基于LabVIEW的星用銣頻標多通道時差數據自動采集系統

范鳳軍，楊 正，祁士青

（上海精密計量測試研究所，上海 201109）

0 引言

時間頻率計量是研究周期運動或周期現象的特性和量的表征及測量的一門學科，時間和頻率又是周期運動及其屬性的不同側面描述和表征［1］。近年來，基于時間間隔測量原理的時差法因其簡便而在長期頻率特性測量中的應用日趨普及和廣泛。

星用銣頻標是衛星飛行和測控的時間基準，它與導航定位、目標探測密切相關，是衛星的關鍵儀器設備［2］。日頻率漂移率是星用銣頻標長期運行工作的基本特性。隨著衛星研制的發展，需要對多臺星用銣頻標同時進行測量。如采用單通道數據采集系統，每臺每天需采集數據780個，連續測量16臺銣頻標則需要15d，采集數據187 200個，且兩天間的測量間隔無法準確保證。采用多通道時差數據自動采集系統可實現多臺星用銣頻標的快速測量，該系統的關鍵是通過脈沖多路開關實現多路秒信號時差數據的自動定時采集，因測量時間持續15d，故對其可靠性提出了嚴格的要求。本文對利用計算機分析軟件和測量儀器程控功能的星用銣頻標多通道時差數據自動采集系統設計進行了研究。

1 硬件系統

該系統利用時頻實驗室已有的硬件設備，添置部分設備，編制一套時差數據自動化采集軟件實現16臺星用銣頻標長期頻率特性的同時測量。

星用銣頻標多通道時差數據自動采集系統組成如圖1所示。系統主要由標準參考源、被校星用銣頻標秒信號脈沖多路開關和數據采集處理三部分組成。標準參考源為時間頻率實驗室已有的氫鐘；分頻鐘輸出被校星用銣頻標產生1個秒信號；計算機程控分析軟件程控脈沖多路開關和時差數據采集器，進行通道切換和時差數據的采集及處理。

圖1 系統組成Fig.1 System block diagram

與單通道測試相比，多通道時差數據自動采集系統增加了脈沖多路開關和若干分頻鐘。時差數據采集器的一路信號是標準參考源產生的1個秒信號，另一路信號是被校星用銣頻標通過脈沖多路開關提供的1個秒信號，計算機程控分析軟件控制時差數據采集器進行時差數據的采集、處理和保存，每天可連續測量16臺被校星用銣頻標的時差數據。

2 數據處理與分析

本系統利用本地鐘1個秒信號作為參考，時差數據采集器從設定的比對時刻開始，每秒測量1次與星用銣頻標1個秒信號的時差值Y（ti），連續采集測量13min，得到測量值780個（i＝1，2，…，n，…，780），在用最小二乘法算法處理數據。

將780個測量值分為52組，每組15s的數據用最小二乘法進行二次項擬合（j＝1，2，…，m，…，15），擬合方程為

式中：a，b，c均為待定系數。用實驗數據確定方程中的待定系數，可計算出該測量時間段中點的擬合值Y（t8），共得到52個時差擬合值Y（tk），再次進行最小二乘法線性擬合（k＝1，2，…，p，…，52）可得

經過上述對時差數據的處理，可獲得被校銣頻標某一天的時差測量結果。對被校銣頻標連續測量15d，得到16個時差值Xi，相鄰兩個Xi的時間間隔τ＝1d，則被校銣頻標日頻率漂移率

｜r｜≥0.6時，表明該被校銣頻標輸出頻率隨時間具明顯的單向性。

3 軟件設計

選擇 LabVIEW 作為開發平臺［3－5］。軟件流程如圖2所示。

圖2 軟件流程Fig.2 Software flowchart

軟件架構如圖3所示。基于LabVIEW平臺的程控軟件采用模塊化方式編寫，將控制程序劃分為7個模塊，每個模塊實現部分功能，由主控模塊在高層管理并調度各子模塊工作，實現參數控制與數據讀取、顯示、處理、保存等功能。

圖3 軟件架構Fig.3 Software frame

a）主控模塊

完成儀器的初始化，通過與其他模塊的通信觸發各模塊工作，調度各模塊的執行，當程序運行結束后，釋放資源，關閉設備。

b）參數控制模塊

完成各種復雜的測量。參數控制模塊在程序面板上提供各種設置選項替代儀器面板上的菜單設置。

c）數據讀取模塊

將儀器產生的測量數據讀取到計算機，是完成程序與儀器數據交互的核心過程。

d）數據顯示模塊

通過LabVIEW的圖形化功能實時顯示采集到的時差數據。

e）數據處理模塊

通過LabVIEW內置的數據處理子程序完成對測量結果的處理，并讀取結果。

f）數據記錄模塊

對儀器功能進行擴展，將測量結果存儲到計算機磁盤中，便于日后分析處理。

g）錯誤處理模塊

確認儀器工作狀態是否發生故障，當有錯誤發生時，返回儀器內置的錯誤編號和錯誤描述，從程序界面顯示通知用戶。

星用銣頻標日頻率漂移率測量流程如圖4所示。

4 實驗結果

為驗證星用銣頻標多通道時差數據自動采集系統的性能，選用一臺銣鐘作為被測對象，用本系統和傳統手動測試同時進行兩組測試實驗，測量時間15d，時差測試結果見表1。

圖4 日頻率漂移率流程Fig.4 Daily frequency drift flowchart

表1 兩組測試實驗數據Tab.1 Two groups of experiment data

對自動和手動兩種測試方法獲得的數據進行處理，可得被校銣頻標日頻率漂移率分別為

由試驗數據和計算結果可知：本自動測試系統與傳統手動測量的結果一致，符合要求。自動測試系統的本底采用標準參考源的1個秒信號進行時差測量，連續測量28d的結果為－2.0×10－14。

5 結束語

本文利用LabVIEW平臺搭建了一套多通道時差數據自動采集系統，實現了多臺星用銣頻標長期頻率特性的同時測量。另外，該自動測量系統還用LabSQL數據庫訪問技術實現了時差數據的實時存儲、分析與處理。實驗表明：多通道時差數據自動采集系統自動化程度高，穩定可靠，完全滿足衛星型號研制的需求。

［1］ 李宗揚.時間頻率計量［M］.北京：原子能出版社，2002.

［2］ 張首剛.新型原子鐘發展現狀［J］.時間頻率學報，2009，32（2）：81-89.

［3］ 楊樂平.LabVIEW程序設計與應用［M］.北京：電子工業出版社，2001.

［4］ 彭漢國，艾瑞東，王明方，等.基于LabVIEW的數據庫訪問技術［J］.艦船電子工程，2009，29（8）：151-154.

［5］ 胡立志，張樹生，董 蓮.LabVIEW在時間頻率計量測試中的應用［J］.中國計量學院學報，2008，19（2）：133-136.