通用信號動態測試系統設計與實現

，

(1.華北計算技術研究所，北京 100083；2.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

0 引言

近年來，隨著型號研制的不斷深入，對試驗測試的需求隨著任務量的增加而越來越高。為滿足某型號地面試驗的測試需求，提出了研制新的基于總線的通用信號動態測試系統，以解決壓力、溫度、流量等信號動態測試及分布式多測試系統同步采集等問題，實現多路輸出標準電壓、電流信號的各類傳感器和多路溫度通道數據的同步采集和存儲，為型號成功提供基礎保障。

本文設計了相應的軟件及硬件，介紹了通用信號動態測試系統的結構方案和功能實現，并給出軟件實現的主要界面和測試結果。

1 系統總體方案

整個系統的具體組成框圖如圖1所示，基于計算機分布式網絡結構建立的試驗測試系統，由硬件采集器與數據采集軟件組成。硬件采集器提供了系統數據采集時的硬件平臺，通過建立此硬件平臺，可使用戶方便地按照測試任務的要求使用或更換傳感器；數據采集軟件用來保證系統穩定可靠地獲得和存儲傳感器采集的數據，便于后續分析，并提供友好的系統操作、數據顯示界面和通信接口[1-2]。

圖1 通用型信號測試系統組成框圖

通用信號動態測試系統的工作原理如圖2所示，具體描述如下：

對于單套測試系統，傳感器感應待測物理量并產生相應的模擬電信號，電信號數據傳輸到數據采集儀中的溫度或壓力采集卡，進行AD轉換后轉換為數字信號，控制器中的數據采集軟件采集數字信號數據，顯示和存儲在控制器中。

對于多套串聯的測試系統，首先通過IEEE1394火線將多套設備數據采集儀進行串聯[3]，將一臺通用信號動態測試裝置作為主機，只需設置主機控制器的通用信號動態測試軟件，即可以在主機上實現所有溫度數據和壓力數據的同步采集和存儲，通過分布式同步采集技術保持多套系統間數據的采集同步性。

圖2 通用型信號測試系統的工作原理

由于不同的通用信號動態測試系統的采樣頻率可能有差異，為保證數據在時域位置的一致性，除了保證不同的測試系統開始同步采集外，還要保證不同的系統在確定的分析時間點上有數據，即對于系統采集的數據不包含時刻t0的需要通過信號重構，構建出該時刻的數據。該采樣數據的實時構建的時間基準依據主機的周期脈沖和從機內B的高精度時鐘，作為重構函數輸出點的位置計算基準，再以當前時刻以前的特定數據點構建重構函數的系數，以此系數結合后續采集的數據重構所需時刻t0的數據[4]。

系統主要技術參數如下：

1)壓力測試通道兼容流量、液位等變送器輸出的標準信號(0～5 V)，每路通道提供24VDC激勵電壓；

2)溫度測試通道(-50～50 mV)，滿足T、K、E型熱電偶測試需求；

3)壓力測量精度優于±0.2%FS，溫度測量精度優于±1 K；

4)采樣率可自由設置，每通道最大采樣速率不小于10 kHz；

5)通道共模抑制比大于80 dB。

2 系統軟件設計

本系統軟件能夠根據傳感器連接情況方便的設置使用的通道及根據信號類型自動選擇合適的調理模塊及通道，可以自由的設置采樣頻率，可以實時的顯示所需信號的曲線，并定時更新顯示相應通道的即時數值，能夠將采集到的數據進行存儲和回放，可以將傳感器靈敏度設置信息、試驗項目、操作者等輸入的信息進行保存以便下次調用，可以通過以太網將數據上傳到控制器。

為了有效的保證系統的可靠性并結合功能實現與設計需要，整個軟件的編程采用NI圖形化的編程環境LabVIEW實現，LabVIEW集成了眾多采集卡硬件的驅動程序，其獨特的圖形化開發環境簡化了與測量設備的接口，并提供了對于第三方軟件的驅動支持，具有良好的靈活性和可擴展性[5]。

2.1 軟件功能設計

測試系統軟件須具備基于IEEE1394火線的通信、控制和數據采集功能[6-7]，具體功能細化如下：

1)參數設置功能 在此功能下，可以靈活設置傳感器通道及相應的信號輸入類型，自由設置采樣率，設置傳感器零點校準等參數；可以將配置過的參數保存形成單獨的配置文件，以供查詢和調用。

2)數據顯示功能 用于實時顯示各通道對應的測量曲線，同時要定時更新顯示相應通道的數值，此數值要以數字型式顯示在軟件界面上，數據以通用格式(TDMS文件)進行存儲。

3)過程控制功能 用于整個數據采集中的啟停、外觸發、同步、數據的存儲等控制。

4)數據分析功能 用于讀取已保存過的數據文件，對該數據文件進行數據回放和曲線顯示，對回放的曲線可以進行放大、縮小等操作，從而更具針對性地觀察和分析比較感興趣的數據段。

5)數據導出功能 應具有Excel、文本文件等通用數據文件接口，試驗數據可按時間和測點選擇導出；還需具備數據文件的格式轉換功能，可以將數據文件由一種格式轉換為另外一種格式并導出。

2.2 軟件結構設計

通用型信號測試系統軟件主要由試驗配置模塊、數據采集模塊、數據分析模塊和傳感器管理模塊組成，其系統組成如圖3所示。

圖3 通用型信號測試系統軟件結構圖

1)試驗配置模塊結構設計：

試驗配置模塊主要用來設置本次試驗的參數，以及記錄本次試驗項目的相關信息。該模塊可以修改某個通道的參數，如輸入信號類型、量程、靈敏度、校驗有效期等相關參數信息，設置通道的啟用狀態，所有通道設置完畢即可保存形成本次試驗的配置文件；還可以打開以前保存的配置文件，讀取后直接顯示于試驗配置界面上；根據測量任務的實際情況，修改某個通道的開啟狀態或其它參數，完成本次試驗的參數設置，并保存形成新的配置文件，從而省去了手動輸入的麻煩。保存的配置文件可以直接被數據采集模塊讀取，其參數被加載到硬件上。

2)數據采集模塊結構設計：

數據采集模塊由參數讀取、過程控制、數據顯示和數據保存模塊組成。參數讀取模塊負責讀取試驗配置文件中的各項參數。過程控制模塊用于控制數據采集的參數加載、啟動、停止和同步。數據顯示模塊能夠實時顯示所選通道的信號曲線和相應的數值，可以通過拖拽的方式選擇并顯示某個通道的曲線或數據；當多個通道被選擇時，會顯示每個通道的采集數據和曲線，可以看到多條曲線同時顯示。數據保存模塊負責把采集到的數據統一存儲為TDMS文件，以及記錄采集數據的時間。

3)數據分析模塊結構設計：

數據分析模塊包含數據回放、分析處理和數據導出等功能。該模塊可以選擇已經保存的歷史數據進行讀取和回放，在界面上有專門的區域顯示該段數據的曲線，可以同時顯示兩次不同測試試驗中同一采集點的數據，可以選擇顯示的通道，還可以選擇顯示的數據段，方便進行不同通道之間數據的比較，可以將選擇的通道數據或數據段另存為單獨的數據文件；可以對曲線進行放大、縮小等操作，并自動求出數據曲線段的平均值、最大值和最小值，以方便用戶觀察并分析感興趣的數據。

4)傳感器管理模塊結構設計：

傳感器管理模塊包含數據查詢、數據修改和數據保存等功能。該模塊可以錄入并保存不同傳感器的各項參數，方便管理和查閱；可以設置不同的查詢條件，查詢出滿足條件要求的傳感器信息，以供用戶調用或修改；如果想要修改某項傳感器信息，需要通過查詢模塊查詢到待修改的傳感器，修改其中的參數并保存到數據庫中。

3 系統的具體實現

硬件采集器選用的是HBM公司的Quantum X系列數據采集儀，實現橋路、電壓、電流等多種信號的采集，通用性極強，具備一定靈活性和擴展能力，通過火線實現多個機箱的級聯及同步。

用于采集溫度信號的采用通用型采集器MX840A，8通道同步數據采集卡，19.2 kHz 采樣率/通道，24 bit精度，內置硬件濾波器，輸入電壓范圍為±100 mV～±60 V。可直接連接8種熱電偶。用于壓力信號采集的數據采集模塊采用MX1601標準數采器，16路同步通道，19.2 kHz 采樣率/通道，24 bit精度，內置硬件濾波器，輸入電壓范圍為±100 mV～±10 V，由于，后8個通道的電壓比前八個通道的電壓低1 V，需要配備單通道直流穩壓電源，以便給后8路通道提供24 V電壓。

采用基于動態重采樣的高精度分布式信號同步采集技術，可使多測試系統間信號采集同步精度可達微秒量級，極大地方便了用戶使用，提升了同步采集精度。

多個數據采集功能模塊通過HBM的BXP背板集成在一起，該背板能夠同時集成9個功能模塊，板卡之間通過火線與控制器連接起來，采集軟件實現數據采集模塊的參數設置，數據的采集、顯示和存儲等功能。另外，對傳感器供電采用電源隔離模塊進行有效隔離，擺脫各通道之間的信號干擾[8]。

軟件的部分界面見圖4、圖5所示。首界面提供了5個功能模塊界面入口分別為 “試驗配置”、“采集顯示”、“數據分析”和 “傳感器管理”模塊。當有試驗任務時，首先進入 “試驗配置”模塊輸入“試驗型號”、“試驗名稱”、“采樣率”等信息，所有的通道參數設置完成后，保存形成一個單獨的配置文件。參數配置完成后，進入數據采集模塊，首先打開本次試驗的配置文件，即開始采集數據，通過選擇不同的通道，或者拖拽不同的通道到顯示區域，即可顯示該通道采集的數值和相應的曲線。在數據分析模塊中，可以打開已經保存過的歷史數據，并顯示出相應的曲線；為了便于觀察曲線，還提供了對曲線的放大、縮小和抓取操作；可以選擇顯示的通道和某個時間段的數據并另存為單獨的文件。另外，傳感器管理模塊存儲了所需的傳感器的各項參數，同時可設置零點校準數據保證采集數據的正確，可以查詢、修改和保存相應的傳感器信息。

圖4 數據采集界面

圖5 數據分析界面

4 測試結果分析

為壓力測量通道提供24 VDC激勵電壓專門設計了電源隔離模塊，對每一路電壓輸出進行了測試，其中一組測試數據如表1所示。

表1 電源隔離模塊測試數據

測試人員分別用標準傳感器及信號發生器聯入該系統進行了計量校準，壓力各通道測量精度優于±0.2 %FS，溫度測量通道(E、T、K型熱電偶)測量精度優于±1 K。

綜上，系統主要功能和技術指標達到了設計要求，整體運行正常，系統性能穩定、可靠，并采取了相應的抗干擾措施，具有較強的抗干擾性能，傳感器支持熱插拔，不會對系統造成影響，驗證了相關技術的可行性。

5 結束語

本文構建了一種通用信號動態測試系統，抗干擾能力強。該系統有效解決了以往采集過程繁瑣、實時性差、擴展性差的缺陷，實現了多路壓力傳感器和多路溫度通道數據的同步采集和存儲，采樣率可自由設置，并采取了相應的抗干擾措施，驗證了抗信號干擾的有效性，取得了較好的應用效果。該系統經過現場運行后，達到了預期的設計目標和控制效果，傳輸數據可靠，滿足型號試驗的測試需求。