穆欣榮+張志杰+楊文杰+張鵬

摘 要： 激波管標(biāo)定系統(tǒng)是一種對傳感器動態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，通過激波速度獲得標(biāo)準(zhǔn)壓力，進(jìn)而對目標(biāo)傳感器動態(tài)性能進(jìn)行修正?；贚abVIEW平臺結(jié)合NI公司的采集卡實(shí)現(xiàn)一種用于激波管標(biāo)定系統(tǒng)的混合驅(qū)動軟件平臺，通過并行調(diào)用動態(tài)鏈接庫的方式，一方面實(shí)現(xiàn)對NI公司PXI?6115采集卡的驅(qū)動來達(dá)到激波速度的測試，另一方面對USB驅(qū)動接口實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)傳感器的測試。最后，采用改進(jìn)的最小二乘（GLS）算法，實(shí)現(xiàn)傳感器的動態(tài)建模。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有快速讀取測試結(jié)果的優(yōu)點(diǎn)，較好地實(shí)現(xiàn)動態(tài)性能修正。

關(guān)鍵詞： 激波管； 混合驅(qū)動； 最小二乘算法； 動態(tài)性能修正

中圖分類號： TN919.3?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0141?04

LabVIEW?based dynamic performance correction of pressure sensor

MU Xinrong1， ZHANG Zhijie1， YANG Wenjie1， ZHANG Peng2

（1. MOE Key Laboratory for Instrumentation Science and Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China；

2. Baidu Cloud Computing Technology （Shanxi） Co.， Ltd.， Yangquan 045000， China）

Abstract： The shock tube calibration system is an experiment device to test the sensors dynamic performance. The standard pressure is acquired by means of the shock velocity to correct the dynamic performance of the objective sensor. A hybrid drive software platform used in the shock tube calibration system is realized on the basis of data acquisition card made by NI Company and LabVIEW platform. The way to call the dynamic link library in parallel is used to drive the PXI?6115 data acquisition card made by NI Company to realize test of the shock wave speed and objective sensor for USB driver interface. The improved least square algorithm is adopted to realize the dynamic modeling of the sensor. The result shows that the system has the advantage of reading the test results quickly， and can correct the dynamic performance well.

Keywords： shock tube； hybrid drive； least square algorithm； dynamic performance correction

0 引 言

虛擬儀器（VI）是由現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是為了達(dá)到“軟件即儀器”的目的。隨著計(jì)算機(jī)、采集電路和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在測試儀器、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。數(shù)據(jù)采集卡有NI公司提供的通用采集卡，可以直接使用LabVIEW進(jìn)行軟件編程；也有非NI數(shù)據(jù)采集卡，即為滿足用戶需求的專用測試系統(tǒng)，需要編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序使之被LabVIEW識別，從而完成數(shù)據(jù)采集工作[2]。

文獻(xiàn)[3]提出的傳統(tǒng)的激波管多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由采集卡直接完成測速和標(biāo)定的功能，使用的是美國NI公司PXI?5105數(shù)據(jù)采集卡，不能對特定的采集系統(tǒng)進(jìn)行誤差標(biāo)定。而特定的采集系統(tǒng)和測試的采集卡總線實(shí)現(xiàn)方式不一樣，所使用的軟件也不一樣，這樣就給測試和標(biāo)定帶來了一定的困難，必須使用兩臺計(jì)算機(jī)分別安裝兩個不同的軟件，操作復(fù)雜繁瑣，不宜工作人員使用。為了解決這個問題，設(shè)計(jì)了一種可同時驅(qū)動兩種不同總線的測試軟件，選擇使用范圍較廣的LabVIEW平臺，利用調(diào)用動態(tài)鏈接庫的方式實(shí)現(xiàn)兩個不同采集卡的驅(qū)動。修正傳感器的動態(tài)性能，采用改進(jìn)的最小二乘算法，利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)對傳感器動態(tài)性能的修正[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 激波管測試原理

激波管動態(tài)壓力標(biāo)準(zhǔn)采用階躍壓力對壓力傳感器進(jìn)行檢定，可以產(chǎn)生上升時間非常短的階躍壓力。激波管的基本工作原理，是用膜片把截面恒定的管子分為兩個壓力室，高壓室和低壓室，如圖1所示。在高壓室及低壓室充不同壓力的氣體，利用自然破膜的方法，當(dāng)壓力值超過膜片承受的壓力時，膜片破裂。高壓室的氣體膨脹進(jìn)入低壓室，形成入射激波。激波后波陣面壓力突變形成正階躍壓力。壓力階躍保持一定的時間稱為恒壓時間。入射波到達(dá)低壓室端面后被反射，形成反射激波和反射激波壓力階躍[2]。用此壓力階躍作為階躍激勵信號去激勵被測壓力傳感器，在通過專用測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，可得到被壓力傳感器的參數(shù)。

選用NI公司提供的PXI?6115采集卡采集激波管上三個測速傳感器的信號，根據(jù)時間求得激波波速。主要是通過NI?DAQmx驅(qū)動程序設(shè)計(jì)測速功能。

被測傳感器連接到專用的壓力測試系統(tǒng)上，通過USB連接到主機(jī)。選用FTDI公司的FT245芯片，調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)驅(qū)動USB芯片，使得專用測試系統(tǒng)與主機(jī)通信成功。

1.2 軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多通道混合驅(qū)動的測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括以下功能（如圖2所示）：

（1） 參數(shù)設(shè)置，既包括對激波管三個測速通道的采樣頻率、數(shù)據(jù)長度、預(yù)觸發(fā)長度和觸發(fā)電平的設(shè)置，同時還包括對專用測試系統(tǒng)的放大倍數(shù)、采樣頻率、數(shù)據(jù)長度、預(yù)觸發(fā)長度和觸發(fā)電平的設(shè)置，其中激波管測速通道的放大倍數(shù)在信號放大調(diào)理器上設(shè)置。

（2） 讀取數(shù)據(jù)，系統(tǒng)觸發(fā)后上位機(jī)軟件讀取四個通道的數(shù)據(jù)，并顯示在前面板上。

（3） 波形顯示，顯示讀取到的波形或已保存的波形。

（4） 計(jì)算，針對測速傳感器測得的數(shù)據(jù)讀取時間間隔和，三個傳感器的間隔均為，激波波速由兩個時間間隔分別求得的速度和平均得到。

（5） 修正，采用最小二乘算法實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)傳感器進(jìn)行動態(tài)修正，并用LabVIEW實(shí)現(xiàn)。

2 USB和NI?DAQ混合驅(qū)動的功能實(shí)現(xiàn)

2.1 USB通信方式

本設(shè)計(jì)選用了FTDI公司的FT245RL USB芯片，內(nèi)部涵蓋寫入和讀出的FIFO緩沖區(qū)，F(xiàn)IFO控制模塊和USB讀寫模塊，在LabVIEW平臺上使用調(diào)用動態(tài)鏈接庫（DLL）的方式完成硬件與上位機(jī)的通信。

為了使USB芯片正常工作，需要安裝FTD2XX驅(qū)動程序。FTD2XX.dll提供了大量接口函數(shù)，其中常用的有FT_Open（打開），F(xiàn)T_ResetDevice（復(fù)位），F(xiàn)T_Purge（清除），F(xiàn)T_SetLatencyTimer（延時），F(xiàn)T_Read（讀），F(xiàn)T_Writer（寫），F(xiàn)T_Close（關(guān)閉），F(xiàn)T_SetTimeouts（超時）等函數(shù)。如圖3所示，調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)USB通信。

上位機(jī)通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)給專用測試系統(tǒng)發(fā)送不同的指令，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、參數(shù)回讀、讀取數(shù)據(jù)等功能。

2.2 NI?DAQ通信方式

PXI?6115采用PXI總線技術(shù)（PCI extensions for Instrumentation，PXI）是PCI在儀器儀表領(lǐng)域的擴(kuò)展，它結(jié)合了PCI的電氣總線特性、CompactPC的堅(jiān)固性以及Eurocard機(jī)械封裝的特性，因此PXI擁有極高的數(shù)據(jù)傳輸能力、堅(jiān)固的封裝形式以及高性能的IEC連接器，非常適用于測量與數(shù)據(jù)采集場合[5]。

NI公司的通用數(shù)據(jù)采集卡使用的是LabVIEW內(nèi)的DAQ庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)PXI與上位機(jī)通信。該驅(qū)動函數(shù)在底層的基礎(chǔ)函數(shù)上進(jìn)行高度封裝，程序編寫人員只需要掌握驅(qū)動函數(shù)I/O端口的意義，就能進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集的功能的實(shí)現(xiàn)，使用戶在對采集卡進(jìn)行操作時更加高效簡單方便。安裝好DAQ驅(qū)動程序（即NI?DAQmx）后，在LabVIEW的函數(shù)選板就會出現(xiàn)DAQmx節(jié)點(diǎn)，在程序框圖中右擊選擇函數(shù)“測量I/O”，再選擇“DAQmx數(shù)據(jù)采集”子選板尋找所需要的控件。針對測速傳感器通道的數(shù)據(jù)采集方式采用NI?DAQmx函數(shù)完成，如圖4所示。本設(shè)計(jì)采用的是可編程多通道多采樣的采集模式，在DAQmx Read控件的下拉列表里選擇“模擬”→“多通道”→“多采樣”→“2D DBL”方式，使得測速傳感器采集到的數(shù)據(jù)和專用設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)類型一致，便于在同一個波形圖上顯示。采集啟動后，下層的NI?DAQmx驅(qū)動程序控制PXI?6115采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.3 讀取數(shù)據(jù)功能

在讀取數(shù)據(jù)事件中，將被測傳感器采集到的數(shù)組整合成波形文件，并與三個測速通道組合成四通道波形數(shù)組，使之顯示在波形圖中，如圖5所示。三條細(xì)線波形圖分別是三個不同的測速傳感器所測得的數(shù)據(jù)顯示，黑色粗線波形是被測傳感器所得到的數(shù)據(jù)顯示。從圖5中可以明顯地看出測速傳感器的時間間隔，可由式（1）和式（2）得到激波波速；同時也可以看出激波傳到每個傳感器的時間，直觀地給用戶提供了同步性能的實(shí)現(xiàn)。

3 壓力傳感器動態(tài)修正

3.1 改進(jìn)GLS算法進(jìn)行線性動態(tài)建模的原理與實(shí)現(xiàn)

3.2 在LabVIEW上的實(shí)現(xiàn)

通過調(diào)用Matlab公式節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LabVIEW和matlab的混合編程，達(dá)到對目標(biāo)傳感器的動態(tài)修正。圖6為動態(tài)性能修正前后的階躍響應(yīng)曲線，使用改進(jìn)的最小二乘算法修正后的曲線效果明顯。

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)在LabVIEW平臺的基礎(chǔ)上，將通用的采集系統(tǒng)和專用的采集系統(tǒng)結(jié)合在一個軟件中利用混合驅(qū)動編寫，實(shí)現(xiàn)了不同總線同時通信的功能。使得激波管測速通道和專用設(shè)備被校準(zhǔn)通道同時完成數(shù)據(jù)采集，并且對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)修正。實(shí)踐證明，USB和DAQ同時通信是切實(shí)可行，用改進(jìn)的最小二乘算法優(yōu)化傳感器模型參數(shù)，能夠?qū)で笠唤M實(shí)用參數(shù)，對傳感器的動態(tài)性能修正改善顯著。

參考文獻(xiàn)

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