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

摘要 通過對(duì)當(dāng)前加速度計(jì)測(cè)試工序多、操作復(fù)雜、易引起誤操作的現(xiàn)狀分析，為能更好地標(biāo)定石英撓性加速度計(jì)性能參數(shù)，設(shè)計(jì)了基于GPIB總線技術(shù)的加速度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)，確定了系統(tǒng)的硬件組成。同時(shí)針對(duì)石英撓性加速度計(jì)反饋信號(hào)較弱、精度要求高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用了數(shù)字多用表技術(shù)，利用其內(nèi)部抑制噪聲和信號(hào)處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)輸出微小信號(hào)的精確測(cè)量。同時(shí)，由于加速度計(jì)測(cè)試樣本數(shù)據(jù)較少，采用兩次插值對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，擴(kuò)大了樣本容量，解決了小樣本難以建模的問題。與現(xiàn)用的測(cè)試系統(tǒng)相比較，該測(cè)試系統(tǒng)有著技術(shù)先進(jìn)、數(shù)據(jù)處理與分析能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)精確穩(wěn)定，能夠滿足加速度計(jì)標(biāo)定測(cè)試的使用要求。
關(guān)鍵詞 加速度計(jì)；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理；GP-IB

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。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高級(jí)語言編程開發(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)處理的過程。由于對(duì)加速度計(jì)的精度要求越來越高，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)過嚴(yán)密地檢測(cè)過程來完成。
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)換過程中的速度、量程以及精度不能同時(shí)兼顧。
目前，對(duì)加速度計(jì)的測(cè)試通常采用基于PC104總線的測(cè)試系統(tǒng)，或者基于PXI總線技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng)。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總線技術(shù)的測(cè)試方案成本較高。目前，隨著總線技術(shù)的日趨成熟，由于接口編程方便、開發(fā)使用靈活，CPIB通用接口總線成為了目前應(yīng)用較為廣泛的測(cè)試總線?；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。

其中，GPIB總線是一個(gè)數(shù)字化24腳并行總線，采用8位并行、Byte串行、異步通信方式，所有Byte通過總線順序傳送。在應(yīng)用中，各種具有GPIB總線接口的電子設(shè)備均可連接到GPIB總線，由計(jì)算機(jī)擔(dān)任整個(gè)總線的信息分配和控制。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公司開發(fā)的一種6位半的高精度數(shù)字萬用表，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)字萬用表，可通過嵌入到VC中的SCPI指令進(jìn)行通訊和測(cè)量。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。南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。

測(cè)試信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨器后進(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)能通過與數(shù)字萬用表的接口傳遞給數(shù)字萬用表。電路由與通過通信端口與計(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：速度完全滿足系統(tǒng)的要求。