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基于GP-IB總線的加速度計(jì)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[圖]
[ 通信界 / 佚名 / www.6611o.com / 2012/3/25 10:58:22 ]
 

摘要:通過對當(dāng)前加速度計(jì)測試工序多、操作復(fù)雜、易引起誤操作的現(xiàn)狀分析,為能更好地標(biāo)定石英撓性加速度計(jì)性能參數(shù),設(shè)計(jì)了基于GPIB總線技術(shù)的加速度計(jì)測試系統(tǒng),確定了系統(tǒng)的硬件組成。同時針對石英撓性加速度計(jì)反饋信號較弱、精度要求高的特點(diǎn),設(shè)計(jì)采用了數(shù)字多用表技術(shù),利用其內(nèi)部抑制噪聲和信號處理等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)輸出微小信號的精確測量。同時,由于加速度計(jì)測試樣本數(shù)據(jù)較少,采用兩次插值對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,擴(kuò)大了樣本容量,解決了小樣本難以建模的問題。與現(xiàn)用的測試系統(tǒng)相比較,該測試系統(tǒng)有著技術(shù)先進(jìn)、數(shù)據(jù)處理與分析能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),測試結(jié)果表明,該測試系統(tǒng)精確穩(wěn)定,能夠滿足加速度計(jì)標(biāo)定測試的使用要求。

加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要敏感元件,在高精度定位定向系統(tǒng)中,其性能的好壞起著關(guān)鍵作用,為此需對加速度計(jì)進(jìn)行嚴(yán)格的測試。到目前為止,許多加速度計(jì)的檢測仍然采用人工方法,由多人負(fù)責(zé)一套測試臺,測試數(shù)據(jù)也由人工讀取并記錄,這種方法效率低、容易出錯,在大批量加速度計(jì)的檢測過程中,其弊端日益明顯。隨著自動測試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)日益普及,GPIB(IEEE488)接口和總線技術(shù)日趨成熟,GPIB技術(shù)逐漸顯示出用于針對加速度計(jì)測試的適應(yīng)性,這種傳感器具有測試數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)流量適中、實(shí)時性要求較高、具有可擴(kuò)展性與易用性的特點(diǎn),測試人員可以方便地通過高級語言編程開發(fā)出實(shí)用的加速度計(jì)自動測試系統(tǒng)。因此,為有效提高測試效率和自動化水平,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于GP-IB的測試數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng),為加速度計(jì)的穩(wěn)定性分析、精度分析和性能評估及預(yù)測提供了理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及工作原理

數(shù)據(jù)采集是將加速度計(jì)的輸出經(jīng)過適當(dāng)轉(zhuǎn)換后,經(jīng)信號調(diào)理、采樣、量化等步驟送到主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過程。由于對加速度計(jì)的精度要求越來越高,相應(yīng)地,對其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也提出了很高的要求,其諸多性能參數(shù)的測試也必須在穩(wěn)定的環(huán)境中經(jīng)過嚴(yán)密地檢測過程來完成。

1.1 數(shù)據(jù)采集方案

對于石英撓性加速度計(jì),它是典型的模擬反饋加速度計(jì),通常以電流或電壓的方式輸出,其標(biāo)定測試主要是測量反饋回路的電流信號,但反饋電流信號比較弱,精確采集比較困難。一般高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)對加速度計(jì)的精度要求要達(dá)到10-5G,這樣就需要轉(zhuǎn)換器的精度要達(dá)到10-6G。目前對于模擬反饋加矩方式的加速度計(jì),若采用常規(guī)的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)采集,A/D板的轉(zhuǎn)換位數(shù)需達(dá)到24位(分辨率1/224)。但當(dāng)轉(zhuǎn)換速度很快時,在低端精度會有所損失,達(dá)不到24位的標(biāo)準(zhǔn),這使其在轉(zhuǎn)換過程中的速度、量程以及精度不能同時兼顧。

目前,對加速度計(jì)的測試通常采用基于PC104總線的測試系統(tǒng),或者基于PXI總線技術(shù)的測試系統(tǒng)。前者的優(yōu)點(diǎn)在于,能同時進(jìn)行多通道測量,測量速度快,容易實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)的動態(tài)誤差系數(shù)標(biāo)定;后者優(yōu)點(diǎn)在于通用性強(qiáng),模塊化程度高,軟件編程兼容性好。但是兩者都存在一定的缺點(diǎn):基于PC104總線的測試方案需要采用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換板,并且要增加相關(guān)的信號調(diào)理電路;而基于PXI總線技術(shù)的測試方案成本較高。目前,隨著總線技術(shù)的日趨成熟,由于接口編程方便、開發(fā)使用靈活,CPIB通用接口總線成為了目前應(yīng)用較為廣泛的測試總線。基于上述原因,為有效提高測試效率和自動化水平,設(shè)計(jì)采用基于GPIB總線的加速度計(jì)自動化測試系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)硬件組成

如圖1所示,設(shè)計(jì)的加速度計(jì)測試系統(tǒng)主要由工控機(jī)、GPIB接口控制器、數(shù)字多用表、多通道切換系統(tǒng)和PCL720+數(shù)據(jù)采集卡等部分組成。


     圖1 測試系統(tǒng)硬件組成圖

其中,GPIB總線是一個數(shù)字化24腳并行總線,采用8位并行、Byte串行、異步通信方式,所有Byte通過總線順序傳送。在應(yīng)用中,各種具有GPIB總線接口的電子設(shè)備均可連接到GPIB總線,由計(jì)算機(jī)擔(dān)任整個總線的信息分配和控制。多通道切換系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對多個通道信號的測量,GPIB接口控制器實(shí)現(xiàn)對數(shù)字多用表的控制,從而完成對加速度計(jì)輸出參數(shù)的實(shí)時測試。工控機(jī)作為硬件平臺,所有的測試板卡都安裝在工控機(jī)插槽上,在計(jì)算機(jī)上安裝每個板卡對應(yīng)的驅(qū)動程序,利用工控機(jī)的功能,可以構(gòu)建整個測試系統(tǒng),完成信號采集、任務(wù)管理等功能。測試設(shè)備HP34401A是HP公司開發(fā)的一種6位半的高精度數(shù)字萬用表,可以進(jìn)行手動測試或自動測試。HP34401A是可程控的高精度數(shù)字萬用表,可通過嵌入到VC中的SCPI指令進(jìn)行通訊和測量。它帶有通用的GPIB和RS232標(biāo)準(zhǔn)接口,可以在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行各種高精度的測量。南于石英撓性加速度計(jì)輸出的信號一般是電流信號,為利用數(shù)字多用表技術(shù),在加速度計(jì)的輸出端接入一精密采樣電阻實(shí)現(xiàn)微小信號的精確測量。另外,由于數(shù)字萬用表一般只有一路測試通道,而在加速度計(jì)測試時,經(jīng)常需要同時對多路信號進(jìn)行測量,為此設(shè)計(jì)了多通道切換系統(tǒng),使一臺數(shù)字萬用表能夠分時對幾路信號進(jìn)行測量,其構(gòu)成如圖2所示。


     圖2 多通道切換系統(tǒng)組成框圖

測試信號經(jīng)過電壓跟隨器后進(jìn)入多路復(fù)用器進(jìn)行分時切換,使某一時刻只有一路信號能通過與數(shù)字萬用表的接口傳遞給數(shù)字萬用表。電路由與通過通信端口與計(jì)算機(jī)相連的單片機(jī)進(jìn)行控制,它能根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號控制多路復(fù)用器,實(shí)現(xiàn)通道選擇和對切換時間的控制。

系統(tǒng)的測量精度主要決定于數(shù)字多用表的精度,測量速度取決于數(shù)字多用表掃描頻率。這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)是利用了臺式儀表的噪聲抑制技術(shù),測量精度高;缺點(diǎn)是測量速度慢,而且對多通道是串行測量,但該測試系統(tǒng)在加速度計(jì)性能參數(shù)采集處理中的應(yīng)用表明:速度完全滿足系統(tǒng)的要求。

1.3 測試原理

石英撓性加速度計(jì)安裝在轉(zhuǎn)臺上,通過轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動調(diào)整方位。測控計(jì)算機(jī)通過I/O口控制繼電器依次打開通道切換開關(guān),使被測量的多路模擬信號首先進(jìn)入多通道切換電路,通道模擬電路在計(jì)算機(jī)的控制下根據(jù)軟件的設(shè)定對多路信號進(jìn)行分時切換,使每一時刻只有一路模擬信號能夠傳遞給HP34401A;根據(jù)軟件的設(shè)定,測控計(jì)算機(jī)再經(jīng)由GPIB總線控制HP34401A對接收到的信號進(jìn)行測量,并讀取數(shù)據(jù),然后把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息通過RS-232接口傳送給計(jì)算機(jī)然后根據(jù)加速度計(jì)輸出的靜態(tài)模型方程,進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,得到靜態(tài)誤差模型系數(shù)。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是達(dá)到測試數(shù)據(jù)的自動采集處理與存儲,其測試任務(wù)流程如圖3所示。


     圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

根據(jù)加速度計(jì)輸出特性的靜態(tài)模型方程,通過編寫相應(yīng)的程序算法,計(jì)算出模型方程的系數(shù),并將處理結(jié)果進(jìn)行顯示,測試顯示界面如圖4所示。


     圖4 四位置測試顯示界面

2 測試數(shù)據(jù)的處理

對于加速度計(jì)而言,隨著時間的推移其參數(shù)的穩(wěn)定性往往會發(fā)生比較明顯的變化。目前加速度計(jì)的穩(wěn)定期指標(biāo)為3個月,但一般很難保證每3個月就對加速度計(jì)進(jìn)行一次測試,因而得到的數(shù)據(jù)比較零亂,很難找到描述加速度計(jì)測試數(shù)據(jù)的規(guī)律,并且測試數(shù)據(jù)較少,也增加了描述其時間特性的難度。為解決這個問題,采用插值法對獲得的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并且為防止插值后產(chǎn)生的加速度計(jì)測試數(shù)據(jù)的時間序列誤差較大且插值點(diǎn)不均勻的現(xiàn)象,通過兩次使用樣條函數(shù)進(jìn)行插值,擴(kuò)大了樣本容量,解決了小樣本難以建模的問題。

現(xiàn)以加速度計(jì)的偏值系數(shù)為例來進(jìn)行分析,從2005年8月到2008年7月,對某型號加速度計(jì)進(jìn)行了多次測試,共取得了9組有效數(shù)據(jù)。首先,根據(jù)歷次測得的加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù),利用其靜態(tài)數(shù)學(xué)模型方程,計(jì)算出其性能指標(biāo)值,如表1所示。

表1 插值前的數(shù)據(jù)
    

其次,以計(jì)算所得的性能指標(biāo)值為基本點(diǎn),以3個月為單位選擇插值點(diǎn)進(jìn)行插值,這樣可以獲得加速度計(jì)歷次測試數(shù)據(jù)的樣本容量相對較小的一個基本時間序列,如表2所示,共得到3個插值點(diǎn),這3個點(diǎn)與9個基本點(diǎn)構(gòu)成一個新的基本時間序列。

表2 第一次插值后的數(shù)據(jù)
    

很明顯,這個新建的時間序列樣本仍然較小,建模時很難得到一個準(zhǔn)確、完整的模型,無法正確預(yù)測加速度計(jì)性能參數(shù)的變化趨勢。因此,提出了二次樣條修正插值。在第一次插值所得時間序列的基礎(chǔ)上,利用三次樣條函數(shù)在每相鄰的兩個基本點(diǎn)之間再次進(jìn)行插值,即在相鄰的兩個基本點(diǎn)之間插入2個插值點(diǎn),得到一個樣本容量為34的新的二次插值時間序列,插值結(jié)果如圖5所示。最后,針對插值后的序列,利用逆序檢驗(yàn)法進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn),根據(jù)樣本的自相關(guān)函數(shù)和偏相關(guān)函數(shù)對建立的模型進(jìn)行識別,判斷階數(shù),再根據(jù)現(xiàn)在和過去的數(shù)值,對將來一段時間內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行估計(jì),預(yù)測值和真實(shí)值的比較如圖6所示,從圖中可以看出,做出的預(yù)測較為合理。


     圖5 兩次樣條插值后的結(jié)果圖


     圖6 預(yù)測值和真實(shí)值的比較圖

另外,在對加速度計(jì)時間序列進(jìn)行插值和預(yù)測分析時,帶入了一些誤差,為消除這些誤差,采用自適應(yīng)濾波方法,利用加速度計(jì)已有的測試數(shù)據(jù)對預(yù)測結(jié)果做了相應(yīng)處理,從而使預(yù)測結(jié)果能更好地反映加速度計(jì)的實(shí)際狀況。

3 結(jié)束語

文中闡述了在加速度計(jì)性能測試系統(tǒng)中,利用數(shù)字電壓表技術(shù),通過GPIB接口,在工控機(jī)的控制下完成微弱信號采集的一種方法,該系統(tǒng)具有較高的分辨率、良好的抗干擾性和較低的噪聲干擾等特性;并且利用該系統(tǒng)對某型導(dǎo)彈加速度計(jì)進(jìn)行了測試,測試結(jié)果表明,可以滿足加速度計(jì)信號高精度的要求。利用插值方法對歷次測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了擴(kuò)充,并建立了時間序列模型,通過模型分析和預(yù)測了加速度計(jì)各項(xiàng)性能參數(shù)的變化趨勢。

 

作者:佚名 合作媒體:不詳 編輯:顧北

 

 

 
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