范鳳軍，楊 正，祁士青

（上海精密計量測試研究所，上海 201109）

0 引言

時間頻率計量是研究周期運動或周期現(xiàn)象的特性和量的表征及測量的一門學(xué)科，時間和頻率又是周期運動及其屬性的不同側(cè)面描述和表征［1］。近年來，基于時間間隔測量原理的時差法因其簡便而在長期頻率特性測量中的應(yīng)用日趨普及和廣泛。

星用銣頻標(biāo)是衛(wèi)星飛行和測控的時間基準(zhǔn)，它與導(dǎo)航定位、目標(biāo)探測密切相關(guān)，是衛(wèi)星的關(guān)鍵儀器設(shè)備［2］。日頻率漂移率是星用銣頻標(biāo)長期運行工作的基本特性。隨著衛(wèi)星研制的發(fā)展，需要對多臺星用銣頻標(biāo)同時進(jìn)行測量。如采用單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每臺每天需采集數(shù)據(jù)780個，連續(xù)測量16臺銣頻標(biāo)則需要15d，采集數(shù)據(jù)187 200個，且兩天間的測量間隔無法準(zhǔn)確保證。采用多通道時差數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)可實現(xiàn)多臺星用銣頻標(biāo)的快速測量，該系統(tǒng)的關(guān)鍵是通過脈沖多路開關(guān)實現(xiàn)多路秒信號時差數(shù)據(jù)的自動定時采集，因測量時間持續(xù)15d，故對其可靠性提出了嚴(yán)格的要求。本文對利用計算機(jī)分析軟件和測量儀器程控功能的星用銣頻標(biāo)多通道時差數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了研究。

1 硬件系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用時頻實驗室已有的硬件設(shè)備，添置部分設(shè)備，編制一套時差數(shù)據(jù)自動化采集軟件實現(xiàn)16臺星用銣頻標(biāo)長期頻率特性的同時測量。

星用銣頻標(biāo)多通道時差數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)參考源、被校星用銣頻標(biāo)秒信號脈沖多路開關(guān)和數(shù)據(jù)采集處理三部分組成。標(biāo)準(zhǔn)參考源為時間頻率實驗室已有的氫鐘；分頻鐘輸出被校星用銣頻標(biāo)產(chǎn)生1個秒信號；計算機(jī)程控分析軟件程控脈沖多路開關(guān)和時差數(shù)據(jù)采集器，進(jìn)行通道切換和時差數(shù)據(jù)的采集及處理。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System block diagram

與單通道測試相比，多通道時差數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)增加了脈沖多路開關(guān)和若干分頻鐘。時差數(shù)據(jù)采集器的一路信號是標(biāo)準(zhǔn)參考源產(chǎn)生的1個秒信號，另一路信號是被校星用銣頻標(biāo)通過脈沖多路開關(guān)提供的1個秒信號，計算機(jī)程控分析軟件控制時差數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行時差數(shù)據(jù)的采集、處理和保存，每天可連續(xù)測量16臺被校星用銣頻標(biāo)的時差數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

本系統(tǒng)利用本地鐘1個秒信號作為參考，時差數(shù)據(jù)采集器從設(shè)定的比對時刻開始，每秒測量1次與星用銣頻標(biāo)1個秒信號的時差值Y（ti），連續(xù)采集測量13min，得到測量值780個（i＝1，2，…，n，…，780），在用最小二乘法算法處理數(shù)據(jù)。

將780個測量值分為52組，每組15s的數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行二次項擬合（j＝1，2，…，m，…，15），擬合方程為

式中：a，b，c均為待定系數(shù)。用實驗數(shù)據(jù)確定方程中的待定系數(shù)，可計算出該測量時間段中點的擬合值Y（t8），共得到52個時差擬合值Y（tk），再次進(jìn)行最小二乘法線性擬合（k＝1，2，…，p，…，52）可得

經(jīng)過上述對時差數(shù)據(jù)的處理，可獲得被校銣頻標(biāo)某一天的時差測量結(jié)果。對被校銣頻標(biāo)連續(xù)測量15d，得到16個時差值Xi，相鄰兩個Xi的時間間隔τ＝1d，則被校銣頻標(biāo)日頻率漂移率

｜r｜≥0.6時，表明該被校銣頻標(biāo)輸出頻率隨時間具明顯的單向性。

3 軟件設(shè)計

選擇 LabVIEW 作為開發(fā)平臺［3－5］。軟件流程如圖2所示。

圖2 軟件流程Fig.2 Software flowchart

軟件架構(gòu)如圖3所示?；贚abVIEW平臺的程控軟件采用模塊化方式編寫，將控制程序劃分為7個模塊，每個模塊實現(xiàn)部分功能，由主控模塊在高層管理并調(diào)度各子模塊工作，實現(xiàn)參數(shù)控制與數(shù)據(jù)讀取、顯示、處理、保存等功能。

圖3 軟件架構(gòu)Fig.3 Software frame

a）主控模塊

完成儀器的初始化，通過與其他模塊的通信觸發(fā)各模塊工作，調(diào)度各模塊的執(zhí)行，當(dāng)程序運行結(jié)束后，釋放資源，關(guān)閉設(shè)備。

b）參數(shù)控制模塊

完成各種復(fù)雜的測量。參數(shù)控制模塊在程序面板上提供各種設(shè)置選項替代儀器面板上的菜單設(shè)置。

c）數(shù)據(jù)讀取模塊

將儀器產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù)讀取到計算機(jī)，是完成程序與儀器數(shù)據(jù)交互的核心過程。

d）數(shù)據(jù)顯示模塊

通過LabVIEW的圖形化功能實時顯示采集到的時差數(shù)據(jù)。

e）數(shù)據(jù)處理模塊

通過LabVIEW內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理子程序完成對測量結(jié)果的處理，并讀取結(jié)果。

f）數(shù)據(jù)記錄模塊

對儀器功能進(jìn)行擴(kuò)展，將測量結(jié)果存儲到計算機(jī)磁盤中，便于日后分析處理。

g）錯誤處理模塊

確認(rèn)儀器工作狀態(tài)是否發(fā)生故障，當(dāng)有錯誤發(fā)生時，返回儀器內(nèi)置的錯誤編號和錯誤描述，從程序界面顯示通知用戶。

星用銣頻標(biāo)日頻率漂移率測量流程如圖4所示。

4 實驗結(jié)果

為驗證星用銣頻標(biāo)多通道時差數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的性能，選用一臺銣鐘作為被測對象，用本系統(tǒng)和傳統(tǒng)手動測試同時進(jìn)行兩組測試實驗，測量時間15d，時差測試結(jié)果見表1。

圖4 日頻率漂移率流程Fig.4 Daily frequency drift flowchart

表1 兩組測試實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Two groups of experiment data

對自動和手動兩種測試方法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得被校銣頻標(biāo)日頻率漂移率分別為

由試驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果可知：本自動測試系統(tǒng)與傳統(tǒng)手動測量的結(jié)果一致，符合要求。自動測試系統(tǒng)的本底采用標(biāo)準(zhǔn)參考源的1個秒信號進(jìn)行時差測量，連續(xù)測量28d的結(jié)果為－2.0×10－14。

5 結(jié)束語

本文利用LabVIEW平臺搭建了一套多通道時差數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了多臺星用銣頻標(biāo)長期頻率特性的同時測量。另外，該自動測量系統(tǒng)還用LabSQL數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)實現(xiàn)了時差數(shù)據(jù)的實時存儲、分析與處理。實驗表明：多通道時差數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)自動化程度高，穩(wěn)定可靠，完全滿足衛(wèi)星型號研制的需求。

［1］ 李宗揚.時間頻率計量［M］.北京：原子能出版社，2002.

［2］ 張首剛.新型原子鐘發(fā)展現(xiàn)狀［J］.時間頻率學(xué)報，2009，32（2）：81-89.

［3］ 楊樂平.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

［4］ 彭漢國，艾瑞東，王明方，等.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)［J］.艦船電子工程，2009，29（8）：151-154.

［5］ 胡立志，張樹生，董 蓮.LabVIEW在時間頻率計量測試中的應(yīng)用［J］.中國計量學(xué)院學(xué)報，2008，19（2）：133-136.