器系統(tǒng)-虛擬儀器，提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。該軟件的應用領域極其廣泛,，涵蓋了軍工、電訊,、工業(yè)生產(chǎn)和航天等各種行業(yè)[1-2],。本文應用虛擬儀器技術，為自主研制的激光跟蹤測量系統(tǒng)開發(fā)了基于LabWindows/CVI的校準軟件,。
1 系統(tǒng)組成與校準內(nèi)容
    激光跟蹤測量系統(tǒng)的硬件主要包括跟蹤測量單元（包括跟蹤頭,、支架等）、電控單元（包括電控箱,、環(huán)境傳感器等）,、主控計算機和測量附件（包括角反射器、標準桿,、磁性基座等）,，如圖1所示。其中,，跟蹤頭是激光跟蹤測量系統(tǒng)的核心單元,，其集激光測距儀（干涉測距與絕對測距）和光電經(jīng)緯儀于一體，可同時實現(xiàn)測距,、測角和跟蹤功能,。激光跟蹤測量系統(tǒng)校準的目的是對影響系統(tǒng)測距、測角精度的誤差項進行辨識,，以便進行軟件修正,。按照系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)周期內(nèi)變化程度大小可將分為實驗室校準和現(xiàn)場自校準。其中實驗室校準主要是對IFM激光器,、大氣參數(shù)傳感裝置,、測角光柵碼盤進行校準；現(xiàn)場自校準主要是對Home基準距離,、幾何誤差,、ADM測距進行校準。由于上述某些校準項目對實驗環(huán)境要求較高,，故校準軟件中只涉及Home基準距離,、幾何誤差、ADM測距,、測角光柵碼盤等項目的校準,，另測角精度檢查和系統(tǒng)精度檢測（Bundle test）也將一并放入校準軟件。

2 校準軟件設計
2.1校準軟件整體設計
    校準軟件與激光跟蹤測量系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)實現(xiàn)TCP/IP連接,。軟件運行時,，首先進行設備連接，之后進行校準項目選擇，校準子界面彈出后,，按照提示進行操作,，校準完成后退回主界面進行參數(shù)文件生成與發(fā)送，成功后退出主界面,，從而完成用戶自校準,。校準軟件的操作流程如圖2所示。

2.2校準軟件模塊化設計
2.2.1主界面設計
    校準主界面設計以簡潔實用為原則,，主要功能是實現(xiàn)設備連通,、校準項目選擇、參數(shù)文件生成,、連接狀態(tài)顯示,、實時測量數(shù)據(jù)顯示，如圖3所示,。在未實現(xiàn)設備連接時,，主界面上除了連接和退出按鈕，其他按鈕是鎖定的,，只有點擊了連接按鈕并且電控箱和客戶機的狀態(tài)燈變成綠色時,，其他按鈕可用。測量系統(tǒng)有數(shù)據(jù)輸出時,，數(shù)據(jù)顯示區(qū)的方位角,、俯仰角和距離顯示將同步變化。點擊某個校準項目按鈕時,，將彈出校準項目子界面,，用戶只需按照子界面上的提示進行操作即可，整個過程中其他校準項目按鈕將鎖定直到用戶退出當前校準項目,。

    (1) TCP/IP連接
    校準軟件與設備之間的通信是通過以太網(wǎng)實現(xiàn)的,。LabWindow/CVI提供有用于實現(xiàn)設備間TCP/IP通信的函數(shù)，按照服務對象不同,，大致可以分為三類：服務器函數(shù),、客戶函數(shù)和支持函數(shù)[3]。校準軟件在激光跟蹤測量系統(tǒng)中扮演的是客戶端的角色,，它不但要接收來自跟蹤測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理單元（服務器端）發(fā)送過來的數(shù)據(jù),，還要進行響應，向服務器端發(fā)送數(shù)據(jù),。TCP/IP連接按鈕完成的功能是啟動連接程序后,，根據(jù)設定好的服務器端口號和IP地址進行連接，接收服務器端發(fā)送的數(shù)據(jù)并解算顯示,。連接成功后,，電控箱和客戶機指示燈會變成綠色,，如果服務器端有數(shù)據(jù)，則方位,、俯仰,、距離值將不間斷的刷新顯示，刷新頻率≤1 000 Hz,。TCP/IP校準軟件（客戶機）與數(shù)據(jù)采集處理單元（服務器）的連接過程如圖4所示,。

    (2) 校準項目選擇
    校準軟件有6個項目,分別是ADM測距校準、HOME距離校準,、測角誤差檢查、GEC幾何誤差校準,、測角碼盤校準和Bundle test系統(tǒng)精度檢測,。校準項目按鈕之間是互鎖關系，即點擊任何一個按鈕,，其他項目按鈕將處于不可用狀態(tài)直到退出當前校準項目,。
    (3) 參數(shù)文件生成
    在執(zhí)行某些校準項目后，點擊參數(shù)文件生成按鈕會進入新參數(shù)文件生成流程：載入原始參數(shù)文件-根據(jù)校準項目的執(zhí)行情況計算相應校準參數(shù)-生成新的參數(shù)文件-發(fā)送新的參數(shù)文件至數(shù)據(jù)采集處理單元-保存原始測量數(shù)據(jù)-退出參數(shù)文件生成程序,。
2.2.2 校準項目子界面設計
    由于校準項目較多,，僅以ADM測距校準為例說明子界面的設計。在用戶測量現(xiàn)場,，激光跟蹤測量系統(tǒng)啟動后,，將靶標放置在合適位置，觀察ADM與IFM測距值,，如果兩者相差較多且變化不穩(wěn)定,，則需進行ADM測距校準。采用的方法是與激光跟蹤測量系統(tǒng)自帶的IFM測距進行比對,，使用三次樣條函數(shù)進行誤差曲線擬合,。為保證測量精度，要求測量點數(shù)不低于6點,，全長最多36點,，測量點間隔以1 m為宜。當角度,、距離數(shù)據(jù)符合設定測量點要求時,，測量數(shù)據(jù)變成綠色，提示操作人員該點可以采集,，點擊采集按鈕,，當前數(shù)據(jù)被保存并彈出下一步的操作提示。圖5是ADM測距校準子界面和彈出操作提示,，其他校準項目子界面設計與ADM校準子界面相似,。

2.2.3 校準軟件參數(shù)文件設計
    參數(shù)文件是激光跟蹤測量系統(tǒng)中用來保存伺服控制參數(shù),、誤差修正與校準參數(shù)和其他重要參數(shù)（如激光器校準波長等）的文件。系統(tǒng)在出廠前會給出一個默認的參數(shù)文件,，用于誤差修正,。在系統(tǒng)使用過程中，為了保證系統(tǒng)在現(xiàn)場工作時適應環(huán)境的穩(wěn)定性和可靠性,，參數(shù)文件中的某些數(shù)據(jù)允許用戶根據(jù)需要通過校準軟件進行校準后刷新,。參數(shù)文件按照內(nèi)容分為三部分：參數(shù)區(qū)、參數(shù)說明區(qū)和校準歷史記錄區(qū),。用戶進行校準后,，參數(shù)文件被改動的部分是參數(shù)區(qū)和校準歷史區(qū)。參數(shù)文件的保存格式為文本文件（*.txt）,。圖6為參數(shù)文件示意圖,。

3 校準軟件聯(lián)調(diào)實驗
    在現(xiàn)有激光跟蹤測量系統(tǒng)已研制設備的基礎上，開展校準軟件和數(shù)據(jù)采集處理單元的聯(lián)調(diào)實驗,。所需設備有：計算機兩臺,，數(shù)據(jù)采集與處理單元和連接線若干，其中一臺作為上位機（校準軟件）,，通過網(wǎng)線和數(shù)據(jù)采集與處理單元連接,，另外一臺作為數(shù)據(jù)采集與處理單元的程序刷新設備。實驗內(nèi)容為數(shù)據(jù)連通實驗,，指令傳輸實驗和參數(shù)文件刷新實驗,。數(shù)據(jù)連通實驗是指設備間的TCP/IP連通和測量數(shù)據(jù)解算顯示實驗；指令傳輸實驗是指校準軟件中的控制指令傳輸與執(zhí)行成功回傳實驗,；參數(shù)文件刷新實驗是指校準軟件對數(shù)據(jù)采集與處理單元參數(shù)文件區(qū)的刷新操作實驗,。
    設備連通后，電控箱和客戶機狀態(tài)燈變成綠色,，校準軟件主界面上除了連接按鈕不可用外,，其他按鈕均可進行操作，如圖7所示,。當選擇其中某一項校準項目后,，彈出該項目的操作子界面，此時主界面上其他按鈕不可用（退出按鈕除外）,，直到退出當前子界面,，如圖8所示。用戶執(zhí)行所需要的校準項目后,，即可點擊參數(shù)文件生成按鈕進行新參數(shù)文件的生成,、存儲和發(fā)送。圖9為點擊參數(shù)文件生成后軟件操作過程,。

    針對自主研制激光跟蹤測量系統(tǒng)的校準需求,，設計了基于LabWindows/CVI的面向測量用戶的校準軟件,。測量用戶在激光跟蹤測量系統(tǒng)啟動后，通過校準軟件自動檢查測距測角誤差,，以確定是否需要進行相關項目的校準,。本軟件以人性化的設計為原則，在校準過程中自動指導用戶完成相應項目的校準,，并可對原始測量數(shù)據(jù),、校準參數(shù)進行顯示、存儲等操作,，實現(xiàn)了整個校準過程的自動化和虛擬化,。
參考文獻
[1] 張毅剛,喬立巖. 虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI6.0編程指南[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2002.
[2] 王浩, 齊建宇. 基于Labwindows/CVI的捷聯(lián)慣導測試軟件設計[J]. 航天控制, 2011, 29(2):56-60.
[3] 王建新, 楊世鳳, 隋美麗. LabWindows/CVI測試技術及工程應用[M]. 化學工業(yè)出版社, 2006.