摘要：在军品型号研制和生产过程中，信号调理器广泛应用于振动、力、压力和声学等非电量电测技术中。为了解决信号调理器现场检定工作中存在的诸多不便，我们研制了信号调理器VXI总线现场检测系统。该系统由硬件和软件组成，硬件主要包括信号源模块、数字化仪模块与VXI总线机箱等部分。
关键词：信号调理器；VXI总线模块；测试系统
Signal Conditioner VXI Bus On-siteVerification System
Feng wenmin,Wang haiyan,Liu haimei
Abstract：Signal conditioner is extensively used in vibration、force、pressure、acoustics measurement and so on.There are many difficulties in verification of signal conditioner On-site.To resolve these problems,we produce the signal conditioner VXI bus On-site Verification System.This system include signal generator module、digitizer module,which compose verification system with the VXI mainframe ; and verification software.
Key words: Signal conditioner; VXI bus module; verification system
1 引言
信号调理器，包括电荷放大器、应变仪及传感器变送器等，是把传感器信号作初步处理，变为分析仪可进一步分析的信号的仪器。在军品型号研制和生产过程中，广泛应用于振动、力、压力和声学等非电量电测技术中。如：在弹体整体结构技术性能试验、发动机技术性能试验和惯导器件的环境试验等试验中，应用了各种类型的传感器和信号调理器。由于传感器信号调理器集成在导弹测试系统中，拆卸不方便，而检测信号调理器的标准仪器数量多、体积大，给现场计量检测工作带来了不便。一般信号调理器，通道数较多，现有的检测设备只能实现单个通道测量，工作量和计算量较大，而且手动操作存在人为误差，影响测试数据的准确性和可靠性。为了解决上述问题，实现检测标准的小型化和自动化，实现检测标准可方便移动到现场，我们研制了信号调理器VXI总线现场检测系统。
2系统设计
2.1硬件设计
检测系统硬件组成如图1所示，检测系统硬件主要有VXI总线机箱、信号转接电路和外控计算机等部分组成。VXI总线机箱内有电源模块、控制模块、信号源模块和数字化仪模块。VXI总线机箱采用C尺寸，C尺寸的仪器模块通过机箱背板上的连接器插入机箱。电源模块将稳定的直流电压送到机箱背板上，经过连接器给各个仪器模块供电。外控计算机通过IEEE1394总线和控制模块对仪器进行操作控制。在计算机的控制下，信号源模块输出标准信号。标准信号通过信号转接电路送到被检测信号调理器的各个输入端，被检测信号调理器的输出信号接到数字化仪模块。计算机控制数字化仪模块，采集被检测信号调理器的输出信号，将模拟信号转换成数字信号。由计算机软件计算分析这些数字信号，最后得到被测信号频谱或电压值等检测结果。
（a）信号源模块采用直接数字合成技术实现波形输出功能，保证了模块输出的波形在整个信号频率范围内具有很高的频率分辨率；模块内部提供了八选一输出通道，可以通过软件对通道进行设置和选择一个通道输出波形，减少了计量时反复的接线和设置工作，使得工作量大大减少，提高了工作效率、减轻了操作人员的劳动强度。
(b) 数字化仪模块同样也具有八选一输入通道；模块采用DSP做信号处理，具有强大的数据处理功能，包括数字滤波、FFT变换等，还可根据需要添加其他算法插件，DSP不仅使模块的数据处理速度大大提高，而且不占用主控机的时间，使系统的实时处理能力得到了增强。
图1 系统硬件组成
2.2软件设计
检测系统软件完成的主要功能包括：硬件检测及初始化、方式及条件设置、数据采集、存储数据、数据显示、数据处理及分析计算。采用WINDOWS平台下运行的LabVIEW作为软件开发环境。检测软件流程如图2所示。
（a）硬件检测及初始化：包括对信号发生器模块和数字信号处理模块地址设置、第一次开机的初始化、模块状态及错误检查等。
（b）方式及条件设置：设置数据读取方式及采集信号的时间。
（c）数据采集：采用定时采集方式。
（d）数据显示：采用窗口显示标准信号数据和测量信号数据。采用指示灯显示硬件工作状态。
（e）数据处理及分析计算：数据处理包括数字滤波、交流耦合、加窗函数等；数据分析包括FFT、最小二乘法曲线拟合等。
图2 检测软件流程
3不确定度分析
3.1增益
信号调理器增益=输出电压/输入电压，
以标准装置输出电压10V为例进行分析，输出电压幅度误差为0.03%,此误差属均匀分布，由此带来的不确定度分量为：
=0.03%/ =0.017%
针对标准装置输出为10V，幅度测量量程选10V档，对应的标准装置幅度测量误差为0.05%,此误差属均匀分布，由此带来的不确定度分量为：
=0.05%/ =0.029%
信号转接电路的误差是标准电容或标准应变的误差，误差均为0.05%,此误差属均匀分布, 由此带来的不确定度分量为
=0.05%/ =0.029%
合成标准不确定度为：
= 0.044%
扩展不确定度为：
U=k× =0.09%( k=2,即p=95%)
被检信号调理器增益误差为1%，所以满足增益检测的要求。
3.2信号调理器线性
信号调理器线性误差为：
δm=[（ei0eom）/（eo0eim）-1]×100% （m=0，1，2…）
式中, eo0——信号调理器的最大输出电压
ei0——信号调理器输出最大电压eo0时信号发生器模块的输出电压。
eom——信号调理器的输出电压（m=1，2，3…）
eim——信号调理器输出eom时信号发生器模块的输出电压（m=0，1，2…）
ei0、eom、eo0和eim值由数字化仪模块测得，信号调理器线性的测量点m一般为平均分布，选5～10个。
以标准装置输出电压10V为例进行分析，输出电压幅度误差为0.03%,此误差属均匀分布，由此带来的不确定度分量为：
=0.03%/ =0.017%
针对标准装置输出为10V，幅度测量量程选10V档，对应的标准装置幅度测量误差为0.05%,此误差属均匀分布，由此带来的不确定度分量为：
=0.05%/ =0.029%
信号转接电路的误差是标准电容或标准应变的误差，均为0.05%,此误差属均匀分布, 由此带来的不确定度分量为：
=0.05%/ =0.029%
合成标准不确定度为：
=0.044%
扩展不确定度为：
U=k× =0.09%( k=2,即p=95%)
被检信号调理器的线性为1%，所以能满足线性检测的要求。
4系统的主要特点
4.1可靠性
检测数据的可靠性是保证检定质量的关键，因此在设计本系统程序时，采取了以下措施：
（a）自动记录数据，减少了因人而异的手动操作的读数误差，避免了手工记录、数据处理时的粗大误差；
(b) VXI总线具有高可靠性，由于仪器的功能主要靠软件来实现，减少了传统仪器按钮、开关、显示等部分，从而使系统的平均无故障时间大大提高。
4.2可扩展性
(a) 由于采用了层次分明的软件结构，使功能扩充和程序修改变得比较容易；
(b) VXI总线规范化，标准化的设计，以及开放式环境使得系统的可扩展性和可维护性更强；
(c) LabVIEW开发的系统不仅功能齐全,还节省成本,当测量发生改变时可以轻松对系统进行修改或扩展。
5 结论
信号调理器VXI总线现场检测系统，建立了小型化、自动化的信号调理器现场检测系统。基于VXI总线技术建立的现场检测系统，具有高可靠性和可扩展性。检测数据采用自动记录方式，减少手动操作的读数误差，提高了检测数据的准确程度。
主要参考文献
［1］中国计量科学研究院起草,JJG338-97《电荷放大器检定规程》,中国计量出版社出版，1998；
［2］美国PCB公司，《44B104信号调理器说明书》；
［3］美国NI公司，《Using External Code In LabVIEW》；
［4］杨乐平，李海涛，赵勇，杨磊，安雪滢编著《LabVIEW 高级程序设计》，清华大学出版社，2003。
［5］杨乐平，李海涛，肖相生等编著《LabVIEW 程序设计与应用》，电子工业出版社，2001。
［6］屠良尧，李海涛编著《数字信号处理与VXI自动化测试技术》，国防工业出版社，2000。 |
