傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

翁俊禮，常超，陳碧海，李勇

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京100076)

0 引言

本文主要論述傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)電氣系統(tǒng)的原理組成和硬軟件實(shí)現(xiàn)。該傳感器校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱測(cè)試系統(tǒng))由氣路系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩部分組成。氣路系統(tǒng)用于為各壓力傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力氣體，電氣系統(tǒng)完成控制和數(shù)據(jù)采集等工作。

1 技術(shù)指標(biāo)要求

1.1 被測(cè)件主要指標(biāo)

1.1.1 脈沖頻率輸出式壓力傳感器

1)此傳感器為密封表壓傳感器，輸出脈沖量與被測(cè)壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系為

式中:f 為輸出;f0為零位;p 為被測(cè)壓力(絕壓);K為靈敏度;p0為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Α?/p>

2)量程、零位和靈敏度:10 MPa，100 ～350 脈沖/s，(1000±20)(脈沖/s)/MPa。

3)誤差:不大于1% FS。

1.1.2 壓力開(kāi)關(guān)

1)壓力開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)通斷壓力值和過(guò)壓能力:(2±0.2)MPa，16 MPa。

2)壓力開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間(從敏感元件感受到接通壓力值至壓力開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)可靠接通):不大于30 ms。

1.1.3 磁敏行程開(kāi)關(guān)傳感器

1)磁敏行程開(kāi)關(guān)傳感器輸出信號(hào)保持時(shí)間(敏感到磁場(chǎng)后開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)閉合并保持閉合狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間):大于1 s。

2)磁敏行程開(kāi)關(guān)傳感器輸出信號(hào)接通響應(yīng)時(shí)間(敏感到磁場(chǎng)至開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)閉合的時(shí)間):不大于10 ms。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)主要指標(biāo)要求

1)脈沖頻率輸出式壓力傳感器輸出脈沖計(jì)數(shù)誤差:±1 個(gè)。

2)壓力開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接通、斷開(kāi)壓力值測(cè)試誤差:±0.05 MPa。

3)壓力開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試誤差:±2 ms。

4)磁敏行程開(kāi)關(guān)傳感器輸出信號(hào)保持時(shí)間測(cè)試誤差:±15 ms。

5)磁敏行程開(kāi)關(guān)傳感器輸出信號(hào)接通響應(yīng)時(shí)間測(cè)試精度:±1 ms。

此外，測(cè)試系統(tǒng)需通過(guò)GJB151A-97《部分電磁兼容性試驗(yàn)》、GB/T17626.4-2008《電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》和GB/T17626.5-1999《浪涌沖擊抗擾度試驗(yàn)認(rèn)證》。

2 電氣系統(tǒng)原理組成及功能

2.1 電氣系統(tǒng)組成

電氣系統(tǒng)采用基于RS-232 串口通信實(shí)現(xiàn)的上、下位機(jī)模式，主要由測(cè)控電路、壓力傳感器、大氣壓力傳感器、精密數(shù)字壓力表、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、電源等組成。電氣系統(tǒng)原理組成如圖1所示。

圖1 電氣系統(tǒng)原理框圖

2.2 主要模塊功能

1)測(cè)控電路:多路直流供電電壓信號(hào)采集、壓力傳感器輸出模擬電壓信號(hào)采集、開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集、脈沖頻率輸出式壓力傳感器脈沖量計(jì)數(shù);通過(guò)I2C 接口與大氣壓力傳感器通信，通過(guò)RS-485 接口與精密數(shù)字壓力表通信;通過(guò)SPI 接口將處理后的壓力傳感器信號(hào)送LED 顯示壓力值;通過(guò)I/O 接收外系統(tǒng)的控制信號(hào);通過(guò)I/O 接口驅(qū)動(dòng)電磁閥;通過(guò)RS-232 接口與計(jì)算機(jī)通信，接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令和數(shù)據(jù)，將控制參數(shù)和壓力傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)寫入非易失性Flash 存儲(chǔ)器之中，將采集的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)處理。

2)壓力傳感器:用于壓力開(kāi)關(guān)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。

3)電磁閥:用于壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。壓力開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法基于快開(kāi)閥門式原理。響應(yīng)時(shí)間測(cè)試過(guò)程中，電磁閥快速開(kāi)啟，使高壓氣瓶中的高壓氣體通過(guò)引壓管快速充滿基準(zhǔn)壓力傳感器和壓力開(kāi)關(guān)的測(cè)壓腔［1-2］。

4)精密數(shù)字壓力表:脈沖頻率輸出式壓力傳感器靜態(tài)性能測(cè)試中作為壓力基準(zhǔn)。

5)大氣壓力傳感器:用于測(cè)量當(dāng)?shù)卮髿鈮毫χ祊0，以修正脈沖頻率輸出式壓力傳感器因測(cè)試地點(diǎn)不同而引起的零位f0誤差。

6)計(jì)算機(jī):向下位機(jī)發(fā)送各種控制指令和數(shù)據(jù)，接收下位機(jī)送來(lái)的測(cè)試數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)存入(.txt)文本文件中，將處理后的結(jié)果存入ACCESS 數(shù)據(jù)庫(kù)。在上位機(jī)測(cè)試軟件中實(shí)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果組合條件查詢和打印。

3 硬件電路實(shí)現(xiàn)

硬件電路的研制主要集中于測(cè)控電路的開(kāi)發(fā)，在本項(xiàng)目中我們選用片上資源豐富、功能齊全的C8051F131 作為測(cè)控電路的核心。

C8051F131 是高度集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)(SoC)MCU 芯片，具有基于增強(qiáng)的CIP-51 內(nèi)核，其指令集與MCS-51 完全兼容，采用流水線結(jié)構(gòu)，70%的指令執(zhí)行時(shí)間為1 到2 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，豐富的片上資源和外部設(shè)備接口(8 路10 位100 KSps 的ADC，1×I2C，2× UART，6 路可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA，1× SPI，128KB 非易失性Flash 存儲(chǔ)器)完全滿足本項(xiàng)目需要。片內(nèi)JTAG 調(diào)試電路支持非侵入式(不占用片內(nèi)資源)在系統(tǒng)調(diào)試，方便硬件調(diào)試開(kāi)發(fā)工作。

3.1 與被測(cè)產(chǎn)品直接相關(guān)的硬件電路實(shí)現(xiàn)

這部分電路包括數(shù)據(jù)采集通道和控制通道。數(shù)據(jù)采集通道用于采集各傳感器的電信號(hào)輸出，電路實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖2 和圖3。圖中的光電耦合電路主要用于輸入信號(hào)整形。

圖2 開(kāi)關(guān)量前向輸入通道

控制通道用于壓力開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉。在磁敏行程開(kāi)關(guān)傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試中激勵(lì)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁敏行程開(kāi)關(guān)傳感器敏感到磁場(chǎng)從而推動(dòng)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)閉合?？刂仆ǖ离娐穼?shí)現(xiàn)見(jiàn)圖4。圖中的二極管用于消除感性負(fù)載反向電壓對(duì)繼電器的影響。

圖3 脈沖頻率量前向輸入通道

圖4 控制通道電路實(shí)現(xiàn)

3.2 基準(zhǔn)壓力傳感器的選擇

基準(zhǔn)壓力傳感器作為壓力開(kāi)關(guān)靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的測(cè)量基準(zhǔn)，其性能直接影響壓力開(kāi)關(guān)測(cè)試結(jié)果的精度。

考慮到壓力開(kāi)關(guān)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，選用我所自研生產(chǎn)的離子束濺射薄膜式表壓壓力傳感器。此傳感器為模擬電壓輸出，量程12 MPa，滿量程輸出(4.8±0.1)V，誤差1% F.S，響應(yīng)頻率約800 Hz。此基準(zhǔn)傳感器在1 ～3 MPa 區(qū)間的絕對(duì)誤差優(yōu)于±0.05 MPa，滿足靜態(tài)性能(通、斷點(diǎn)壓力值)測(cè)試要求。

基準(zhǔn)壓力傳感器的輸出與被測(cè)壓力之間為線性關(guān)系，工作直線方程為

基準(zhǔn)傳感器需定期進(jìn)行校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)測(cè)控軟件寫入下位機(jī)的Flash Memory 之中。

響應(yīng)時(shí)間測(cè)試中，開(kāi)啟電磁閥，高壓氣瓶中的高壓氣體通過(guò)引壓管快速充入基準(zhǔn)壓力傳感器和壓力開(kāi)關(guān)的測(cè)壓腔，同時(shí)啟動(dòng)ADC 對(duì)基準(zhǔn)壓力傳感器的輸出和壓力開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)通斷狀態(tài)進(jìn)行高速采樣。計(jì)算基準(zhǔn)壓力傳感器達(dá)到接通壓力值的時(shí)刻與壓力開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接通時(shí)刻之間的時(shí)間差，得出壓力開(kāi)關(guān)的接通響應(yīng)時(shí)間。圖5 為壓力開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間實(shí)際測(cè)試結(jié)果。當(dāng)電磁閥入口壓力為6.5 MPa 時(shí)，基準(zhǔn)壓力傳感器輸出電壓從0 V上升至1 V(對(duì)應(yīng)壓力開(kāi)關(guān)接通壓力值)的時(shí)間約800 μs，壓力開(kāi)關(guān)接通響應(yīng)時(shí)間約23 ms(此測(cè)量結(jié)果包含基準(zhǔn)壓力傳感器響應(yīng)延時(shí)和引壓管效應(yīng)的綜合影響［3］)，與壓力開(kāi)關(guān)計(jì)量標(biāo)定數(shù)據(jù)比對(duì)，測(cè)量誤差滿足±2 ms 要求。

圖5 壓力開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

3.3 其他硬件電路實(shí)現(xiàn)以及電磁兼容性設(shè)計(jì)考慮

測(cè)試系統(tǒng)中除了與被測(cè)產(chǎn)品直接相關(guān)的硬件電路外，測(cè)控電路還包括其他與壓力傳感器、精密數(shù)字壓力表、大氣壓力傳感器、外系統(tǒng)控制信號(hào)的接口電路。

此外，為確保測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)不受外接電磁干擾影響并滿足電磁兼容性要求，測(cè)試系統(tǒng)采用定制的線性直流一體化AC/DC 電源為測(cè)控電路供電，AC/DC 電源中采取措施以滿足國(guó)軍標(biāo)和國(guó)標(biāo)中與供電電源相關(guān)試驗(yàn)條款的要求。

測(cè)試系統(tǒng)中的電磁閥(工作電壓27 V，工作電流1 A)由AC/DC 電源中單獨(dú)回路供電，以避免電磁閥動(dòng)作電流對(duì)測(cè)控電路其他部分造成影響。

由于測(cè)試系統(tǒng)與基準(zhǔn)壓力傳感器和被測(cè)件之間存在約5 m 的距離，因此所有電信號(hào)傳輸電纜均采用屏蔽電纜。

還有一些其他的抗干擾措施，由于篇幅所限，在這里不作詳細(xì)介紹。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

電氣系統(tǒng)軟件包含運(yùn)行于計(jì)算機(jī)的上位機(jī)測(cè)控軟件和運(yùn)行于C8051F131 單片機(jī)之中的嵌入式軟件。

4.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)測(cè)控軟件在Visual C++6.0 環(huán)境下開(kāi)發(fā)，基于CFormView 基類實(shí)現(xiàn)的視圖對(duì)話框應(yīng)用程序，運(yùn)行于Windows XP 操作系統(tǒng)之上，上位機(jī)測(cè)控軟件通過(guò)MSComm 控件與下位機(jī)通信，通過(guò)ADO 組件與ACCESS 數(shù)據(jù)庫(kù)交互并將處理后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)之中，測(cè)控軟件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6［］。模塊分開(kāi)。源代碼文件組織如圖7，各文件實(shí)現(xiàn)的功能接口如表1。

圖6 上位機(jī)軟件框架結(jié)構(gòu)圖

圖7 下位機(jī)文件組織

基于Windows 圖形界面風(fēng)格的測(cè)控軟件便于用戶快速掌握和使用。

4.2 下位機(jī)軟件

下位機(jī)程序在KEIL C 開(kāi)發(fā)環(huán)境下使用C 語(yǔ)言編寫完成，在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中貫徹結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計(jì)思想，并借鑒C++面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的對(duì)象封裝特性，盡量減少各功能模塊間的耦合，源文件的組織上，也將各功能

在下位機(jī)程序設(shè)計(jì)上還借鑒多線程概念(盡管C8051F131 不支持多線程)，在main(void)主函數(shù)的主循環(huán)中啟動(dòng)兩個(gè)并行循環(huán)，稱之為“主線程”(主任務(wù)隊(duì)列)和“輔線程”(端口任務(wù)隊(duì)列)，上位機(jī)直接發(fā)送的所有命令及一些與端口無(wú)關(guān)的操作置于“主線程”中。“主線程”根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)，將一些與時(shí)間緊密相關(guān)的I/O 端口操作置于“輔線程”之中，“主線程”可以隨時(shí)終止“輔線程”的運(yùn)行，如此安排使下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)清晰，流程順暢，源代碼易于閱讀，軟件的升級(jí)、裁剪、擴(kuò)展和移植更輕松。

表1 各文件實(shí)現(xiàn)的功能接口

借助于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)軟件工程中的“序列圖”可展示壓力開(kāi)關(guān)接通響應(yīng)時(shí)間測(cè)試流程中主、輔線程間的交互，序列圖［8］見(jiàn)圖8。

圖8 主循環(huán)中主輔線程序列圖

在下位機(jī)程序中，串口數(shù)據(jù)接收具有最高中斷優(yōu)先級(jí)，串口將上位機(jī)發(fā)送的“壓力開(kāi)關(guān)接通響應(yīng)時(shí)間測(cè)試”命令賦于主線程。主線程經(jīng)過(guò)最多約15 μs(一個(gè)主任務(wù)隊(duì)列查詢循環(huán))的延遲后設(shè)置輔線程任務(wù)標(biāo)志為“YK_TIME_CAP(壓力開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間捕獲命令)”，輔線程經(jīng)過(guò)最多約5μs(一個(gè)端口任務(wù)查詢循環(huán))的延遲后檢測(cè)到任務(wù)標(biāo)志為“YK_TIME_CAP”，立即開(kāi)始計(jì)時(shí)并啟動(dòng)Yk_TimeCap()函數(shù)對(duì)基準(zhǔn)壓力傳感器和壓力開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的I/O 進(jìn)行高速采集。Yk_TimeCap()函數(shù)檢測(cè)到基準(zhǔn)壓力傳感器達(dá)到壓力開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接通壓力值的時(shí)刻和I/O 端口狀態(tài)變化(或經(jīng)過(guò)一定的超時(shí)時(shí)間間隔)后，通過(guò)變量port3_state 向輔線程返回I/O 端口狀態(tài)變化情況，“輔線程”停止計(jì)時(shí)并計(jì)算壓力開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接通響應(yīng)時(shí)間(或置壓力開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接通響應(yīng)時(shí)間測(cè)試超時(shí)標(biāo)志)。在輔線程中置主線程任務(wù)標(biāo)志為“YK_TIME”，主線程向上位機(jī)發(fā)送壓力開(kāi)關(guān)接通響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)(或壓力開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接通響應(yīng)時(shí)間測(cè)試超時(shí)標(biāo)志)。至此，“壓力開(kāi)關(guān)接通響應(yīng)時(shí)間測(cè)試”任務(wù)結(jié)束。

序列圖主線程實(shí)現(xiàn)代碼如下:

序列圖輔線程實(shí)現(xiàn)代碼如下:

5 結(jié)束語(yǔ)

文本總結(jié)了傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)電氣系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)硬件和軟件總體架構(gòu)做了介紹，并給出部分硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)和部分軟件代碼。傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)脈沖頻率輸出式壓力傳感器、壓力開(kāi)關(guān)和磁敏行程開(kāi)關(guān)傳感器的實(shí)際測(cè)試結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求。該傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)參加了火箭各工程階段的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期功能要求和測(cè)試精度。

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