该设计是为了对100多路动态应变信号进行测试。在测试过程中以动态数据采集模块PXI系列及前端调理适配设备SH系列为硬件平台,以流行的虚拟仪器(VI)软件Lab VIEW为运行平台,开发了拥有系统配置模块、参数配置模块、状态检测模块、标定系统模块、数据采集模块、校准系统模块、数据处理模块七个模块组成的系统软件。最后通过应用证明了该系统的实用性、先进性、经济性和可靠性的特点。
对动态应变信号进行测试是信号分析与处理的一个重要环节,在许多工业控制与生产状态监控中都被用到。本文主要研究针对100多路动态应变信号进行测试的的通用计算机虚拟仪器(VI)模块化测试系统。
1 硬件部分设计
从总体上来说,系统可分为三个部分:
1) 系统主计算机,主要完成数据的分析处理、显示表达,并且完成对PXI数据采集设备和信号调理适配设备的控制。
2) PXI数据采集设备,主要完成对128路动态应变信号的高精度、高速率并行采集。
3) SH调理适配设备,主要完成两个方面的功能:一是对动态应变信号进行放大、滤波等调理,二是对传感器提供单通道可调激励(0～10V)、自动配桥、自动调零等适配功能。
1.2 系统组成及配置
系统使用PXI高速同步数据采集卡和专业的SH动态应变调理适配设备,来完成100多路动态应变信号的测试。
1.2.1 动态应变测试系统实物图
由于本系统主要是动态应变信号的测试,因此,专门采用了专为动态应变测试设计,并得到实践验证的SH系列动态应变信号调理适配设备,来完成信号的接入、调理、适配等。
SH信号调理适配模块SH-2108D具备:8通道,300K带宽,对每通道传感器提供0～10V程控激励,自动配桥(支持1/4桥三线制、半桥、全桥)、自动调零,并对测试信号进行多档放大(1、10、100、1000、可编程放大)、滤波(10K、20K程控滤波)等功能。
128路动态应变信号先经过SH动态应变调理适配设备(由2个SH-2004A信号调理适配机箱和16块SH-2108D信号调理适配模块组成),再将输出的标准信号传输到采集设备进行数字化。
PXI数据采集设备选用性能为8通道同步模拟输入、16位分辨率、每通道250KS/s采样速率、±5V输入范围的PXI-6143高速同步数据采集卡,来完成被测信号的高精度、高速率并行采样。
系统主计算机对整个PXI系统和调理适配设备进行控制。其中,系统主计算机对PXI系统的控制是通过MXI-4控制器完成。MXI-4控制器是NI公司研制的一种能让PXI系统与外部计算机进行通讯的控制模块,是PXI总线到PCI总线的翻译器。运用它可将整套的PXI设备通过一台计算机控制起来。并且,外部计算机通过MXI-4控制器,可与PXI设备进行高达96M/s(峰值132M/s)的数据交换。
另外,系统主计算机还完成数据的分析、处理与显示表达。
2 软件部分设计[4-6]
Lab VIEW是美国NI公司推出的一种用于虚拟仪器软件开发的图形化编程语言。与传统的文本编程语言相比,它简单易学、开发效率高,在测试领域得到了广泛的应用。因此本系统在虚拟仪器开发平台(Lab VIEW)的基础上,开发专用的测控软件。该系统的软件包含了七个功能模块,它们是:
系统配置:包括串口配置、SH系列调理适配设备的配置和检测等;
参数配置:包括各种相关参数配置、导入/导出、快捷编辑、多种配置方式、存盘打印等等;
状态检测:检测系统中被配置的信息,检查配置结果是否真实可靠;
标定系统:用于对系统、传感器等进行标定;
校准系统:用于对系统的偏离系数进行自动校准;
数据采集:主要用于试验中整个过程的数据采集、监视等;
数据处理:主要用于对测试数据的分析、处理等。
2.1 系统配置模块
在某型号测试软件的系统配置功能模块中,工作人员可根据自己的要求选择串口及波特率,并可以检测每个机箱和机箱内模块的状态。因此,这个功能对于由多个调理适配设备搭建的测试系统来说是十分必要的。
2.2 参数配置模块
在某型号软件中的系统参数配置模块具备对每个通道的激励电压、配桥方式、灵敏度系数和导线电阻进行设定,同时该模块还具备自动恢复和通道拷贝等功能。
2.3 状态检测模块
状态检测的主要目的是验证系统硬件的实际工作状态是否与参数配置表的设置一致。也就是说,为了让用户能清楚的知道硬件的配置状态。
2.4 标定系统模块
标定系统模块专门用于对系统各部分进行硬件标定,或者利用高精度源对系统进行标定的一种软件平台。
标定系统模块包括标定设置、开始采集、信号输出、选点、确认选点、打印结果、实时监视、状态提示、修改误操作等功能。
2.5 自校准模块
校准系统是为了提高系统的测量精度和长期稳定性而设计的。通过定期或不定期的对系统进行自校准,不断修正系统内部的微小偏差,可以使得测量更加准确。
因为自校准涉及到对系统本身测量精度的修正,所以进入自校准时需要进行密码确认。也就是说,一般情况下不允许对系统进行修正,一方面是因为操作不正确会使系统测量出现较大的误差或测量的是错误数据;另一方面如果不熟悉系统操作的人员可能会破坏系统测量的准确性。
2.6 数据采集模块
数据采集模块是本软件的核心,是以动态测量为主要应用的测量记录系统。该数据采集系统主要包括:试验前设置(I)、状态跟踪(II)、曲线显示(III)、采集方式选择(Ⅳ)、浏览数据(Ⅴ)等五个部分。
2.7 数据处理模块
数据处理是主要用于对测试数据的分析、处理。例如:可以对信号进行均值、概率密度、峰值、均方根、自相关、互相关、相干函数、相干分析、自谱、互谱、数字滤波等时域、频域和幅域等各项分析。同时还可以根据用户提供相关数据和处理方法,为用户留有进一步开发的空间,进行专业的数据处理。
同时,此模块还具备TXT、EXCEL等格式的报表输出功能。
3 结束语
该系统是基于虚拟仪器(VI)技术的测试系统与测控网络的结合,使整个测试系统具有更强大的功能。测试数据首先进入计算机,由它来完成数据的实时采集和初步分析。通过以太网和控制计算机之间的连接,通过光纤网、Internet的TCP/IP协议,可以远距离连接,完成远程网络传输。
该系统的特点是:1)系统可以从根本上自动修正零偏。2)系统可自动配置的桥路方式有四分之一桥三线制,半桥,全桥;每通道可单独设置对传感器提供激励(0～10V程控可调、另外还可以根据用户要求进行自定义设计)。3)系统可以自动检测故障、报警以及恢复。4)系统主要利用PXI总线技术,采用美国NI公司PXI系列高速同步数据采集卡,再加上专业的SH动态应变调理适配设备,配置成了高性能的动态应变测试系统。5)系统采用了SH大规模动态应变测试系统标准的接口方式――RJ45接口方式。6)系统具有均值、概率密度、峰值、均方根、自相关、互相关、相干函数、相干分析、自谱、互谱、数字滤波等时域、频域和幅域各项分析。
