專用測試設備系統級校準功能的設計與實現

王 勇，田 葳，楊 雷

（1.河南科技大學 電氣工程學院，洛陽 471023；2.河南科技大學 信息工程學院，洛陽 471023）

專用測試設備系統級校準功能的設計與實現

王 勇1，田 葳1，楊 雷2

（1.河南科技大學 電氣工程學院，洛陽 471023；2.河南科技大學 信息工程學院，洛陽 471023）

0 引言

國防工業現代化建設中，專用測試設備大量應用于軍工電子產品的質量控制、性能評價及功能驗證，其準確與可靠性是判斷和評價被測產品質量好壞的關鍵。專用測試設備通常由信號采集、信號調理與變換、顯示等環節構成，而校準功能往往只針對各個環節中的核心部件（如電源、數據采集卡、通信板卡等）單獨進行。這樣容易造成各分部件校準合格，但系統集成后累計誤差難以估算，從而影響設備整體測試的準確性[1]。基于最小二乘法原理和虛擬儀器測試技術，采用手、自動結合的方式對專用測試設備進行系統級校準是可行和必須的[2,3]。

1 系統級校準原理與組成

在專用設備中，對模擬輸入（以下簡稱AI）信號的測試是常規檢測項目之一，這里以AI校準為例介紹系統級校準的原理及組成。在不同的測試設備里，AI信號幅值隨功能的不同而不同，例如某發控電源板待測供電電壓為±28V，某彈射裝置中待測“音響”信號為15V的方波等。AI信號的檢測與系統校準原理如圖1所示，開關S接通A端，系統處于正常檢測狀態，待測AI信號經信號調理電路送入AD數據采集卡，再利用計算機程序進行自動化檢測。AD采集卡所允許的輸入電壓測量范圍一般為-10V～+10V，對于超出此范圍的AI信號需要進行線性衰減。為了消除測試設備對待測產品的干擾，往往要求測試過程中二者之間進行電氣隔離。信號調理電路一方面能夠對待測AI信號進行線性衰減或放大，另一方面用于實現測試設備與待測產品之間的光電隔離。可見，在專用設備中，數據采集卡的輸入端一般并非直接與待測產品的輸出端相連，而是經過信號調理電路轉接。傳統對AI信號的校準僅僅是對數據采集卡的校準，但是，由系統結構可以看出，即使數據采集卡校準合格，而測試系統整體必然會因調理電路等的存在而引入其他系統誤差。因此，校準必須針對測試系統整體進行，如圖1所示，開關S接通B端，系統處于校準狀態，從測試設備校準面板區的AI端子，分時輸入一組標準信號，上位工控機采集到后，根據最小二乘法，編寫校準軟件進行數據的處理，從而完成AI檢測的系統級校準。

2 最小二乘法原理

表1 兩變量x、y相關聯實驗數據示意

中的a、b分別求偏導得：

3 最小二乘法在系統校準中的應用

當專用測試設備狀態切換至正常測試時，待測輸入信號經設備測試后得到初始測量值x0，將x0帶入經驗公式，便可得到校準修正后的精確測量數據y0，完成校準功能。

3.1 校準功能上位機軟件設計

校準功能上位機軟件以NI公司LabWindows/CVI為平臺進行開發[7]，主要功能包括以下三點：1)完整記錄多組標準輸入與實測電壓值；2)進行最小二乘法線性擬合，得出輸入與實測電壓值之間的經驗公式；3)保存經驗公式中的a、b參數，以供正常測試過程中調用。軟件設計流程如圖2所示，程序代碼這里不再贅述。

3.2 校準過程及實驗結果

圖2 校準功能軟件編寫流程圖

某設備校準功能設計完成后，對其中的一路AI信號進行了校準測試。這里以該設備中一路測量范圍為±15V的AI通道的校準為例，來說明AI測試的系統級校準過程。將測試系統切換至校準狀態，如圖1所示，標準源電壓信號加至AI校準端子，在上位機校準軟件界面里，如圖3所示，選擇對應通道號，輸入已知標準電壓值，點擊“測試”按鈕，則通過調理電路、AD數據采集卡，獲取測量電壓并顯示，同時按序號記錄在左側表格中。為保證在整個測量范圍內，AI信號均能夠準確校準，從-15V到+15V電壓，每次增加1V電壓，手動調整標準源電壓輸出幅值，重復31次上述測量并記錄，所得全部數據如圖3所示，可見測量值與標準輸入值存在一定偏差。以測量值為自變量x，以標準源電壓為因變量y，點擊圖3中的“線性擬合”按鈕，對等精度測量得到的原始數據進行最小二乘法線性擬合運算，可求得經驗公式，如圖3所示，式中a=1.01，b=0.002 。

圖3 AI系統校準軟件界面及原始測量數據

當系統切換至正常檢測狀態時，從該AI通道輸入待測信號，幅值記為Ui，上位機軟件實測電壓為，用校準結果對實測數據進行修正，得到校準修正后的測量值為Uo，則：

以式（5）為依據對測量數據進行校準修正，得到實驗數據如表2所示，對比校準前后數據可知，采用該系統級校準方法，顯著提高了對信號的測量精度。

表2 AI系統校準實驗數據

4 結束語

基于最小二乘法一元線性回歸分析理論，借助虛擬儀器設計軟件LabWindows/CVI強大的數據分析與處理功能，提出了一種專用測試設備系統級校準功能的實現方法。該設計方案已在某導彈彈射裝置測試平臺、某發控盒組件測試平臺等設備中得到應用，解決了傳統校準方法只能針對部分核心部件進行，而難以對系統集成后設備整體進行校準的缺點，顯著提高了測試設備的測量精度，得到了設備使用方的一致認可。

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Design and implement of system-level calibration function for special test equipments

WANG Yong1, TIAN Wei1, YANG Lei2

為解決常規校準只能針對部分核心部件進行，而難以對系統集成后設備整體進行校準的缺點，基于最小二乘法一元線性回歸分析理論，借助虛擬儀器設計軟件Labwindows/CVI強大的數據分析與處理功能，提出了一種專用測試設備系統級校準功能的實現方法。介紹了硬件組成、最小二乘法原理、軟件實現方式和校準過程。該設計已在多臺專用測試設備中得到應用，實驗和實際運行效果均表明，顯著提高了測試設備的測量精度。

校準；最小二乘法；測試設備；Labwindows/CVI

王勇（1979 -），男，河南淮濱人，講師，碩士，研究方向為應用電子電路開發與設計。

TP23

A

1009-0134(2014)06(上)-0095-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).28

2014-03-19

國家自然科學基金（61101167）；河南省教育廳科學技術研究重點項目（14A510003）