協調加載控制及數據采集系統的自動校準設計

嚴洪燕，武 樺，解啟瞻

（中航工業直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001）

0 引 言

協調加載控制及數據采集系統是直升機靜力試驗和疲勞試驗的核心設備，測試系統的準確度直接影響試驗數據的準確性和可靠性；因此，在科研試驗前必須對測試系統進行校準，以確保測試系統準確可靠。

協調加載控制及數據采集系統的特點是多通道多參量，校準工作量極大。采用傳統計量方法校準費時費力，容易出錯。在直升機多型號研發過程中，為保證科研試驗任務按節點順利完成，要求在短時間內對測試設備進行校準。因此，急需設計出一套針對協調加載控制及數據采集系統的自動校準平臺，以滿足型號研發試驗的需要，并保證科研試驗任務的順利進行。

1 系統組成

系統是由標準源（Fluke5520A/5720A多功能校準源、CBA-2310A應變校準器/1550A應變源）、標準表（Agilent34401A數字多用表、Agilent34970A數據采集表、FlukePM6681R/CNT-90數字頻率計、VA-2230A音頻信號分析儀）、被校設備（FlexTest200、Aero ST、Aero-90等）、便攜式計算機、自動校準軟件組成。

2 系統校準原理

便攜式計算機通過GPIB接口與標準源和標準表連接，標準源的信號輸出端與被校設備的信號輸入端連接，被校設備的信號輸出端與標準表的信號輸入端連接，通過自動校準軟件控制標準源發送標準信號，同時控制標準表測出被校設備的輸出值，并對測試數據進行處理及存檔，形成報告。

2.1 控制通道的校準原理

伺服控制通道（簡稱控制通道）的校準原理如圖1所示。將標準表（數字多用表、數字頻率計、音頻信號分析儀）與被校設備的信號輸出端連接，通過控制被校設備的信號輸出，由校準軟件控制標準表分別測出頻率、幅值及失真度，并對數據進行處理及存檔[1]，實現對被校設備控制通道的校準。

圖1 控制通道校準組成示意圖

2.2 數采通道的校準原理

數據采集通道（簡稱數采通道）的校準原理如圖2所示。將標準源（多功能校準源、應變校準器）與被校設備的信號輸入端連接，標準表（數字多用表/數據采集表）與被校設備的信號輸出端連接，通過設置被校設備的測試通道、量程及參數，由校準軟件控制標準源輸出標準信號，同時控制標準表測出輸出值，并對數據進行處理[2-3]，從而實現對被校設備數采通道的線性、示值、零漂、采集速率、通道間串擾的校準。

圖2 數采通道校準組成示意圖

3 校準系統軟件設計

系統軟件設計是實現協調加載控制及數據采集系統自動校準的關鍵，選擇擁有快速連接和測量分析功能，以及可預測、管理和優化測試功能的Agilent VEE Pro作為軟件開發平臺。

3.1 校準軟件結構設計

校準系統軟件設計采用模塊化的設計。軟件總體結構是由儀器信息記錄、控制通道校準、數采通道校準、打印輸出4個模塊構成。儀器信息記錄模塊是由測試儀器信息登記模塊、計量標準信息記錄模塊、校準結果信息記錄模塊、環境及人員信息記錄模塊4個子模塊組成；控制通道校準模塊是由頻率準確度校準模塊、電壓幅頻特性校準模塊、非線性失真校準模塊3個子模塊組成；數采通道校準模塊是由線性誤差校準模塊、示值誤差校準模塊、零點漂移校準模塊、采集速率校準模塊、通道間串擾校準模塊5個子模塊組成；打印輸出模塊是由審核測試數據模塊、打印預覽數據模塊、打印測試數據模塊3個子模塊組成。校準軟件結構組成示意圖如圖3所示，校準軟件設計程序框圖（局部）如圖4所示。

3.2 校準軟件流程設計

圖3 校準軟件結構組成示意圖

圖4 校準軟件設計程序框圖（局部）

首先繪制軟件工作流程圖，根據軟件工作流程圖，可把不同模塊分發給不同的編程人員，可以有效、快速地開發軟件。由于篇幅有限，不可能將全部軟件設計流程圖繪出，只能繪出部分典型模塊的設計流程圖，現以控制通道校準主模塊的電壓幅頻特性校準項目和數采通道校準主模塊的線性誤差校準項目為例，介紹該子模塊的校準軟件設計流程圖如圖5所示。

3.3 儀器信息記錄及打印輸出模塊設計

圖5 子模塊校準軟件設計流程圖

儀器信息記錄模塊是收集（對測試儀器信息登記、計量標準信息記錄、校準結果信息記錄、環境及測試人員信息記錄）所有校準前后的備檔留存信息。打印輸出模塊是完成校準任務后對校準數據備檔信息輸出形成紙質報告提交客戶（可預覽和打印測試數據）。對開發平臺的庫函數（Text Constant、Selection Control、To File、Collector、Execute Program、Gate、To Printer等模塊）[4]的調用來實現。

3.4 控制通道校準模塊設計

控制通道校準模塊是根據儀器的指令代碼編寫儀器驅動來控制標準儀器，實現對被校設備控制通道的頻率準確度、電壓幅頻特性、非線性失真3個項目的校準。按照圖5所示的校準軟件系統流程圖設計編寫電壓幅頻特性校準模塊程序。通道1電壓幅頻特性校準數據見表1。

表1 通道1電壓幅頻特性校準數據

3.5 數采通道校準模塊設計

數采通道校準模塊設計根據儀器的指令代碼[5-7]編寫儀器驅動來控制標準源發送標準信號及控制標準表采集測試數據，實現對被校設備數采通道的線性誤差、示值誤差、零點漂移、通道間串擾的校準。可根據測試狀態，設有實時顯示、超差報警功能。依據檢定規程和校準規范編寫誤差處理子模塊，對測試數據進行處理[2-3]及保存。采集速率校準是通過控制標準源發送標準信號，通過被校系統的計算機采集數據并存檔，并通過數據傳輸線將采集的數據文件傳輸到校準系統的便攜式計算機中，校準軟件讀取采集數據，進行數據分析及統計，計算出被校通道實際最高采集速率。

線性誤差校準模塊測試結果顯示圖如圖6所示，圖中顯示的數據是根據數據采集系統校準規范[2]計算得出。其他校準子模塊的編寫方法與上述類似。

4 結束語

圖6 線性誤差校準結果實圖

協調加載控制及數據采集系統的自動校準平臺，顯著提高了工作效率，符合國家計量傳遞標準規定，有效解決了量值溯源問題，以及我國直升機系統亟待解決的專用測試設備原位校準的難題，已在直升機型號研發中發揮了重要作用。

[1]JJG602—1996低頻信號發生器檢定規程[S].北京：中國計量出版社，1996.

[2]JJF1048—1995數據采集系統校準規范[S].北京：中國計量出版社，1995.

[3]JJG623—2005電阻應變儀檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2005.

[4]Agilent Corporation.Agilent VEE Pro 9.0 User’s guide[M].USA：Agilent Corporation，2009.

[5]Fluke Corporation.5520A multi-product calibrator operators manual[Z].USA：Fluke Corporation，2001.

[6]Fluke Corporation.5700A/5720A series II multi-function calibrator operators manual[Z].USA：Fluke Corporation，2005.

[7]TML Corporation.CBA-2310A automatic calibrator operators manual[Z].Japan：TML Corporation，2003.