基于GP-IB總線(xiàn)的加速度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 媛，劉 巖，程洪杰，郭 峰

(第二炮兵工程學(xué)院基礎(chǔ)部，陜西西安 710025)

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(duì)加速度計(jì)進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試[1]。到目前為止，許多加速度計(jì)的檢測(cè)仍然采用人工方法，由多人負(fù)責(zé)一套測(cè)試臺(tái)，測(cè)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(cuò)，在大批量加速度計(jì)的檢測(cè)過(guò)程中，其弊端日益明顯。隨著自動(dòng)測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)日益普及，GPIB(IEEE488)接口和總線(xiàn)技術(shù)日趨成熟，GPIB技術(shù)逐漸顯示出用于針對(duì)加速度計(jì)測(cè)試的適應(yīng)性，這種傳感器具有測(cè)試數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)流量適中、實(shí)時(shí)性要求較高、具有可擴(kuò)展性與易用性的特點(diǎn)，測(cè)試人員可以方便地通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言編程開(kāi)發(fā)出實(shí)用的加速度計(jì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。因此，為有效提高測(cè)試效率和自動(dòng)化水平，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于GP-IB的測(cè)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(píng)估及預(yù)測(cè)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(guò)適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，經(jīng)信號(hào)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(guò)程。由于對(duì)加速度計(jì)的精度要求越來(lái)越高，相應(yīng)地，對(duì)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(cè)試也必須在穩(wěn)定的環(huán)境中經(jīng)過(guò)嚴(yán)密地檢測(cè)過(guò)程來(lái)完成。

1.1 數(shù)據(jù)采集方案

對(duì)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(cè)試主要是測(cè)量反饋回路的電流信號(hào)，但反饋電流信號(hào)比較弱，精確采集比較困難。一般高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(shí)，在低端精度會(huì)有所損失，達(dá)不到24位的標(biāo)準(zhǔn)，這使其在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的速度、量程以及精度不能同時(shí)兼顧[2]。

目前，對(duì)加速度計(jì)的測(cè)試通常采用基于PC104總線(xiàn)的測(cè)試系統(tǒng)[3]，或者基于PXI總線(xiàn)技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng)[4]。前者的優(yōu)點(diǎn)在于，能同時(shí)進(jìn)行多通道測(cè)量，測(cè)量速度快，容易實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)的動(dòng)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(xiàn)的測(cè)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(hào)調(diào)理電路;而基于PXI總線(xiàn)技術(shù)的測(cè)試方案成本較高。目前，隨著總線(xiàn)技術(shù)的日趨成熟，由于接口編程方便、開(kāi)發(fā)使用靈活，GPIB通用接口總線(xiàn)成為了目前應(yīng)用較為廣泛的測(cè)試總線(xiàn)?；谏鲜鲈?，為有效提高測(cè)試效率和自動(dòng)化水平，設(shè)計(jì)采用基于GPIB總線(xiàn)的加速度計(jì)自動(dòng)化測(cè)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)硬件組成圖

其中，GPIB總線(xiàn)是一個(gè)數(shù)字化24腳并行總線(xiàn)，采用8位并行、Byte串行、異步通信方式，所有Byte通過(guò)總線(xiàn)順序傳送。在應(yīng)用中，各種具有GPIB總線(xiàn)接口的電子設(shè)備均可連接到GPIB總線(xiàn)，由計(jì)算機(jī)擔(dān)任整個(gè)總線(xiàn)的信息分配和控制。多通道切換系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)通道信號(hào)的測(cè)量，GPIB接口控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字多用表的控制，從而完成對(duì)加速度計(jì)輸出參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)試。工控機(jī)作為硬件平臺(tái)，所有的測(cè)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(gè)板卡對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，利用工控機(jī)的功能，可以構(gòu)建整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，完成信號(hào)采集、任務(wù)管理等功能。測(cè)試設(shè)備HP34401A是HP公司開(kāi)發(fā)的一種6位半的高精度數(shù)字萬(wàn)用表，可以進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試或自動(dòng)測(cè)試。HP34401A是可程控的高精度數(shù)字萬(wàn)用表，可通過(guò)嵌入到VC中的SCPI指令進(jìn)行通訊和測(cè)量[5]。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(cè)量。由于石英撓性加速度計(jì)輸出的信號(hào)一般是電流信號(hào)，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(hào)的精確測(cè)量。另外，由于數(shù)字萬(wàn)用表一般只有一路測(cè)試通道，而在加速度計(jì)測(cè)試時(shí)，經(jīng)常需要同時(shí)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，為此設(shè)計(jì)了多通道切換系統(tǒng)，使一臺(tái)數(shù)字萬(wàn)用表能夠分時(shí)對(duì)幾路信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓跟隨器后進(jìn)入多路復(fù)用器進(jìn)行分時(shí)切換，使某一時(shí)刻只有一路信號(hào)能通過(guò)與數(shù)字萬(wàn)用表的接口傳遞給數(shù)字萬(wàn)用表。電路由與通過(guò)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(hào)控制多路復(fù)用器，實(shí)現(xiàn)通道選擇和對(duì)切換時(shí)間的控制。

系統(tǒng)的測(cè)量精度主要決定于數(shù)字多用表的精度，測(cè)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(tái)式儀表的噪聲抑制技術(shù)，測(cè)量精度高;缺點(diǎn)是測(cè)量速度慢，而且對(duì)多通道是串行測(cè)量，但該測(cè)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(mǎn)足系統(tǒng)的要求。

1.3 測(cè)試原理

石英撓性加速度計(jì)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整方位。測(cè)控計(jì)算機(jī)通過(guò)I/O口控制繼電器依次打開(kāi)通道切換開(kāi)關(guān)，使被測(cè)量的多路模擬信號(hào)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(duì)多路信號(hào)進(jìn)行分時(shí)切換，使每一時(shí)刻只有一路模擬信號(hào)能夠傳遞給HP34401A;根據(jù)軟件的設(shè)定，測(cè)控計(jì)算機(jī)再經(jīng)由 GPIB總線(xiàn)控制HP34401A對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(guò)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(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集處理與存儲(chǔ)，其測(cè)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(guò)編寫(xiě)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(cè)試顯示界面如圖4所示。

圖4 四位置測(cè)試顯示界面

2 測(cè)試數(shù)據(jù)的處理

對(duì)于加速度計(jì)而言，隨著時(shí)間的推移其參數(shù)的穩(wěn)定性往往會(huì)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(gè)月，但一般很難保證每3個(gè)月就對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行一次測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)的規(guī)律，并且測(cè)試數(shù)據(jù)較少，也增加了描述其時(shí)間特性的難度。為解決這個(gè)問(wèn)題，采用插值法對(duì)獲得的測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)的時(shí)間序列誤差較大且插值點(diǎn)不均勻的現(xiàn)象，通過(guò)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(wèn)題。

現(xiàn)以加速度計(jì)的偏值系數(shù)為例來(lái)進(jìn)行分析，從2005年8月到2008年7月，對(duì)某型號(hào)加速度計(jì)進(jìn)行了多次測(cè)試，共取得了9組有效數(shù)據(jù)。首先，根據(jù)歷次測(cè)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(gè)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(cè)試數(shù)據(jù)的樣本容量相對(duì)較小的一個(gè)基本時(shí)間序列，如表2所示，共得到3個(gè)插值點(diǎn)，這3個(gè)點(diǎn)與9個(gè)基本點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)新的基本時(shí)間序列。

表2 第一次插值后的數(shù)據(jù)

很明顯，這個(gè)新建的時(shí)間序列樣本仍然較小，建模時(shí)很難得到一個(gè)準(zhǔn)確、完整的模型，無(wú)法正確預(yù)測(cè)加速度計(jì)性能參數(shù)的變化趨勢(shì)[6]。因此，提出了二次樣條修正插值。在第一次插值所得時(shí)間序列的基礎(chǔ)上，利用三次樣條函數(shù)在每相鄰的兩個(gè)基本點(diǎn)之間再次進(jìn)行插值，即在相鄰的兩個(gè)基本點(diǎn)之間插入2個(gè)插值點(diǎn)，得到一個(gè)樣本容量為34的新的二次插值時(shí)間序列，插值結(jié)果如圖5所示。最后，針對(duì)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(duì)建立的模型進(jìn)行識(shí)別[7-8]，判斷階數(shù)，再根據(jù)現(xiàn)在和過(guò)去的數(shù)值，對(duì)將來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行估計(jì)，預(yù)測(cè)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(cè)較為合理。

圖5 兩次樣條插值后的結(jié)果圖

圖6 預(yù)測(cè)值和真實(shí)值比較圖

另外，在對(duì)加速度計(jì)時(shí)間序列進(jìn)行插值和預(yù)測(cè)分析時(shí)，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(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果做了相應(yīng)處理，從而使預(yù)測(cè)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(yǔ)

文中闡述了在加速度計(jì)性能測(cè)試系統(tǒng)中，利用數(shù)字電壓表技術(shù)，通過(guò)GPIB接口，在工控機(jī)的控制下完成微弱信號(hào)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(duì)某型導(dǎo)彈加速度計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，可以滿(mǎn)足加速度計(jì)信號(hào)高精度的要求。利用插值方法對(duì)歷次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了擴(kuò)充，并建立了時(shí)間序列模型，通過(guò)模型分析和預(yù)測(cè)了加速度計(jì)各項(xiàng)性能參數(shù)的變化趨勢(shì)。

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