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基于虚拟仪器的加速度计测试系统方案设计
发布时间：2017-11-22
引言
导弹武器系统的射击精度偏差主要是由惯性器件测量误差引起的,而加速度计占其大部分,因此对加速度计的测试特别是对误差系数的标定提出了很高的要求。目前加速度计测试工序多,操作复杂,很容易引起误操作,同时测试系统不能满足自动化、快速化的测试要求。随着虚拟仪器技术的飞速发展,出现了PXI总线。PXI总线是PCI总线的一种扩展总线,由于其模块化、通用性以及标准化及软件兼容性设计等优点,使之成为目前应用最广泛的测试总线。基于PXI总线的优点以及为了有效的提高测试效率和自动化水平,设计了基于PXI总线的加速度计自动化测试系统。
1加速度计测试原理
加速度计的测试是根据重力加速度矢量可以作为标定加速度计的标准输入量的原理进行的,以改变仪表相对于重加速度矢量的位置来改变仪表各轴的输入信息,从而确定加速度计的各项误差系数。它的主要参数模型可以用转台转动角度0°、90°、180°、270°4个基本位置的输出计算。4位置法提供的信息有限而无法辨识高阶项,加速度计的简化模型如式(1):U= k0+k1ai+k2a2i(1)式中:k0为加速度计的零偏;k1为加速度计的标度因数;k2为加速度计的二阶非线性系数。加速度计在各个位置的输出可以表示为式(2)：
式中:α为安装误差角和旋转误差角;β为绕转轴垂直方向的滚动角。
联立方程组,并求解得到:
2自动化测试系统的组成
自动测试系统板卡部分均采用美国NI公司的产品,所有的板卡均插在PXI-1025的机箱中。NI公司为每个模块提供了完整的驱动程序库,把模块安装到PXI机箱中,在计算机上安装相应的软件系统,包括虚拟仪器的开发工具,以及每块板卡对应的驱动程序,就可以在计算机上构建整个测试系统。为管理整个系统中的软硬件资源,NI开发了自己的系统管理工具Measurement & AutomationExplorer,简称MAX。它是一个集成到Windows Explorer的工具,用户可以利用这个工具管理NI公司的仪器设备,对硬件进行各种必要的设置和测试。该测试系统组建主要采用NI8176系统控制器、NI-6602高速计数器、NI-6070E多功能数据采集板、NI-4070数字万用表等。组建测试系统时,由于加速度计是敏感度很高的惯性器件,容易受到外界环境、温度以及测试设备的精度等因素的影响,因此组建测试系统时必须考虑抗干扰以及微小信号的测量问题。
2.1测试系统硬件组成
根据通用测试要求选择硬件包括:
1) PXI机箱
组建自动测试系统采用NI公司PXI-1000机箱,PXI-1000基本参数为:尺寸40.4 cm×43.9 cm×17.7 cm,底座上由8槽PXI,4槽SCXI。
2) NI-8176
系统采用NI-8176嵌入式计算机作为系统控制器,完成整个测试系统的控制任务。它控制整个系统按预定程序正常运行。NI8176采用主频为1.26 G的PentiumIII处理器,最高支持512 M内存,内置10 G(或更大)硬盘。NI-8176通过自己的RS232接口输出转动指令,来控制位置转台按程序要求进行转动。
3) PXI-6602
PXI6602计数器/定时器在该系统中主要用于测量加速度计在规定的时间内输出的脉冲数,为加速度计的标定提供原始数据。包含8路32位计数器/定时器,用于对数字、脉冲信号的采集以及交流或周期信号频率、周期的测量。它具有最高80 MHz的源频率(带预定标器可高达125 MHz),以及数字防抖动过滤与短时脉冲干扰消除。
4) NI-6070E
NI-6070E多功能数据采集卡主要用于监视电流和电压信号。在具有12位模拟输入,可用于连续或单点高速数据采集,模拟输入、模拟输出的同步控制。NI-6070E提供多达64路单端或32路差分模拟输入。1.25 MS/s的采样速度和1.25 MS/s磁盘写入速度;输入范围±0.05~±10 V。另外还有两路12位模拟输出、8条数字I/O线和两路24位计数器/定时器。
5) NI-4070
NI-4070是集成精密测量的高精度多功能数据采集卡,在该系统中主要用于采集加速度计输出信号,它的采样精度达到612(22 bit),能够完成微小信号的高精度采集。
2.2测试系统软件设计
软件系统采用层次化、模块化的程序设计方法,每一个功能子程序均是一个独立的功能模块。以Microsoft的VB为主要的软件平台,调用设备的相关驱动软件实现各仪器、模块功能。且VB编程可以实现面板设计的美观、灵活、易操作。
软件系统可以分为:系统设置、数据采集与处理系统和数据库管理模块系统。
1)系统设置
系统设置主要功能设计如下:提供输入参数界面,可以设置数据库中必要的参数,如:测试人员、测试时间、测试点、测试设备代号,并将数据传递到数据库中存储;提供数据库的存储路径。
2)数据采集与处理系统
数据采集与处理系统主要是利用VB开发平台与采集模块的驱动程序,通过数据采集模块和PXI仪器完成测试数据的采集,并进行必要、简单的数据处理,然后将数据存储到数据库。数据采集系统主要完成模拟信号测量、数字信号测量等。
3)数据库管理模块
数据库管理模块主要功能包括:数据查询、数据修改、报表输出等;整个测试系统的软件框架如图2所示。
其中数据采集模块和数据分析模块是比较关键的2个部分,以下是对它们进行相应的介绍。数据采集模块:主要是对模拟量信号进行采集,软件开发环境为VB,板卡驱动程序版本为DAQ。以下是对模拟量进行采集的部分程序代码:
//初始化数字万用表
niDMM _ init (InstrDesc. Text, VI _ TRUE, VI _TRUE, VI)
//设置数据采集时间
timeLimit = 10 000
//设置采样精度
Resolution = CtlVal(Digits) + 3.5
//设置采集信息
niDMM _ ConfigureMeasurementDigits (VI, CtlVal
(measFunction), _
Val(Range.Text), Resolution)
//设置采样次数
niDMM_ConfigureMultiPoint(VI, 1, Val
(NumSamples.Text), _
NIDMM_VAL_IMMEDIATE, 0#
数据分析模块:主要完成对数据采集板卡采集到的数据进行处理。在该测试系统中,它的主要功能就是对加速度计的误差系数标定等式用程序代码表示出来。加速度计的误差系数标定等式如式(3)~(5)所示。
3测试系统的应用
NI-4070是集成精密测量的高精度多功能数据采集卡,采样精度达到612(22 bit),满足石英加速度计测试的要求,由于石英加速度计的测试项目众多,这里仅介绍一下采集的加速度计在4位置标定情况下的输出信号,并进行滤波数据处理。
应用标准Kalman滤波算法对加速度计测试的原始数据进行处理,可得原始数据与滤波结果的比较如图3所示,图中横坐标代表采样个数,纵坐标代表加表输出。从图3比较可以看出,应用标准Kalman滤波算法对加速度计测试的原始数据进行处理,剔除了粗大误差,提高了数据的稳定性,为加速度计标定提供了良好的基础。
4结论
系统用虚拟仪器取代了传统的加速度计测试仪,从而在很大程度上解决了加速度计测试复杂,自动化程度不高、人为误差大等问题,并满足了现代化、快速化的要求。基于PXI总线的加速度计测试系统的组建,实现了数据的高速、精确采集。实践中,已将该测试系统应用于石英加速度计测试,结果证明基于PXI总线的加速度计测试系统能够满足试验要求。
摘自：中国计量测控网
