張玉琴 李盤文 中航工業(yè)飛行試驗(yàn)研究院測(cè)試技術(shù)研究所

飛行試驗(yàn)應(yīng)變參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張玉琴 李盤文 中航工業(yè)飛行試驗(yàn)研究院測(cè)試技術(shù)研究所

針對(duì)目前機(jī)上應(yīng)變參數(shù)校準(zhǔn)采用手動(dòng)單通道效率較低，易出現(xiàn)人為誤差的現(xiàn)狀，應(yīng)變參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)在C++ Builder平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，采用Pickering公司的6通道40-265可編程應(yīng)變模擬卡，通過(guò)以太網(wǎng)將KAM500采集器的數(shù)據(jù)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)變量的自動(dòng)加載、校線自動(dòng)生成、存儲(chǔ)等。

自動(dòng)校準(zhǔn)；應(yīng)變；UDP；C++ Builder

1.概述

應(yīng)變參數(shù)用于飛機(jī)，是飛行試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和載荷課題所需測(cè)試的重要參數(shù)之一，為了全面的檢查飛機(jī)在受載情況下結(jié)構(gòu)及附件的承載能力，在飛行試驗(yàn)中需要測(cè)試大量的結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)，一架試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變參數(shù)有幾百甚至上千個(gè)，對(duì)于這幾百上千個(gè)應(yīng)變參數(shù)的校準(zhǔn)，傳統(tǒng)的方法是采用手動(dòng)單通道操作，校準(zhǔn)過(guò)程中人為誤差不可避免，而且效率低下，因此，為了飛行試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性、高效性，需在現(xiàn)有校準(zhǔn)設(shè)備的基礎(chǔ)上建設(shè)自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)。

應(yīng)變參數(shù)自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，通過(guò)Pickering公司的40-265板卡加載信號(hào)，經(jīng)過(guò)采集器后的PCM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，校準(zhǔn)結(jié)果以數(shù)字、曲線及報(bào)告形式輸出。此系統(tǒng)提高了應(yīng)變參數(shù)校準(zhǔn)的效率與準(zhǔn)確度，在一定程度上為試飛工作的可靠性及及時(shí)性提供了保證。

2.應(yīng)變參數(shù)校準(zhǔn)原理

應(yīng)變測(cè)量電路有1/4橋、半橋和全橋。校準(zhǔn)中一般以1/4橋應(yīng)變模擬器對(duì)測(cè)試通道進(jìn)行校準(zhǔn)，它的測(cè)量電路如圖1所示，經(jīng)

圖1 1/4應(yīng)變電橋測(cè)量電路

根據(jù)金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)，電阻值的變化和應(yīng)變之間的公式關(guān)系為：

k為金屬應(yīng)變靈敏度，它的取值范圍為1.7～3.6[1]。

3.應(yīng)變參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)構(gòu)成

應(yīng)變參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)是由程控應(yīng)變模擬器、校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器（KAM500等）、PCM檢查計(jì)算機(jī)構(gòu)成，組成示意圖見(jiàn)圖2。

程控應(yīng)變模擬器通過(guò)一個(gè)3U4槽cPCI機(jī)箱來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要由Pickering公司的型號(hào)為 40-265的6通道應(yīng)變模擬卡、橋接板和220V的電源模塊組成。40-265卡包含6路獨(dú)立的應(yīng)變電橋塊，激勵(lì)電壓可選外部或內(nèi)部激勵(lì)，電橋回路包含三個(gè)350Ω的固定電阻和一個(gè)變化范圍為±1%的可編程電阻，通過(guò)可控開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)1/4橋、半橋和全橋回路。板卡的用戶校準(zhǔn)通過(guò)一個(gè)外部的DMM連接到校準(zhǔn)端口——即一個(gè)UUT接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)通過(guò)一個(gè)PCM express卡和40-265板卡連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)板卡的控制。

40-265 應(yīng)變模擬卡的輸出電壓經(jīng)過(guò)機(jī)上測(cè)試電纜后由KAM/KAM4000/770采集器實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的PCM 數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)SAM/007卡的上傳到檢查計(jì)算機(jī)，再經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到校準(zhǔn)筆記本，形成閉環(huán)鏈路，將應(yīng)變物理量和PCM碼值自動(dòng)錄入Excel表格，生成校線。

4. 軟件設(shè)計(jì)方案

應(yīng)變測(cè)試多通道自動(dòng)校準(zhǔn)軟件基于C++ Builder 6.0平臺(tái)開(kāi)發(fā)，它由四個(gè)模塊組成：任務(wù)準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、調(diào)試計(jì)量、幫助，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變模擬卡的控制、PCM數(shù)據(jù)的接收、校線的生成、板卡計(jì)量等功能。校準(zhǔn)流程圖如圖3所示。

4.1 任務(wù)準(zhǔn)備模塊

任務(wù)準(zhǔn)備模塊的功能為：任務(wù)描述、校準(zhǔn)參數(shù)錄入等。校準(zhǔn)任務(wù)描述信息的主要內(nèi)容包括校準(zhǔn)文件中的基本信息如飛機(jī)型號(hào)、機(jī)號(hào)、校準(zhǔn)人員等，以及經(jīng)由采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)包的幀定義信息。校準(zhǔn)參數(shù)在任務(wù)準(zhǔn)備階段可以動(dòng)態(tài)地添加和刪減，并在參數(shù)列表中顯示，參數(shù)信息中數(shù)據(jù)包的幀地址、字地址是為了正確的取回各參數(shù)對(duì)應(yīng)的采集后的數(shù)據(jù)，根據(jù)校準(zhǔn)值的上下限、校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)可以計(jì)算出各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的應(yīng)變值，再依據(jù)公式（1）可計(jì)算出可變電阻的阻值。任務(wù)準(zhǔn)備模塊可在校準(zhǔn)前實(shí)驗(yàn)室提前準(zhǔn)備，所有信息以工程文件的形式保存，現(xiàn)場(chǎng)可直接調(diào)用，軟件界面如圖4所示。

圖2 應(yīng)變自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)組成示意圖

圖3 校準(zhǔn)流程圖

圖4 任務(wù)準(zhǔn)備模塊界面

圖5 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)模塊界面

4.2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)模塊

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)模塊主要包括對(duì)應(yīng)變電橋模擬板卡的控制、PCM數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)結(jié)果的保存、校準(zhǔn)結(jié)果精度的計(jì)算等。

（1）應(yīng)變電橋模擬板卡的控制部分

對(duì)應(yīng)變電橋模擬板卡40-265的控制是通過(guò)其面向Borland C++的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制指令實(shí)現(xiàn)板卡的開(kāi)啟關(guān)閉、通道的設(shè)置、可變電阻值的寫入等。通道的設(shè)置包括激勵(lì)端方式（外部激勵(lì)或者內(nèi)部激勵(lì)）和全橋或半橋電路的選擇。板卡的EEPROM中提供了標(biāo)定后電橋的固定電阻R的阻值，同時(shí)可變電阻設(shè)置后的值可以返回，這使得應(yīng)變信號(hào)的加載更加準(zhǔn)確。

DWORD PIL_WriteSub（DWORD CardNum，DWORD OutSub，DWORD*Data）； //電橋設(shè)置

DWORD PIL_ReadCalFP(DWORD CardNum，DWORD OutSub，DWORD Store，DWORD Offset，DWORD NumValue，double *Data）； //讀取固定電阻的阻值

DWORD PIL_ResSetResistamce（DWORD CardNum，DWORD OutSub，DWORD Mode，double *Data）； //設(shè)置可變電阻阻值

DWORD PIL_ResGetResistamce（DWORD CardNum，DWORD OutSub，double *Data）； //返回設(shè)置的可變電阻阻值，以檢驗(yàn)實(shí)際的電阻設(shè)置

（2）PCM數(shù)據(jù)通訊

采集器輸出的PCM數(shù)據(jù)到校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的傳輸采用的協(xié)議為UDP 協(xié)議。在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，有TCP (傳輸控制協(xié)議,Transport Control Protocol)、UDP (用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議, User Data Protocol) 兩種傳輸層最重要的協(xié)議。TCP協(xié)議是面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，在正式通信前必須通過(guò)三次握手建立起連接，具有超時(shí)和重傳機(jī)制。而UDP協(xié)議是非面向連接的不可靠的傳輸機(jī)制，在通信前不需要先建立連接，不提供報(bào)文的確認(rèn)，傳輸速度塊。根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，客戶端（PCM檢查計(jì)算機(jī)）和主機(jī)端（校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)）之間并不需要事先連接，客戶端可以在采集器打開(kāi)后就開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包，主機(jī)端只在需要時(shí)將PCM數(shù)據(jù)包取回即可，而且單個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)包，幾個(gè)數(shù)據(jù)包出現(xiàn)壞包情況只需丟掉即可，不需重發(fā)，所以在本系統(tǒng)中選用了UDP傳輸協(xié)議。

在C++ Builder 6.0 平臺(tái)上，基于UDP的數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)發(fā)方式有兩種，一種是通過(guò)Windows API函數(shù)，另一種是利用開(kāi)發(fā)組件即NMUDP控件，本文采用了后者。 在控件屬性中設(shè)置IP地址，端口號(hào)等信息，當(dāng)收到數(shù)據(jù)包時(shí)觸發(fā)函數(shù)NMUDP1DataReceived（）。

（3）基于OLE的數(shù)據(jù)結(jié)果保存

根據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范，校準(zhǔn)結(jié)果最終需要以Excel格式存儲(chǔ)，利用C++ Builder6.0具備的OLE Server功能，可在其平臺(tái)上創(chuàng)建控制端應(yīng)用程序來(lái)驅(qū)動(dòng)EXCEL軟件，主要實(shí)現(xiàn)Excel校準(zhǔn)模板文件的導(dǎo)入、單元格中數(shù)據(jù)的的輸入、文件的保存等。

ExcelWorkBook1->ConnectTo()； //導(dǎo)入模板文件

ExcelWorkBook1->GetRange()->cells->SetValues()； //寫入單元格

ExcelWorkBook1->SaveAs()； //保存文件

（4）校準(zhǔn)精度的計(jì)算

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)1692，運(yùn)用回歸分析法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試儀器校準(zhǔn)試驗(yàn)得到的N組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（xi,yi）（1，2，…，N）,利用最小二乘法，通過(guò)逐次回歸確定出描述變量Y（輸出兩）與X（輸入量）之間相關(guān)關(guān)系的回歸多項(xiàng)式。

其中R為多項(xiàng)式中的最高方次，N>>R，本文中R取值為2。

作為表征校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)曲線離散程度的指標(biāo)，子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差S值的公式為：

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的界面如圖5所示，用戶調(diào)用提前設(shè)置的校準(zhǔn)任務(wù)文件，然后選擇設(shè)置校準(zhǔn)參數(shù)組（小于等于6個(gè)參數(shù)），并定義每個(gè)參數(shù)與校準(zhǔn)通道對(duì)應(yīng)關(guān)系。然后啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)按鈕，校準(zhǔn)儀會(huì)完成校準(zhǔn)全過(guò)程。校準(zhǔn)完后，現(xiàn)場(chǎng)顯示校準(zhǔn)結(jié)果（校準(zhǔn)點(diǎn)隊(duì)、校準(zhǔn)曲線、誤差分析等）。用戶確定結(jié)果后，按壓“保存”按鈕，則結(jié)果自動(dòng)保存。

5. 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)變測(cè)試多通道校準(zhǔn)自動(dòng)系統(tǒng)建立在傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)，提高了校準(zhǔn)效率和可靠性。

[1]傳感器原理及工程應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社.2004

[2]GJB1692 - 93. 試飛測(cè)試儀器校準(zhǔn)規(guī)范[S]. 1992

[3]樊尚春,等. 航空測(cè)試系統(tǒng)[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社. 2005

[4]C++ Builder 6徹底研究[M].中國(guó)鐵道出版社.2003

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.090