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(1.華北計算技術(shù)研究所，北京 100083；2.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

近年來，隨著型號研制的不斷深入，對試驗測試的需求隨著任務(wù)量的增加而越來越高。為滿足某型號地面試驗的測試需求，提出了研制新的基于總線的通用信號動態(tài)測試系統(tǒng)，以解決壓力、溫度、流量等信號動態(tài)測試及分布式多測試系統(tǒng)同步采集等問題，實現(xiàn)多路輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號的各類傳感器和多路溫度通道數(shù)據(jù)的同步采集和存儲，為型號成功提供基礎(chǔ)保障。

本文設(shè)計了相應(yīng)的軟件及硬件，介紹了通用信號動態(tài)測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案和功能實現(xiàn)，并給出軟件實現(xiàn)的主要界面和測試結(jié)果。

1 系統(tǒng)總體方案

整個系統(tǒng)的具體組成框圖如圖1所示，基于計算機(jī)分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立的試驗測試系統(tǒng)，由硬件采集器與數(shù)據(jù)采集軟件組成。硬件采集器提供了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時的硬件平臺，通過建立此硬件平臺，可使用戶方便地按照測試任務(wù)的要求使用或更換傳感器；數(shù)據(jù)采集軟件用來保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地獲得和存儲傳感器采集的數(shù)據(jù)，便于后續(xù)分析，并提供友好的系統(tǒng)操作、數(shù)據(jù)顯示界面和通信接口[1-2]。

圖1 通用型信號測試系統(tǒng)組成框圖

通用信號動態(tài)測試系統(tǒng)的工作原理如圖2所示，具體描述如下：

對于單套測試系統(tǒng)，傳感器感應(yīng)待測物理量并產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電信號，電信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀中的溫度或壓力采集卡，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，控制器中的數(shù)據(jù)采集軟件采集數(shù)字信號數(shù)據(jù)，顯示和存儲在控制器中。

對于多套串聯(lián)的測試系統(tǒng)，首先通過IEEE1394火線將多套設(shè)備數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行串聯(lián)[3]，將一臺通用信號動態(tài)測試裝置作為主機(jī)，只需設(shè)置主機(jī)控制器的通用信號動態(tài)測試軟件，即可以在主機(jī)上實現(xiàn)所有溫度數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)的同步采集和存儲，通過分布式同步采集技術(shù)保持多套系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的采集同步性。

圖2 通用型信號測試系統(tǒng)的工作原理

由于不同的通用信號動態(tài)測試系統(tǒng)的采樣頻率可能有差異，為保證數(shù)據(jù)在時域位置的一致性，除了保證不同的測試系統(tǒng)開始同步采集外，還要保證不同的系統(tǒng)在確定的分析時間點(diǎn)上有數(shù)據(jù)，即對于系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)不包含時刻t0的需要通過信號重構(gòu)，構(gòu)建出該時刻的數(shù)據(jù)。該采樣數(shù)據(jù)的實時構(gòu)建的時間基準(zhǔn)依據(jù)主機(jī)的周期脈沖和從機(jī)內(nèi)B的高精度時鐘，作為重構(gòu)函數(shù)輸出點(diǎn)的位置計算基準(zhǔn)，再以當(dāng)前時刻以前的特定數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)建重構(gòu)函數(shù)的系數(shù)，以此系數(shù)結(jié)合后續(xù)采集的數(shù)據(jù)重構(gòu)所需時刻t0的數(shù)據(jù)[4]。

系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：

1)壓力測試通道兼容流量、液位等變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(0～5 V)，每路通道提供24VDC激勵電壓；

2)溫度測試通道(-50～50 mV)，滿足T、K、E型熱電偶測試需求；

3)壓力測量精度優(yōu)于±0.2%FS，溫度測量精度優(yōu)于±1 K；

4)采樣率可自由設(shè)置，每通道最大采樣速率不小于10 kHz；

5)通道共模抑制比大于80 dB。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件能夠根據(jù)傳感器連接情況方便的設(shè)置使用的通道及根據(jù)信號類型自動選擇合適的調(diào)理模塊及通道，可以自由的設(shè)置采樣頻率，可以實時的顯示所需信號的曲線，并定時更新顯示相應(yīng)通道的即時數(shù)值，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲和回放，可以將傳感器靈敏度設(shè)置信息、試驗項目、操作者等輸入的信息進(jìn)行保存以便下次調(diào)用，可以通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到控制器。

為了有效的保證系統(tǒng)的可靠性并結(jié)合功能實現(xiàn)與設(shè)計需要，整個軟件的編程采用NI圖形化的編程環(huán)境LabVIEW實現(xiàn)，LabVIEW集成了眾多采集卡硬件的驅(qū)動程序，其獨(dú)特的圖形化開發(fā)環(huán)境簡化了與測量設(shè)備的接口，并提供了對于第三方軟件的驅(qū)動支持，具有良好的靈活性和可擴(kuò)展性[5]。

2.1 軟件功能設(shè)計

測試系統(tǒng)軟件須具備基于IEEE1394火線的通信、控制和數(shù)據(jù)采集功能[6-7]，具體功能細(xì)化如下：

1)參數(shù)設(shè)置功能 在此功能下，可以靈活設(shè)置傳感器通道及相應(yīng)的信號輸入類型，自由設(shè)置采樣率，設(shè)置傳感器零點(diǎn)校準(zhǔn)等參數(shù)；可以將配置過的參數(shù)保存形成單獨(dú)的配置文件，以供查詢和調(diào)用。

2)數(shù)據(jù)顯示功能 用于實時顯示各通道對應(yīng)的測量曲線，同時要定時更新顯示相應(yīng)通道的數(shù)值，此數(shù)值要以數(shù)字型式顯示在軟件界面上，數(shù)據(jù)以通用格式(TDMS文件)進(jìn)行存儲。

3)過程控制功能 用于整個數(shù)據(jù)采集中的啟停、外觸發(fā)、同步、數(shù)據(jù)的存儲等控制。

4)數(shù)據(jù)分析功能 用于讀取已保存過的數(shù)據(jù)文件，對該數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和曲線顯示，對回放的曲線可以進(jìn)行放大、縮小等操作，從而更具針對性地觀察和分析比較感興趣的數(shù)據(jù)段。

5)數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能 應(yīng)具有Excel、文本文件等通用數(shù)據(jù)文件接口，試驗數(shù)據(jù)可按時間和測點(diǎn)選擇導(dǎo)出；還需具備數(shù)據(jù)文件的格式轉(zhuǎn)換功能，可以將數(shù)據(jù)文件由一種格式轉(zhuǎn)換為另外一種格式并導(dǎo)出。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

通用型信號測試系統(tǒng)軟件主要由試驗配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和傳感器管理模塊組成，其系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 通用型信號測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

1)試驗配置模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計：

試驗配置模塊主要用來設(shè)置本次試驗的參數(shù)，以及記錄本次試驗項目的相關(guān)信息。該模塊可以修改某個通道的參數(shù)，如輸入信號類型、量程、靈敏度、校驗有效期等相關(guān)參數(shù)信息，設(shè)置通道的啟用狀態(tài)，所有通道設(shè)置完畢即可保存形成本次試驗的配置文件；還可以打開以前保存的配置文件，讀取后直接顯示于試驗配置界面上；根據(jù)測量任務(wù)的實際情況，修改某個通道的開啟狀態(tài)或其它參數(shù)，完成本次試驗的參數(shù)設(shè)置，并保存形成新的配置文件，從而省去了手動輸入的麻煩。保存的配置文件可以直接被數(shù)據(jù)采集模塊讀取，其參數(shù)被加載到硬件上。

2)數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計：

數(shù)據(jù)采集模塊由參數(shù)讀取、過程控制、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保存模塊組成。參數(shù)讀取模塊負(fù)責(zé)讀取試驗配置文件中的各項參數(shù)。過程控制模塊用于控制數(shù)據(jù)采集的參數(shù)加載、啟動、停止和同步。數(shù)據(jù)顯示模塊能夠?qū)崟r顯示所選通道的信號曲線和相應(yīng)的數(shù)值，可以通過拖拽的方式選擇并顯示某個通道的曲線或數(shù)據(jù)；當(dāng)多個通道被選擇時，會顯示每個通道的采集數(shù)據(jù)和曲線，可以看到多條曲線同時顯示。數(shù)據(jù)保存模塊負(fù)責(zé)把采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲為TDMS文件，以及記錄采集數(shù)據(jù)的時間。

3)數(shù)據(jù)分析模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計：

數(shù)據(jù)分析模塊包含數(shù)據(jù)回放、分析處理和數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。該模塊可以選擇已經(jīng)保存的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和回放，在界面上有專門的區(qū)域顯示該段數(shù)據(jù)的曲線，可以同時顯示兩次不同測試試驗中同一采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可以選擇顯示的通道，還可以選擇顯示的數(shù)據(jù)段，方便進(jìn)行不同通道之間數(shù)據(jù)的比較，可以將選擇的通道數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)段另存為單獨(dú)的數(shù)據(jù)文件；可以對曲線進(jìn)行放大、縮小等操作，并自動求出數(shù)據(jù)曲線段的平均值、最大值和最小值，以方便用戶觀察并分析感興趣的數(shù)據(jù)。

4)傳感器管理模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計：

傳感器管理模塊包含數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)修改和數(shù)據(jù)保存等功能。該模塊可以錄入并保存不同傳感器的各項參數(shù)，方便管理和查閱；可以設(shè)置不同的查詢條件，查詢出滿足條件要求的傳感器信息，以供用戶調(diào)用或修改；如果想要修改某項傳感器信息，需要通過查詢模塊查詢到待修改的傳感器，修改其中的參數(shù)并保存到數(shù)據(jù)庫中。

3 系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

硬件采集器選用的是HBM公司的Quantum X系列數(shù)據(jù)采集儀，實現(xiàn)橋路、電壓、電流等多種信號的采集，通用性極強(qiáng)，具備一定靈活性和擴(kuò)展能力，通過火線實現(xiàn)多個機(jī)箱的級聯(lián)及同步。

用于采集溫度信號的采用通用型采集器MX840A，8通道同步數(shù)據(jù)采集卡，19.2 kHz 采樣率/通道，24 bit精度，內(nèi)置硬件濾波器，輸入電壓范圍為±100 mV～±60 V?？芍苯舆B接8種熱電偶。用于壓力信號采集的數(shù)據(jù)采集模塊采用MX1601標(biāo)準(zhǔn)數(shù)采器，16路同步通道，19.2 kHz 采樣率/通道，24 bit精度，內(nèi)置硬件濾波器，輸入電壓范圍為±100 mV～±10 V，由于，后8個通道的電壓比前八個通道的電壓低1 V，需要配備單通道直流穩(wěn)壓電源，以便給后8路通道提供24 V電壓。

采用基于動態(tài)重采樣的高精度分布式信號同步采集技術(shù)，可使多測試系統(tǒng)間信號采集同步精度可達(dá)微秒量級，極大地方便了用戶使用，提升了同步采集精度。

多個數(shù)據(jù)采集功能模塊通過HBM的BXP背板集成在一起，該背板能夠同時集成9個功能模塊，板卡之間通過火線與控制器連接起來，采集軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊的參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲等功能。另外，對傳感器供電采用電源隔離模塊進(jìn)行有效隔離，擺脫各通道之間的信號干擾[8]。

軟件的部分界面見圖4、圖5所示。首界面提供了5個功能模塊界面入口分別為 “試驗配置”、“采集顯示”、“數(shù)據(jù)分析”和 “傳感器管理”模塊。當(dāng)有試驗任務(wù)時，首先進(jìn)入 “試驗配置”模塊輸入“試驗型號”、“試驗名稱”、“采樣率”等信息，所有的通道參數(shù)設(shè)置完成后，保存形成一個單獨(dú)的配置文件。參數(shù)配置完成后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，首先打開本次試驗的配置文件，即開始采集數(shù)據(jù)，通過選擇不同的通道，或者拖拽不同的通道到顯示區(qū)域，即可顯示該通道采集的數(shù)值和相應(yīng)的曲線。在數(shù)據(jù)分析模塊中，可以打開已經(jīng)保存過的歷史數(shù)據(jù)，并顯示出相應(yīng)的曲線；為了便于觀察曲線，還提供了對曲線的放大、縮小和抓取操作；可以選擇顯示的通道和某個時間段的數(shù)據(jù)并另存為單獨(dú)的文件。另外，傳感器管理模塊存儲了所需的傳感器的各項參數(shù)，同時可設(shè)置零點(diǎn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保證采集數(shù)據(jù)的正確，可以查詢、修改和保存相應(yīng)的傳感器信息。

圖4 數(shù)據(jù)采集界面

圖5 數(shù)據(jù)分析界面

4 測試結(jié)果分析

為壓力測量通道提供24 VDC激勵電壓專門設(shè)計了電源隔離模塊，對每一路電壓輸出進(jìn)行了測試，其中一組測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電源隔離模塊測試數(shù)據(jù)

測試人員分別用標(biāo)準(zhǔn)傳感器及信號發(fā)生器聯(lián)入該系統(tǒng)進(jìn)行了計量校準(zhǔn)，壓力各通道測量精度優(yōu)于±0.2 %FS，溫度測量通道(E、T、K型熱電偶)測量精度優(yōu)于±1 K。

綜上，系統(tǒng)主要功能和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求，整體運(yùn)行正常，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，并采取了相應(yīng)的抗干擾措施，具有較強(qiáng)的抗干擾性能，傳感器支持熱插拔，不會對系統(tǒng)造成影響，驗證了相關(guān)技術(shù)的可行性。

5 結(jié)束語

本文構(gòu)建了一種通用信號動態(tài)測試系統(tǒng)，抗干擾能力強(qiáng)。該系統(tǒng)有效解決了以往采集過程繁瑣、實時性差、擴(kuò)展性差的缺陷，實現(xiàn)了多路壓力傳感器和多路溫度通道數(shù)據(jù)的同步采集和存儲，采樣率可自由設(shè)置，并采取了相應(yīng)的抗干擾措施，驗證了抗信號干擾的有效性，取得了較好的應(yīng)用效果。該系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場運(yùn)行后，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)和控制效果，傳輸數(shù)據(jù)可靠，滿足型號試驗的測試需求。