數(shù)字集成傳感器測試系統(tǒng)設(shè)計與試驗探析

郭佳，項卓

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241000）

1 背景

光纖陀螺儀、微機(jī)械加速度計（MEMS）等受感部件的使用、多軸向集成以及信號的數(shù)字化輸出是運(yùn)動傳感器的主要發(fā)展趨勢，在飛行控制領(lǐng)域已廣泛運(yùn)用。本項目主要研究對象是一種可測量三軸角速度和三軸加速度2種物理量的高集成度數(shù)字傳感器，在技術(shù)上具有領(lǐng)先水平。如繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的手動給定物理量、測量并記錄數(shù)據(jù)的方式對該傳感器進(jìn)行測量，必然會增加人為差錯發(fā)生的概率，測試精度和一致性也不能滿足需要。

本文利用虛擬儀器、總線控制和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，基于CPCI 總線工控機(jī)平臺，通過對外設(shè)轉(zhuǎn)臺的通訊控制，開展數(shù)字集成傳感器自動測試系統(tǒng)設(shè)計研究。

2 測試需求分析

2.1 研制思想及指導(dǎo)原則

測試環(huán)境以保證完全滿足集成傳感器產(chǎn)品測試所要求的技術(shù)條件為基本原則。在消化、理解集成傳感器工作原理和相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合單軸向模擬式傳感器測試環(huán)境的設(shè)計經(jīng)驗，開展測試系統(tǒng)方案設(shè)計。

為使測試環(huán)境能夠滿足集成傳感器測試要求，通過電纜使測試設(shè)備和產(chǎn)品交聯(lián)，產(chǎn)品接收外部電源提供的電源信號，接收測試設(shè)備發(fā)出的地面自檢測指令，實現(xiàn)產(chǎn)品的地面自檢測功能。測試設(shè)備接收產(chǎn)品發(fā)送的包含三軸角速度和線加速度信息的1553B 信號，并顯示當(dāng)前狀態(tài)產(chǎn)品的角速度值和線加速度值。測試環(huán)境中要求包括能提供和受控的角速度轉(zhuǎn)臺和線加速度轉(zhuǎn)臺。

2.2 集成傳感器測試需求

從集成傳感器功能出發(fā)，對應(yīng)推導(dǎo)出測試系統(tǒng)環(huán)境資源需求包括向集成傳感器提供工作所需的供電電壓和能夠提供集成傳感器量程范圍內(nèi)的角速度和加速度物理量給定。為實現(xiàn)性能測試，測試軟件需要能夠通過1553B總線信號與其建立通訊并控制其工作狀態(tài)，可解析集成傳感器輸出的3 個軸向角速度和加速度1553B 信號和模擬量信號，同時自動判定2 類輸出數(shù)據(jù)是否合格。

3 測試系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

3.1.1 測試設(shè)備概述

測試系統(tǒng)以CPCI 總線計算機(jī)為基礎(chǔ)，配備必要的硬件資源，如直流穩(wěn)壓電源、工業(yè)計算機(jī)、1553B 總線采集器模擬量采集卡等，利用總線控制、信號轉(zhuǎn)換等技術(shù)手段實現(xiàn)接口控制信號、總線信號的激勵和檢測；利用虛擬儀器平臺開發(fā)測試軟件能夠控制轉(zhuǎn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)品的性能驗證。圖1 為測試系統(tǒng)的架構(gòu)圖。

圖1 測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1.2 工作原理

集成傳感器在正常工作情況下，機(jī)上電源27 V 對其進(jìn)行供電，飛控計算機(jī)輸出1553B 總線BC 信號控制集成傳感器工作，集成傳感器由計算機(jī)板將接收的傳感器模擬量信號轉(zhuǎn)換成1553B 總線信號輸出給飛控計算機(jī)處理，同時將傳感器模擬量引出到對外航插。

測試環(huán)境工作原理是模擬機(jī)上電源及飛控計算機(jī)，利用穩(wěn)壓電源及轉(zhuǎn)接盒的二次開關(guān)對集成傳感器的上電情況進(jìn)行控制，工控機(jī)1553B 板卡發(fā)送BC（總線控制器）信號控制集成傳感器的工作，同時接受集成傳感器發(fā)出的1553B 信號，并進(jìn)行解析；工控機(jī)測試機(jī)箱發(fā)送控制信號控制角速度轉(zhuǎn)臺或線加速度轉(zhuǎn)臺按給定值提供對應(yīng)物理量；集成傳感器引出至航插的模擬量信號通過轉(zhuǎn)接盒測試孔及模擬量采集卡進(jìn)行測量，可記錄數(shù)據(jù)。

測試設(shè)備信號交聯(lián)圖如圖2 所示。

圖2 測試設(shè)備信號交聯(lián)圖

3.2 硬件設(shè)計

3.2.1 工控機(jī)及板卡選擇

測試系統(tǒng)主體采用立式機(jī)柜式設(shè)計，內(nèi)部包括工控機(jī)、顯示器、轉(zhuǎn)接機(jī)箱、電源，考慮測試過程中的人機(jī)功效，對上述部分進(jìn)行集成設(shè)計，其外觀如圖3 所示。

圖3 測試設(shè)備信號交聯(lián)圖

其中工控機(jī)及控制器作為整個測試系統(tǒng)的控制核心用于人機(jī)交互和板卡拓展，必須具有高性能，高可靠性和可擴(kuò)展性，最大程度的滿足測試及實驗現(xiàn)場的各種潛在需要。本測試系統(tǒng)選用3U 雙列8 槽CPCI 背板機(jī)箱，外設(shè)接口包括2 個USB3.0 接口和RS232/RS422/RS485接口，滿足性能測試和2 種轉(zhuǎn)臺通訊控制的需要。

1553B 卡安裝于工控機(jī)的CPCI 卡槽內(nèi)，用于與集成傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。單張1553B 卡包含雙通道1553B 總線，每通道1 個BC（總線控制器）、1~31 個RT（遠(yuǎn)程終端）、1 個BM（總線監(jiān)視器），BC、RT 和BM 可同時有效；板卡持外觸發(fā)輸入/輸出，并具有板載自檢功能。

模擬量采集卡用于接收集成傳感器的模擬量數(shù)據(jù)。該模擬量采集器具備64 路輸入通道，可采用單端輸入、差分量輸入或混合輸入采集方式；數(shù)據(jù)采樣率250KSps、采樣率精度高達(dá)50ppm，輸入阻抗20KΩ、最大安全輸入電壓±36V，支持2 種觸發(fā)源和6 種采集模式，可滿足被測傳感器各類模擬量測量需求。

3.2.2 轉(zhuǎn)接機(jī)箱及轉(zhuǎn)臺

轉(zhuǎn)接機(jī)箱主要作用是將供給集成傳感器的電源信號進(jìn)行控制，實現(xiàn)產(chǎn)品可以單獨(dú)供電也可以同時供電的要求。同時將所有傳感器的模擬量信號引出，能夠通過測試孔測量傳感器模擬量值。轉(zhuǎn)接機(jī)箱面設(shè)計板如圖4 所示。

角速度轉(zhuǎn)臺和線加速度轉(zhuǎn)臺選用符合測量精度和范圍要求的貨架產(chǎn)品，通過RS/232 接口與工控機(jī)通訊。

3.3 軟件設(shè)計

3.3.1 軟件功能概述

系統(tǒng)測試軟件需具備以下功能：完成硬件資源以及全局變量的初始化和測試設(shè)備板卡的自檢，完成系統(tǒng)的工作準(zhǔn)備；通過對集成傳感器的測量，顯示集成傳感器的所有模擬量輸出，對輸出結(jié)果進(jìn)行判斷并生成圖像；通過1553B 總線信號對產(chǎn)品進(jìn)行控制，接收1553B 總線信號并進(jìn)行解析。

3.3.2 軟件組成

測試設(shè)備軟件由開發(fā)支持軟件和控制軟件組成。開發(fā)支持軟件為軟件開發(fā)提供支持，控制軟件實現(xiàn)控制功能。使用Windows XP、Microsoft Visual C++ 6.0 完成應(yīng)用程序的編譯、連接、加載和調(diào)試的可視集成開發(fā)環(huán)境。軟件組成如圖5 所示。

測試系統(tǒng)開始工作前先通過自檢測程序完成板卡的自檢，1553B 板卡擁有自檢測功能，并可以提供返回值，通過檢測返回值完成對板卡自檢情況的判斷；轉(zhuǎn)接盒將27V 電源模擬量反饋至模擬量采集卡，通過模擬量采集卡各通道反饋的數(shù)據(jù)，判斷板卡工作狀態(tài)是否良好。通過自檢后按照圖6、圖7 所示測試流程完成角速度和線加速度的測試。

圖6 測試流程圖

圖7 測試環(huán)境框圖

4 集成傳感器標(biāo)定試驗

4.1 試驗方案設(shè)計

按集成傳感器技術(shù)指標(biāo)的測試要求，采用單變量對比法對數(shù)字集成傳感器測試系統(tǒng)功能搭建試驗驗證環(huán)境如圖7 所示，依據(jù)GJB-8898 光纖陀螺通用規(guī)范、GJB-9771 諧振梁加速度計通用規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)文件設(shè)計各軸向角速度和加速度測試點。每次給定1 個軸向的角速度或加速度，同時使用外接儀器和測試系統(tǒng)對傳感器輸出信號進(jìn)行測試，對比2 種方式測量值及其對應(yīng)關(guān)系驗證測試系統(tǒng)的功能。

4.2 測試數(shù)據(jù)與結(jié)論

性能測試按如下方法進(jìn)行。將集成傳感器安裝在轉(zhuǎn)臺上，并與測試設(shè)備相連接，轉(zhuǎn)臺調(diào)整水平。使用測試系統(tǒng)給集成傳感器通電并運(yùn)行測試軟件，同時將示波器和數(shù)字三用表接通到轉(zhuǎn)接箱的對應(yīng)接口，測試環(huán)境實物圖如圖8 所示。通電穩(wěn)定2min 后，分別給集成傳感器的X 軸、Y 軸和Z 軸按表1 輸入不同的角速率和加速度，轉(zhuǎn)臺在每個給定點穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)，記錄各速率點數(shù)據(jù)的均值。

表1 集成傳感器角速率測試條件

圖8 測試環(huán)境實物圖

選取Y 軸向角速度測試結(jié)果如表2 所示，按照測量數(shù)據(jù)在正交坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行擬合如圖9、圖10 所示，被測值與角速度對應(yīng)趨勢符合光纖陀螺特性，2 種測量方式下得到的輸出函數(shù)對應(yīng)關(guān)系基本一致，證明本測試系統(tǒng)準(zhǔn)確、有效，滿足集成傳感器性能測試的需要。

表2 三軸角速度輸出值

圖9 ωy 角速度輸出圖數(shù)字量

圖10 ωz 角速度輸出圖模擬量

5 結(jié)語

針對數(shù)字集成傳感器多軸向測量、數(shù)字化輸出、測量范圍廣、輸出精度高的特點，本文設(shè)計了一種基于CPCI總線工控機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字集成傳感器測試系統(tǒng)，利用硬件資源和自行設(shè)計的測試軟件，實現(xiàn)了總線通訊、轉(zhuǎn)臺自動控制和數(shù)據(jù)顯示分析功能，并使用該測試系統(tǒng)完成了驗證試驗，試驗數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)功能完整可靠，提供了一種可行的高集成度數(shù)字傳感器自動測試方案，具有重要的工程應(yīng)用價值。