王 勇，田 葳，楊 雷

（1.河南科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，洛陽 471023；2.河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，洛陽 471023）

專用測試設(shè)備系統(tǒng)級校準(zhǔn)功能的設(shè)計與實現(xiàn)

王 勇1，田 葳1，楊 雷2

（1.河南科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，洛陽 471023；2.河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，洛陽 471023）

0 引言

國防工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)中，專用測試設(shè)備大量應(yīng)用于軍工電子產(chǎn)品的質(zhì)量控制、性能評價及功能驗證，其準(zhǔn)確與可靠性是判斷和評價被測產(chǎn)品質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。專用測試設(shè)備通常由信號采集、信號調(diào)理與變換、顯示等環(huán)節(jié)構(gòu)成，而校準(zhǔn)功能往往只針對各個環(huán)節(jié)中的核心部件（如電源、數(shù)據(jù)采集卡、通信板卡等）單獨進行。這樣容易造成各分部件校準(zhǔn)合格，但系統(tǒng)集成后累計誤差難以估算，從而影響設(shè)備整體測試的準(zhǔn)確性[1]?；谧钚《朔ㄔ砗吞摂M儀器測試技術(shù)，采用手、自動結(jié)合的方式對專用測試設(shè)備進行系統(tǒng)級校準(zhǔn)是可行和必須的[2,3]。

1 系統(tǒng)級校準(zhǔn)原理與組成

在專用設(shè)備中，對模擬輸入（以下簡稱AI）信號的測試是常規(guī)檢測項目之一，這里以AI校準(zhǔn)為例介紹系統(tǒng)級校準(zhǔn)的原理及組成。在不同的測試設(shè)備里，AI信號幅值隨功能的不同而不同，例如某發(fā)控電源板待測供電電壓為±28V，某彈射裝置中待測“音響”信號為15V的方波等。AI信號的檢測與系統(tǒng)校準(zhǔn)原理如圖1所示，開關(guān)S接通A端，系統(tǒng)處于正常檢測狀態(tài)，待測AI信號經(jīng)信號調(diào)理電路送入AD數(shù)據(jù)采集卡，再利用計算機程序進行自動化檢測。AD采集卡所允許的輸入電壓測量范圍一般為-10V～+10V，對于超出此范圍的AI信號需要進行線性衰減。為了消除測試設(shè)備對待測產(chǎn)品的干擾，往往要求測試過程中二者之間進行電氣隔離。信號調(diào)理電路一方面能夠?qū)Υ郎yAI信號進行線性衰減或放大，另一方面用于實現(xiàn)測試設(shè)備與待測產(chǎn)品之間的光電隔離?？梢?，在專用設(shè)備中，數(shù)據(jù)采集卡的輸入端一般并非直接與待測產(chǎn)品的輸出端相連，而是經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)接。傳統(tǒng)對AI信號的校準(zhǔn)僅僅是對數(shù)據(jù)采集卡的校準(zhǔn)，但是，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，即使數(shù)據(jù)采集卡校準(zhǔn)合格，而測試系統(tǒng)整體必然會因調(diào)理電路等的存在而引入其他系統(tǒng)誤差。因此，校準(zhǔn)必須針對測試系統(tǒng)整體進行，如圖1所示，開關(guān)S接通B端，系統(tǒng)處于校準(zhǔn)狀態(tài)，從測試設(shè)備校準(zhǔn)面板區(qū)的AI端子，分時輸入一組標(biāo)準(zhǔn)信號，上位工控機采集到后，根據(jù)最小二乘法，編寫校準(zhǔn)軟件進行數(shù)據(jù)的處理，從而完成AI檢測的系統(tǒng)級校準(zhǔn)。

2 最小二乘法原理

表1 兩變量x、y相關(guān)聯(lián)實驗數(shù)據(jù)示意

中的a、b分別求偏導(dǎo)得：

3 最小二乘法在系統(tǒng)校準(zhǔn)中的應(yīng)用

當(dāng)專用測試設(shè)備狀態(tài)切換至正常測試時，待測輸入信號經(jīng)設(shè)備測試后得到初始測量值x0，將x0帶入經(jīng)驗公式，便可得到校準(zhǔn)修正后的精確測量數(shù)據(jù)y0，完成校準(zhǔn)功能。

3.1 校準(zhǔn)功能上位機軟件設(shè)計

校準(zhǔn)功能上位機軟件以NI公司LabWindows/CVI為平臺進行開發(fā)[7]，主要功能包括以下三點：1)完整記錄多組標(biāo)準(zhǔn)輸入與實測電壓值；2)進行最小二乘法線性擬合，得出輸入與實測電壓值之間的經(jīng)驗公式；3)保存經(jīng)驗公式中的a、b參數(shù)，以供正常測試過程中調(diào)用。軟件設(shè)計流程如圖2所示，程序代碼這里不再贅述。

3.2 校準(zhǔn)過程及實驗結(jié)果

圖2 校準(zhǔn)功能軟件編寫流程圖

某設(shè)備校準(zhǔn)功能設(shè)計完成后，對其中的一路AI信號進行了校準(zhǔn)測試。這里以該設(shè)備中一路測量范圍為±15V的AI通道的校準(zhǔn)為例，來說明AI測試的系統(tǒng)級校準(zhǔn)過程。將測試系統(tǒng)切換至校準(zhǔn)狀態(tài)，如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)源電壓信號加至AI校準(zhǔn)端子，在上位機校準(zhǔn)軟件界面里，如圖3所示，選擇對應(yīng)通道號，輸入已知標(biāo)準(zhǔn)電壓值，點擊“測試”按鈕，則通過調(diào)理電路、AD數(shù)據(jù)采集卡，獲取測量電壓并顯示，同時按序號記錄在左側(cè)表格中。為保證在整個測量范圍內(nèi)，AI信號均能夠準(zhǔn)確校準(zhǔn)，從-15V到+15V電壓，每次增加1V電壓，手動調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)源電壓輸出幅值，重復(fù)31次上述測量并記錄，所得全部數(shù)據(jù)如圖3所示，可見測量值與標(biāo)準(zhǔn)輸入值存在一定偏差。以測量值為自變量x，以標(biāo)準(zhǔn)源電壓為因變量y，點擊圖3中的“線性擬合”按鈕，對等精度測量得到的原始數(shù)據(jù)進行最小二乘法線性擬合運算，可求得經(jīng)驗公式，如圖3所示，式中a=1.01，b=0.002 。

圖3 AI系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件界面及原始測量數(shù)據(jù)

當(dāng)系統(tǒng)切換至正常檢測狀態(tài)時，從該AI通道輸入待測信號，幅值記為Ui，上位機軟件實測電壓為，用校準(zhǔn)結(jié)果對實測數(shù)據(jù)進行修正，得到校準(zhǔn)修正后的測量值為Uo，則：

以式（5）為依據(jù)對測量數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)修正，得到實驗數(shù)據(jù)如表2所示，對比校準(zhǔn)前后數(shù)據(jù)可知，采用該系統(tǒng)級校準(zhǔn)方法，顯著提高了對信號的測量精度。

表2 AI系統(tǒng)校準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

基于最小二乘法一元線性回歸分析理論，借助虛擬儀器設(shè)計軟件LabWindows/CVI強大的數(shù)據(jù)分析與處理功能，提出了一種專用測試設(shè)備系統(tǒng)級校準(zhǔn)功能的實現(xiàn)方法。該設(shè)計方案已在某導(dǎo)彈彈射裝置測試平臺、某發(fā)控盒組件測試平臺等設(shè)備中得到應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法只能針對部分核心部件進行，而難以對系統(tǒng)集成后設(shè)備整體進行校準(zhǔn)的缺點，顯著提高了測試設(shè)備的測量精度，得到了設(shè)備使用方的一致認(rèn)可。

[1]任代蓉,蔣成,胡學(xué)海.基于虛擬儀器技術(shù)的航空測試設(shè)備的設(shè)計及校準(zhǔn)[J].測控技術(shù),2011,30(11):25-28.

[2]譚灰慶,孟升衛(wèi),尹洪濤. VME數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計與校準(zhǔn)方法研究[J].電子測量技術(shù),2011,31(4):77-80.

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Design and implement of system-level calibration function for special test equipments

WANG Yong1, TIAN Wei1, YANG Lei2

為解決常規(guī)校準(zhǔn)只能針對部分核心部件進行，而難以對系統(tǒng)集成后設(shè)備整體進行校準(zhǔn)的缺點，基于最小二乘法一元線性回歸分析理論，借助虛擬儀器設(shè)計軟件Labwindows/CVI強大的數(shù)據(jù)分析與處理功能，提出了一種專用測試設(shè)備系統(tǒng)級校準(zhǔn)功能的實現(xiàn)方法。介紹了硬件組成、最小二乘法原理、軟件實現(xiàn)方式和校準(zhǔn)過程。該設(shè)計已在多臺專用測試設(shè)備中得到應(yīng)用，實驗和實際運行效果均表明，顯著提高了測試設(shè)備的測量精度。

校準(zhǔn)；最小二乘法；測試設(shè)備；Labwindows/CVI

王勇（1979 -），男，河南淮濱人，講師，碩士，研究方向為應(yīng)用電子電路開發(fā)與設(shè)計。

TP23

A

1009-0134(2014)06(上)-0095-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).28

2014-03-19

國家自然科學(xué)基金（61101167）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目（14A510003）