林 淵,尹偉偉,胡廣明

(航天科工慣性技術(shù)有限公司,北京 100074)

0 引言

振梁式加速度計(jì)[1]逐漸成為導(dǎo)航領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)品。由于其響應(yīng)帶寬大、體積小、成本低、可靠，且振梁式加速度計(jì)輸出的是頻率，可與數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)兼容[2]，在許多應(yīng)用領(lǐng)域可以取代常規(guī)的線加速度計(jì)，已開(kāi)始大批量生產(chǎn)。目前,振梁式加速度計(jì)非線性度參數(shù)測(cè)量主要是將加速度計(jì)固定于離心加速度轉(zhuǎn)臺(tái)上，然后根據(jù)離心加速度a=ω2×R公式，輸入離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)角速率和已知的R半徑，即可計(jì)算出當(dāng)前作用于振梁式加速度計(jì)上的實(shí)際加速度。首先，將振梁式加速度計(jì)正向?qū)?zhǔn)離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸，測(cè)量正向加速度與頻率之間的關(guān)系。測(cè)量人員記錄當(dāng)前加速度a1與振梁式加速度計(jì)輸出值f1，以此類(lèi)推，測(cè)量并分別記錄所有加速度點(diǎn)與振梁式加速度計(jì)輸出對(duì)應(yīng)的頻率值，假設(shè)正向序列(a1，f1)，(a2，f2)，……；同理，測(cè)量并記錄負(fù)向(-a1，-f1)，(-a2，-f2)，……，然后通過(guò)二次項(xiàng)擬合得出相關(guān)參數(shù)[3]。

然而，該方法有2個(gè)缺點(diǎn)：(1)所有測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄和控制離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)都需要人為干預(yù)，效率較低，且容易出錯(cuò)；(2)計(jì)算過(guò)程中的R半徑是工裝生產(chǎn)時(shí)圖紙中的理論值，實(shí)際安裝時(shí)仍存在一定的誤差，影響測(cè)量精度；尤其是同時(shí)測(cè)試多支振梁式加速度計(jì)時(shí)，需要記錄的數(shù)據(jù)和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理是相當(dāng)繁瑣的。同時(shí)，每只振梁式加速度計(jì)到轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸的實(shí)際半徑是有差別的，如果由理論值R參與公式計(jì)算加速度值勢(shì)必帶來(lái)更大的誤差。為解決上述測(cè)量精度和測(cè)量效率問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種同時(shí)測(cè)試多套振梁式加速度計(jì)非線性度參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量裝置。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括計(jì)算機(jī)單元、供電控制單元、頻率測(cè)量單元、離心機(jī)自動(dòng)控制單元及相關(guān)電纜組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

測(cè)試系統(tǒng)各組成部分之間連接關(guān)系及工作原理如圖1所示，系統(tǒng)供電主要為交流220 V市電，離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)為380 V供電，工控機(jī)內(nèi)安裝RS422串口板卡，用于頻率測(cè)量單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。供電單元采用兩臺(tái)程控線性直流穩(wěn)壓電源實(shí)現(xiàn)，程控接口為USB，其中一臺(tái)電源輸出1路±15 V，用于被測(cè)產(chǎn)品供電，另外一臺(tái)電源輸出1路+5 V電源，+5 V電源用于頻率測(cè)量單元供電。配電控制單元用于離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的供電和控制，通過(guò)RS232接口計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互，由計(jì)算機(jī)控制離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速參數(shù)。加速度計(jì)安裝于工裝內(nèi)，加速度計(jì)供電和信號(hào)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接板與工裝內(nèi)加速度計(jì)相連，將工裝與信號(hào)轉(zhuǎn)接板置于離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括計(jì)算機(jī)單元、供電單元、控制單元、離心機(jī)控制單元等。

2.1 計(jì)算機(jī)單元

計(jì)算機(jī)單元采用機(jī)柜式結(jié)構(gòu)，主要包括工控機(jī)、RS422串口卡、KVM。工控機(jī)的功能主要實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、測(cè)試用儀器儀表控制等。工控機(jī)選用研華工業(yè)機(jī)箱IPC-610-L，為PCI總線架構(gòu)。RS422串口卡安裝于工控機(jī)PCI插槽內(nèi)，選用北京神州飛航的BST-23118串口卡，該板卡具有8路異步串口通訊，每路信號(hào)相互隔離。為節(jié)省機(jī)柜空間，選用了1 U機(jī)柜式安裝的顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)一體化單元(簡(jiǎn)稱(chēng)KVM)，顯示器尺寸為19英寸，分辨率不低于1 280×1 024。

2.2 供電控制單元

供電單元須對(duì)外輸出2路電源，1路±15 V，1路+5 V，選用外購(gòu)直流穩(wěn)壓電源實(shí)現(xiàn)，可選用兩臺(tái)大華的DH1766-1三路精密型可編程直流穩(wěn)壓電源，其中2路0～32 V/3 A可調(diào)輸出，具有主從路電壓跟蹤功能，1路6 V/3 A可調(diào)輸出，每路輸出通道電壓紋波有效值為1 mV，峰峰值不大于6 mV，電流周期及隨機(jī)偏差為3 mA，電壓顯示分辨率為0.1 mV，電流顯示分辨率為0.1 mA，滿足設(shè)計(jì)需求。

2.3 控制單元

控制單元電路設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)多路加速度計(jì)獨(dú)立供電的通斷控制和加速度計(jì)輸出信號(hào)的采樣。

由于測(cè)試過(guò)程需要進(jìn)行多只加速度計(jì)的供電獨(dú)立控制，設(shè)計(jì)中，將供電單元輸出的1路±15 V通過(guò)繼電器切換進(jìn)行多路輸出，切換控制繼電器選用松下的小型信號(hào)繼電器TXS2A-4.5 V，該繼電器具有很低的導(dǎo)通壓降，最大不超過(guò)300 nV，最大直流切換電壓30 V，電流1 A，最大切換功率30 W。繼電器驅(qū)動(dòng)電流約為15.6 mA，具有較低的功耗?！?5 V切換，只切換+15 V和-15 V，15 V GND不切，直接供給加速度計(jì)，多個(gè)15 V GND共在一起。

控制中的頻率測(cè)量單元將多個(gè)振梁加速度計(jì)輸出頻率值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量[4-5]，并將轉(zhuǎn)換的物理量通過(guò)串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，其工作原理如圖2所示。

圖2 頻率測(cè)量單元原理圖

頻率測(cè)量單元采用脈沖計(jì)數(shù)法，即是時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)中最基本的方法。脈沖計(jì)數(shù)法的測(cè)量原理是利用計(jì)數(shù)時(shí)鐘去填充被測(cè)時(shí)間間隔，通過(guò)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的計(jì)數(shù)來(lái)量化被測(cè)時(shí)間間隔。用時(shí)鐘信號(hào)CLK驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)時(shí)鐘頻率為f，周期為T(mén)，計(jì)數(shù)器的值為m，則被測(cè)信號(hào)的時(shí)間間隔為：Tx=mT。脈沖信號(hào)通過(guò)采樣電阻進(jìn)入脈沖計(jì)數(shù)電路，信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)入數(shù)字串口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)過(guò)隔離電路發(fā)送給計(jì)算機(jī)單元。

串口電路主要由100 M的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)FPGA的鎖相環(huán)分頻，給設(shè)計(jì)的串口電路提供20 M的時(shí)鐘信號(hào)，20 M的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)電路中計(jì)數(shù)器，每2 083次進(jìn)行重新計(jì)數(shù)，進(jìn)行分頻產(chǎn)生所需要的9.6 K時(shí)鐘信號(hào)，即波特率為9.6 K。發(fā)送時(shí)，DSP通過(guò)數(shù)據(jù)總線下發(fā)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)給FPGA，F(xiàn)PGA按要求的串口協(xié)議通過(guò)D觸發(fā)器加上一位起始位和一位停止位(用于判斷數(shù)據(jù)信息)，變?yōu)?0位數(shù)據(jù)位，再經(jīng)過(guò)移位寄存器，在9.6 K的時(shí)鐘使能下，將10位的并行數(shù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送至422芯片(串口驅(qū)動(dòng)器)，然后串行數(shù)據(jù)經(jīng)232/422轉(zhuǎn)換器發(fā)送至計(jì)算機(jī)單元。接收時(shí)的過(guò)程與發(fā)送相反，PC機(jī)下發(fā)的串行數(shù)據(jù)指令通過(guò)232/422轉(zhuǎn)換器下發(fā)至422芯片，經(jīng)422芯片發(fā)送至FPGA，經(jīng)過(guò)串口電路中計(jì)數(shù)器與移位寄存器，在時(shí)鐘信號(hào)的使能下轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到一個(gè)字節(jié)的串口數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA便產(chǎn)生接收成功信號(hào)，DSP通過(guò)對(duì)接收成功信號(hào)的中斷或查詢(xún)方式接收串口數(shù)據(jù)。

隔離電路采用光電耦合隔離器典型隔離方式，其主要原理是利用二極管或其他發(fā)光器件將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，再通過(guò)光電二極管等感光器件接收、同時(shí)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)-光信號(hào)-電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過(guò)光這一載體實(shí)現(xiàn)前后級(jí)電信號(hào)的隔離。

一個(gè)頻率測(cè)量單元模塊可以同時(shí)采集6個(gè)振梁加速度計(jì)，那么同時(shí)應(yīng)用N個(gè)模塊就可以實(shí)現(xiàn)6×N個(gè)振梁加速度計(jì)的測(cè)量。實(shí)現(xiàn)過(guò)程中同時(shí)采集6路加速度的頻率信號(hào)，采樣周期2.5 ms，將采樣周期內(nèi)的頻率個(gè)數(shù)通過(guò)RS422串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)單元。

傳輸過(guò)程中通訊協(xié)議采用16位的無(wú)符號(hào)整形來(lái)表征一個(gè)加速度的頻率信號(hào)即可，計(jì)算機(jī)單元程序部分將2.5 ms的瞬時(shí)數(shù)據(jù)逐一累加，每將1 s(400個(gè)數(shù)據(jù)累加和)數(shù)據(jù)作為加速度計(jì)頻率輸出的處理值。

2.4 離心機(jī)自動(dòng)控制

離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)采用第三方技術(shù)。離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)提供遠(yuǎn)程RS-232C通訊接口，能接收上位機(jī)的遠(yuǎn)程控制指令。轉(zhuǎn)臺(tái)工作在遠(yuǎn)控狀態(tài)時(shí)，能實(shí)現(xiàn)本地操作面板上的各種操作功能，工作過(guò)程與本地操作面板上的方式相同，通過(guò)指令自動(dòng)控制離心機(jī)工作及監(jiān)控離心機(jī)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)思路及編程方法

該部分設(shè)計(jì)包括程序遠(yuǎn)程自動(dòng)控制離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)及整個(gè)被測(cè)產(chǎn)品的參數(shù)測(cè)量及計(jì)算。該部分核心內(nèi)容為運(yùn)行與計(jì)算機(jī)之上的程序代碼，即自動(dòng)測(cè)試程序[6]。下面將重點(diǎn)闡述自動(dòng)測(cè)試程序的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及方法。

3.1.1 加速度到離心機(jī)中心半徑測(cè)量

首先，將加速度計(jì)的IA軸垂直向上安裝(如圖3)。

圖3 加速度計(jì)輸入軸垂直向上安裝

采集加速度計(jì)輸出ΔFg并記錄；再次，將加速度計(jì)的IA軸垂直向下安裝(如圖4)。

圖4 加速度計(jì)輸入軸垂直向下安裝

采集加速度計(jì)輸出ΔF-g并記錄；

根據(jù)加速度計(jì)輸出關(guān)系:

f=k0+k1×a

(1)

將上述正向、負(fù)向代入關(guān)系式(1)得到：

ΔFg=k0+k1×g

(2)

ΔF-g=k0-k1*g

(3)

根據(jù)式(2)和式(3)得到k0與k1系數(shù)。

(4)

(5)

將加速度計(jì)輸入軸指向離心機(jī)旋轉(zhuǎn)軸安裝(如圖5)。

圖5 正向半徑測(cè)量圖

調(diào)整離心機(jī)轉(zhuǎn)速并使離心機(jī)穩(wěn)定在1個(gè)g加速度下，記錄當(dāng)前加速度輸出值Fg+：

(6)

當(dāng)前理論加速度

g=R0×ω2

(7)

實(shí)際加速度

g′=R+×ω2

(8)

其中:R0為結(jié)構(gòu)工裝加速度計(jì)到離心機(jī)中心理論半徑，g′=ag。

同樣；將加速度計(jì)的輸入軸背向離心機(jī)旋轉(zhuǎn)軸反向安裝，調(diào)整離心機(jī)轉(zhuǎn)速并使離心機(jī)穩(wěn)定在1個(gè)g加速度下，記錄當(dāng)前加速度輸出值Fg-，

(9)

3.1.2 加速度計(jì)非線性度參數(shù)自動(dòng)測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)

3.1.2.1 量程設(shè)置

量程設(shè)置為m個(gè)g(m=100、70、50、30……等)，0 g至m個(gè)g之間可以設(shè)置不低于6個(gè)離心輸入加速度。比如：0 g、1 g、5 g、10 g、20 g……70 g。

3.1.2.2 數(shù)據(jù)采集

產(chǎn)品數(shù)據(jù)1 Hz采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，記錄加速度計(jì)F1……Fn的加速度計(jì)輸出數(shù)據(jù)ΔFm，每個(gè)位置穩(wěn)定后，測(cè)試輸出n個(gè)數(shù)取平均ΔFm平均；(n為變量，默認(rèn)10)；

3.1.2.3 二次項(xiàng)計(jì)算

實(shí)際工作中我們所遇到的問(wèn)題都是比較復(fù)雜的非線性問(wèn)題，對(duì)于非線模型的確定是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。這里我們通需要做的是先確定函數(shù)模型，在求解模型參數(shù)，這里如果擬合模型已經(jīng)給出，則我們只需要進(jìn)一步確定其參數(shù)即可，若未給出擬合模型，分別試用對(duì)數(shù)函數(shù)模型、指數(shù)函數(shù)模型，多項(xiàng)式函數(shù)模型及其他混合函數(shù)模型等進(jìn)行擬合，比較他們擬合的度，最后選擇擬合度較高的函數(shù)模型做為擬合模型。

根據(jù)加速度輸出ΔFm平均與離心輸入加速度，用最小二乘法[11-13]進(jìn)行系數(shù)分離k0、k1、k2、k3；正向、負(fù)向分別計(jì)算，k2最大值為二階非線性系數(shù)。加速度計(jì)輸出模型方程如下式所示。

ΔF=k1(k0+a+k2a2+k3a3)

(10)

3.1.2.4 標(biāo)度因數(shù)非線性模型計(jì)算

標(biāo)度因數(shù)是指加速度計(jì)輸出量與對(duì)應(yīng)輸入量的比值。一般有三大誤差：一是表示正反向輸入加速度的差值與平均值之比的不對(duì)稱(chēng)性；二是表示最大偏差值與最大輸入量之比的非線性；三是表示同等測(cè)試條件下最大差值與平均值之比的重復(fù)性。在我們國(guó)家，由于環(huán)境和氣候多變使得環(huán)境溫度的變化引起的標(biāo)度因數(shù)誤差十分明顯，因此減小環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的標(biāo)度因數(shù)誤差變得極其重要[14-16]。這些參數(shù)對(duì)加速度計(jì)內(nèi)部器件進(jìn)行深入分析提供良好的數(shù)據(jù)支撐，能夠更好的提高加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性。首先，計(jì)算各輸入加速度相應(yīng)標(biāo)度因數(shù)，K1(ig)=(ΔF(ig)-ΔF(0g))/(ig-0g)；數(shù)據(jù)取-m個(gè)g至+m個(gè)g之間數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)K1(ig)與輸入加速度，用最小二乘法進(jìn)行擬合，計(jì)算各系數(shù)和殘差，擬合殘差定義為標(biāo)度因數(shù)非線性。標(biāo)度因數(shù)非線性模型如式(11)所示。

K1=KA+KB*a+KC*a2

(11)

3.1.2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

1)加速度計(jì)原始測(cè)試數(shù)據(jù)及10 s平均數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；

2)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，包括二次項(xiàng)計(jì)算結(jié)果和標(biāo)度因數(shù)非線性模型計(jì)算結(jié)果。

上述方法中，具體測(cè)量步驟包括：半徑測(cè)量、模擬加速度、采集數(shù)據(jù)和參數(shù)計(jì)算。

半徑測(cè)量：步驟1，將加速度計(jì)的IA軸垂直向上安裝，采集加速度計(jì)輸出ΔFg并記錄；步驟2，將加速度計(jì)的IA軸垂直向下安裝，采集加速度計(jì)輸出ΔF-g并記錄；步驟3，將加速度計(jì)輸入軸指向離心機(jī)旋轉(zhuǎn)軸安裝，調(diào)整離心機(jī)轉(zhuǎn)速為1 g并觀察記錄加速度計(jì)輸出ΔFg并記錄；按上述內(nèi)容中相應(yīng)公式計(jì)算出正向半徑；步驟4，將加速度計(jì)輸入軸背向離心機(jī)旋轉(zhuǎn)軸安裝，調(diào)整離心機(jī)轉(zhuǎn)速為1 g并觀察記錄加速度計(jì)輸出ΔF-g并記錄；按上述內(nèi)容中相應(yīng)公式計(jì)算出負(fù)向半徑。

模擬加速度：根據(jù)角速率與加速度關(guān)系計(jì)算出0 g至m個(gè)g之間的角速率ω；根據(jù)半徑測(cè)量中計(jì)算的實(shí)際半徑計(jì)算出每個(gè)加速度計(jì)實(shí)際感受的加速度0 g′至m個(gè)g′；

采集加速度計(jì)：待當(dāng)前離心機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，記錄每個(gè)加速度計(jì)的輸出秒采樣值，并將多個(gè)秒采樣值做均值處理；依次記錄0 g至m個(gè)g之間的加速度輸出秒平均值；

參數(shù)計(jì)算：將正、負(fù)向加速度點(diǎn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合處理，用最小二乘法進(jìn)行系數(shù)分離k0、k1、k2、k3；正向、負(fù)向分別計(jì)算，k2最大值為二階非線性系數(shù)；將正負(fù)向所有加速度點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，計(jì)算非線性模型中各系數(shù)殘差，擬合殘差定義為標(biāo)度因數(shù)非線性[17-18]。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)符合分層設(shè)計(jì)以及MVC 的思想，系統(tǒng)采用分層的設(shè)計(jì)方式，把復(fù)雜的整體拆分成簡(jiǎn)單的模塊，這樣可以大大降低系統(tǒng)各個(gè)組成部分之間的耦合程度，提高系統(tǒng)的靈活性、擴(kuò)展性以及可維護(hù)性。測(cè)試軟件體系結(jié)構(gòu)[19-20]分為三層設(shè)計(jì)，分別為硬件接口層、中間層、應(yīng)用層，軟件體系結(jié)構(gòu)具體見(jiàn)圖6所示。

圖6 軟件體系結(jié)構(gòu)圖

圖7 測(cè)試軟件功能模塊層次規(guī)劃圖

硬件接口層負(fù)責(zé)處理設(shè)備中涉及到的各類(lèi)硬件的驅(qū)動(dòng)控制，中間層將應(yīng)用層所提供的服務(wù)進(jìn)行封裝，為應(yīng)用層提供接口。中間層對(duì)應(yīng)用層屏蔽了軟件功能的邏輯結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，降低了軟件功能模塊之間的耦合程度。由于應(yīng)用層直接與用戶交互，而用戶的行為是無(wú)法預(yù)測(cè)和保證的，應(yīng)用層通過(guò)調(diào)用中間層所提供的接口來(lái)和軟件系統(tǒng)的核心服務(wù)進(jìn)行交互和通信，可以限制和規(guī)范用戶的行為，減少用戶不規(guī)范操作對(duì)軟件系統(tǒng)核心服務(wù)造成的影響。中間層也大大提高了自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，在這一層可以方便的增加或者改變接口，而不需要對(duì)軟件系統(tǒng)的核心服務(wù)進(jìn)行改動(dòng)。中間層主要負(fù)責(zé)RS422數(shù)據(jù)接收、RS422數(shù)據(jù)解析及組幀、離心機(jī)控制指令交互管理、測(cè)試數(shù)據(jù)處理、模擬量數(shù)據(jù)處理、故障報(bào)警、溫箱氣源控制信息管理、數(shù)據(jù)文件管理、配置文件管理、日志寫(xiě)入等，應(yīng)用層能夠?yàn)闇y(cè)試人員提供系統(tǒng)所有功能的入口，為測(cè)試人員提供和系統(tǒng)交互的界面，使測(cè)試人員可以方便的使用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試工作。應(yīng)用層也可以稱(chēng)為視圖層，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)UI 界面的顯示以及用戶數(shù)據(jù)的封裝和傳遞等，是直接與用戶進(jìn)行交互的一層。自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用層所提供的交互界面，測(cè)試人員可以使用系統(tǒng)的所有功能，如正向半徑測(cè)量、負(fù)半徑測(cè)量、正向量程測(cè)量、負(fù)向量程測(cè)量等。應(yīng)用層不會(huì)包含對(duì)任何業(yè)務(wù)邏輯的處理，這一層所有的數(shù)據(jù)都是通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)接口層所提供的接口來(lái)獲得。

測(cè)試軟件功能模塊層次規(guī)劃圖如圖7所示。

測(cè)試軟件的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)該軟件所有的測(cè)試項(xiàng)目。項(xiàng)目管理模塊實(shí)現(xiàn)用戶登錄、文件保存管理、公共信息區(qū)管理、數(shù)字時(shí)鐘、離心機(jī)信息管理。

框架模塊中主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序框架界面的創(chuàng)建，包含測(cè)試項(xiàng)目目錄的創(chuàng)建、狀態(tài)欄管理、數(shù)據(jù)列表管理、繪圖管理、提示信息管理、日志管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制、配置文件解析管理等。

解析模塊用于測(cè)試軟件中涉及到的所有的協(xié)議解析處理以及數(shù)據(jù)顯示，一方面對(duì)測(cè)試系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析，另一方面對(duì)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議組幀，如RS-422串行通訊協(xié)議的處理。串口通信雖然簡(jiǎn)單方便，但實(shí)際使用時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)需要傳輸?shù)牟恢?個(gè)字節(jié)，往往需要傳輸n個(gè)字節(jié)組成的數(shù)據(jù)包，而因?yàn)榇谕ㄐ胖凶止?jié)之間相互獨(dú)立，在接收數(shù)據(jù)時(shí)面臨數(shù)據(jù)包對(duì)齊和防止出錯(cuò)的兩大問(wèn)題。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，本文在發(fā)送端通過(guò)將數(shù)據(jù)按指定格式打包，在接收端使用狀態(tài)機(jī)解析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)串口通信可靠傳輸。數(shù)據(jù)包對(duì)齊在也叫數(shù)據(jù)幀同步，解決方法就是引入幀同步字節(jié)，也就是增加幀頭、幀尾等，對(duì)于固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)幀通信可以只使用幀頭幀尾，對(duì)于可變長(zhǎng)度數(shù)據(jù)幀通信還需引入描述幀長(zhǎng)的字節(jié)。利用幀頭、幀尾、幀長(zhǎng)即可解決。防止數(shù)據(jù)出錯(cuò)也叫差錯(cuò)控制，在通信原理中，有4種差錯(cuò)控制方法：檢錯(cuò)重發(fā)、前向糾錯(cuò)、反饋校驗(yàn)、檢錯(cuò)刪除。4種差錯(cuò)控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用檢錯(cuò)刪除的差錯(cuò)控制算法，故只需要考慮如何檢錯(cuò)這一個(gè)問(wèn)題，只需要在數(shù)據(jù)幀中增加校驗(yàn)字節(jié)。比較簡(jiǎn)單的一種校驗(yàn)方式為和校驗(yàn)，即把校驗(yàn)字節(jié)前的所以字節(jié)求和，最后保留低8位作為校驗(yàn)字節(jié)。

本文針對(duì)較為復(fù)雜的一種通信場(chǎng)景進(jìn)行總結(jié)，需要發(fā)送變長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀。其他場(chǎng)景可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化。為了發(fā)送變長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀，使用幀頭+幀長(zhǎng)+命令字節(jié)+數(shù)據(jù)字節(jié)+校驗(yàn)字節(jié)+幀尾的格式對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行打包，其實(shí)幀頭和幀長(zhǎng)已經(jīng)足夠解決幀對(duì)齊問(wèn)題，幀尾可以去掉，為了適應(yīng)更復(fù)雜的情況，這里保留幀尾。幀頭：本文使用 0x55，0xAA兩個(gè)字節(jié)作為幀頭，因?yàn)樗鼈儗?duì)應(yīng)的二進(jìn)制位0與1的個(gè)數(shù)相同，分布均勻不易出錯(cuò)。幀長(zhǎng)：根據(jù)數(shù)據(jù)幀實(shí)際長(zhǎng)度確定幀長(zhǎng)字節(jié)，這里只使用1個(gè)字節(jié)，故幀長(zhǎng)字節(jié)最大為255,為提高利用率，規(guī)定幀長(zhǎng)字節(jié)描述的是數(shù)據(jù)字節(jié)的長(zhǎng)度，故應(yīng)重新命名為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字節(jié)。命令字節(jié)：利用命令字節(jié)指定數(shù)據(jù)字節(jié)的功能，例如命令字節(jié)為1表示傳輸加表頻率，為2表示傳輸加表溫度等，1字節(jié)命令+n字節(jié)數(shù)據(jù)是工業(yè)中比較常用的一種格式。數(shù)據(jù)字節(jié)：數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度可變，幀長(zhǎng)字節(jié)為0，表示沒(méi)有數(shù)據(jù)，幀長(zhǎng)字節(jié)為255，表示有255字節(jié)數(shù)據(jù)。校驗(yàn)字節(jié)：比較簡(jiǎn)單的一種校驗(yàn)方式為和校驗(yàn)，即把校驗(yàn)字節(jié)前的所以字節(jié)求和，最后保留低8位作為校驗(yàn)字節(jié)。在MODBUS協(xié)議中常用CRC16循環(huán)冗余校驗(yàn)方式，將校驗(yàn)字節(jié)前的所以字節(jié)加入計(jì)算，得到兩字節(jié)CRC16校驗(yàn)碼，本文采用此方式。幀尾：與幀頭相似，這里使用0xFF作為幀尾。

測(cè)試軟件對(duì)于底層板卡的驅(qū)動(dòng)控制模塊，分別是RS-422串行通訊板卡控制、離心機(jī)通用Rs232串口通訊控制。硬件模塊一方面包含硬件控制功能，其中主要包括板卡的打開(kāi)、關(guān)閉、配置、讀取功能，同時(shí)基于幀解析的模塊，將需要解析的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議處理轉(zhuǎn)換成軟件功能中要求的數(shù)據(jù)。

在RS-422串行通訊板卡控制模塊的基礎(chǔ)上，結(jié)合測(cè)試系統(tǒng)使用需要，再次封裝，形成最終的422板卡控制模塊，供主應(yīng)用程序調(diào)用。

離心機(jī)控制模塊用于對(duì)離心機(jī)的通訊指令進(jìn)行管理，并調(diào)用通用Rs232串口通訊控制模塊，進(jìn)行各指令的發(fā)送控制。

測(cè)試軟件測(cè)試流程如圖8所示。

圖8 測(cè)試軟件流程圖

測(cè)試軟件開(kāi)始后，首先進(jìn)入半徑測(cè)量選項(xiàng)，半徑測(cè)量分為正向半徑測(cè)量和負(fù)向半徑測(cè)量。當(dāng)加速度計(jì)輸入軸指向離心機(jī)旋轉(zhuǎn)軸安裝時(shí)，則測(cè)試軟件走正向半徑測(cè)量流程。半徑測(cè)量完成之后依次模擬所有加速度值，待轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，采集并記錄加速度計(jì)的輸出值。當(dāng)前加速度實(shí)驗(yàn)完畢后進(jìn)入下一個(gè)加速度點(diǎn)的測(cè)試，直到所有加速度點(diǎn)測(cè)試完成后軟件進(jìn)入數(shù)據(jù)擬合處理流程；數(shù)據(jù)處理完成后生成報(bào)表。同理，當(dāng)加速度計(jì)輸入軸背向離心機(jī)旋轉(zhuǎn)軸安裝時(shí)，則測(cè)試軟件走負(fù)向半徑測(cè)量流程，負(fù)向半徑測(cè)量完成后，后續(xù)流程與同向測(cè)試流程一樣，最后數(shù)據(jù)處理完成后生成報(bào)表。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)步驟和方法：

1)同時(shí)將6只加速度計(jì)裝入工裝并固定在離心機(jī)臺(tái)面上，連接好測(cè)試電纜，啟動(dòng)測(cè)試軟件，進(jìn)入測(cè)試界面。

2)點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕，系統(tǒng)會(huì)彈出編號(hào)輸入對(duì)話框，此時(shí)輸入需要測(cè)試的加速度計(jì)編號(hào)，正向測(cè)試時(shí)，加速度計(jì)編號(hào)前綴標(biāo)為“P”，負(fù)向測(cè)試時(shí)，前綴標(biāo)為“N”，是對(duì)后期生成數(shù)據(jù)的區(qū)分。

3)點(diǎn)擊“開(kāi)始保存”按鈕。此時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，并且按照要求存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在測(cè)試的進(jìn)程中，還可以通過(guò)觀察測(cè)試曲線，來(lái)判定測(cè)試是否正確，測(cè)試的加速度計(jì)工作是否正常。

4)測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試狀態(tài)的對(duì)話框中會(huì)顯示測(cè)試的進(jìn)行情況，只有離心機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)采集數(shù)據(jù)。其中a值為離心機(jī)的轉(zhuǎn)速。測(cè)試結(jié)束時(shí)，測(cè)試狀態(tài)的對(duì)話框中會(huì)顯示“測(cè)試完成”。

5)正向測(cè)試結(jié)束后，將測(cè)試項(xiàng)目更改為“量程設(shè)置(負(fù))”，同時(shí)加速度計(jì)前綴更改為 “N”，進(jìn)行負(fù)向的測(cè)試，測(cè)試方法同上。

6)測(cè)試完成后，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)，生成數(shù)據(jù)報(bào)告文件。

基于上述系統(tǒng)與軟件設(shè)計(jì)，完成了加速度計(jì)非線性度參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置集成，并對(duì)多套振梁加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)分析數(shù)據(jù)，確定本方法精度滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)測(cè)試完全自動(dòng)化，大大提高測(cè)量效率。下面通過(guò)某支振梁加速度計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，表1～2分別使用自動(dòng)測(cè)試裝置、手動(dòng)控制離心機(jī)人工記錄數(shù)據(jù)測(cè)量計(jì)算，其中人工記錄測(cè)量時(shí)計(jì)算過(guò)程中的加速度直接采用理論加速度值。

表1是加速度計(jì)正向安裝時(shí)使用自動(dòng)測(cè)量裝置與手動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比。

表2是加速度計(jì)負(fù)向安裝時(shí)使用自動(dòng)測(cè)量裝置與手動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比。

從表1和表2中可以看出，在自動(dòng)測(cè)量和手動(dòng)測(cè)量?jī)煞N情況下，加速度計(jì)的輸出基本一致，表明自動(dòng)測(cè)量與手動(dòng)測(cè)量?jī)煞N方法數(shù)據(jù)可靠，具有可比性。從自動(dòng)測(cè)量計(jì)算可以看出：加速度計(jì)實(shí)際的加速度和理論加速度存在一定偏差，這是由于安裝和工裝誤差導(dǎo)致加速度計(jì)到離心機(jī)中心的半徑并不等于理論半徑R造成的，自動(dòng)測(cè)量裝置中將實(shí)際半徑R′計(jì)算出來(lái)，這樣測(cè)量精度就會(huì)更高。

表3是加速度計(jì)正向安裝時(shí)兩種測(cè)量方法二次項(xiàng)計(jì)算對(duì)比。

表4是加速度計(jì)負(fù)向安裝時(shí)兩種測(cè)量方法二次項(xiàng)計(jì)算對(duì)比。

表5是兩種測(cè)量方法標(biāo)度因數(shù)非線性模型計(jì)算對(duì)比。

表1 加速度計(jì)正向安裝時(shí)使用自動(dòng)測(cè)量裝置與手動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 加速度計(jì)負(fù)向安裝時(shí)使用自動(dòng)測(cè)量裝置與手動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 加速度計(jì)正向安裝時(shí)兩種測(cè)量方法二次項(xiàng)計(jì)算對(duì)比

表4 加速度計(jì)負(fù)向安裝時(shí)兩種測(cè)量方法二次項(xiàng)計(jì)算對(duì)比

表5 兩種測(cè)量方法標(biāo)度因數(shù)非線性模型計(jì)算對(duì)比

從表3到表5對(duì)比可以看出，自動(dòng)測(cè)量裝置和手動(dòng)記錄再計(jì)算得出的參數(shù)結(jié)果基本在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以進(jìn)一步證明自動(dòng)測(cè)量裝置測(cè)試數(shù)據(jù)的正確性和可靠性。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)手動(dòng)測(cè)試與自動(dòng)測(cè)試對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1)單次測(cè)試數(shù)量增加。

手動(dòng)測(cè)試是一個(gè)工裝只能裝夾一只加速度計(jì)表，自動(dòng)測(cè)試裝置是一個(gè)工裝同時(shí)裝夾6只加速度計(jì)，同時(shí)測(cè)試6只加速度計(jì)，效率大大提升。

2)測(cè)試人員減少。

手動(dòng)測(cè)試需要兩個(gè)人共同協(xié)作進(jìn)行，一個(gè)人負(fù)責(zé)手動(dòng)輸入離心速率，一個(gè)人負(fù)責(zé)手動(dòng)數(shù)據(jù)采集。而自動(dòng)測(cè)試裝置，減少了人力，只需一個(gè)人即可獨(dú)立完成離心測(cè)試。人力的減少，自動(dòng)化的測(cè)試，大大提升了測(cè)試的穩(wěn)定性，杜絕了人為輸入發(fā)生錯(cuò)誤的現(xiàn)象。

3)數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理。

手動(dòng)測(cè)試時(shí)，結(jié)果還需要Excel軟件處理，將正向和負(fù)向數(shù)據(jù)分別粘貼到處理軟件中，經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算才能得出加速度計(jì)的離心測(cè)試結(jié)果k2值。而自動(dòng)化測(cè)試結(jié)束的同時(shí)，加速度計(jì)的結(jié)果k2就已自動(dòng)生成，只需打開(kāi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)報(bào)表，就能得到需要的測(cè)試結(jié)果，減少了人工操作。

4)測(cè)量精度提高。

自動(dòng)測(cè)量裝置將正向安裝半徑和負(fù)向安裝精確計(jì)算了出來(lái)，不再采用理論中的半徑值，提高了測(cè)量精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前振梁式加速度計(jì)非線性度參數(shù)測(cè)量方法存在效率低、測(cè)量精度等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了一種振梁式加速度非線性參數(shù)測(cè)量的自動(dòng)裝置，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：自動(dòng)測(cè)量裝置數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，效率較高，這些參數(shù)對(duì)加速度計(jì)內(nèi)部器件進(jìn)行深入分析提供良好的數(shù)據(jù)支撐，能夠更好的提高加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性，有很好的現(xiàn)實(shí)意義。