基于LabVIEW的壓力傳感器動(dòng)態(tài)性能修正

穆欣榮+張志杰+楊文杰+張鵬

摘 要： 激波管標(biāo)定系統(tǒng)是一種對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)激波速度獲得標(biāo)準(zhǔn)壓力，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)傳感器動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行修正?；贚abVIEW平臺(tái)結(jié)合NI公司的采集卡實(shí)現(xiàn)一種用于激波管標(biāo)定系統(tǒng)的混合驅(qū)動(dòng)軟件平臺(tái)，通過(guò)并行調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方式，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)NI公司PXI?6115采集卡的驅(qū)動(dòng)來(lái)達(dá)到激波速度的測(cè)試，另一方面對(duì)USB驅(qū)動(dòng)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)傳感器的測(cè)試。最后，采用改進(jìn)的最小二乘（GLS）算法，實(shí)現(xiàn)傳感器的動(dòng)態(tài)建模。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有快速讀取測(cè)試結(jié)果的優(yōu)點(diǎn)，較好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性能修正。

關(guān)鍵詞： 激波管； 混合驅(qū)動(dòng)； 最小二乘算法； 動(dòng)態(tài)性能修正

中圖分類號(hào)： TN919.3?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0141?04

LabVIEW?based dynamic performance correction of pressure sensor

MU Xinrong1， ZHANG Zhijie1， YANG Wenjie1， ZHANG Peng2

（1. MOE Key Laboratory for Instrumentation Science and Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China；

2. Baidu Cloud Computing Technology （Shanxi） Co.， Ltd.， Yangquan 045000， China）

Abstract： The shock tube calibration system is an experiment device to test the sensors dynamic performance. The standard pressure is acquired by means of the shock velocity to correct the dynamic performance of the objective sensor. A hybrid drive software platform used in the shock tube calibration system is realized on the basis of data acquisition card made by NI Company and LabVIEW platform. The way to call the dynamic link library in parallel is used to drive the PXI?6115 data acquisition card made by NI Company to realize test of the shock wave speed and objective sensor for USB driver interface. The improved least square algorithm is adopted to realize the dynamic modeling of the sensor. The result shows that the system has the advantage of reading the test results quickly， and can correct the dynamic performance well.

Keywords： shock tube； hybrid drive； least square algorithm； dynamic performance correction

0 引 言

虛擬儀器（VI）是由現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是為了達(dá)到“軟件即儀器”的目的。隨著計(jì)算機(jī)、采集電路和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。數(shù)據(jù)采集卡有NI公司提供的通用采集卡，可以直接使用LabVIEW進(jìn)行軟件編程；也有非NI數(shù)據(jù)采集卡，即為滿足用戶需求的專用測(cè)試系統(tǒng)，需要編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序使之被LabVIEW識(shí)別，從而完成數(shù)據(jù)采集工作[2]。

文獻(xiàn)[3]提出的傳統(tǒng)的激波管多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由采集卡直接完成測(cè)速和標(biāo)定的功能，使用的是美國(guó)NI公司PXI?5105數(shù)據(jù)采集卡，不能對(duì)特定的采集系統(tǒng)進(jìn)行誤差標(biāo)定。而特定的采集系統(tǒng)和測(cè)試的采集卡總線實(shí)現(xiàn)方式不一樣，所使用的軟件也不一樣，這樣就給測(cè)試和標(biāo)定帶來(lái)了一定的困難，必須使用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)分別安裝兩個(gè)不同的軟件，操作復(fù)雜繁瑣，不宜工作人員使用。為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩種不同總線的測(cè)試軟件，選擇使用范圍較廣的LabVIEW平臺(tái)，利用調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同采集卡的驅(qū)動(dòng)。修正傳感器的動(dòng)態(tài)性能，采用改進(jìn)的最小二乘算法，利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)性能的修正[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 激波管測(cè)試原理

激波管動(dòng)態(tài)壓力標(biāo)準(zhǔn)采用階躍壓力對(duì)壓力傳感器進(jìn)行檢定，可以產(chǎn)生上升時(shí)間非常短的階躍壓力。激波管的基本工作原理，是用膜片把截面恒定的管子分為兩個(gè)壓力室，高壓室和低壓室，如圖1所示。在高壓室及低壓室充不同壓力的氣體，利用自然破膜的方法，當(dāng)壓力值超過(guò)膜片承受的壓力時(shí)，膜片破裂。高壓室的氣體膨脹進(jìn)入低壓室，形成入射激波。激波后波陣面壓力突變形成正階躍壓力。壓力階躍保持一定的時(shí)間稱為恒壓時(shí)間。入射波到達(dá)低壓室端面后被反射，形成反射激波和反射激波壓力階躍[2]。用此壓力階躍作為階躍激勵(lì)信號(hào)去激勵(lì)被測(cè)壓力傳感器，在通過(guò)專用測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，可得到被壓力傳感器的參數(shù)。

選用NI公司提供的PXI?6115采集卡采集激波管上三個(gè)測(cè)速傳感器的信號(hào)，根據(jù)時(shí)間求得激波波速。主要是通過(guò)NI?DAQmx驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)測(cè)速功能。

被測(cè)傳感器連接到專用的壓力測(cè)試系統(tǒng)上，通過(guò)USB連接到主機(jī)。選用FTDI公司的FT245芯片，調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)驅(qū)動(dòng)USB芯片，使得專用測(cè)試系統(tǒng)與主機(jī)通信成功。

1.2 軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多通道混合驅(qū)動(dòng)的測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括以下功能（如圖2所示）：

（1） 參數(shù)設(shè)置，既包括對(duì)激波管三個(gè)測(cè)速通道的采樣頻率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、預(yù)觸發(fā)長(zhǎng)度和觸發(fā)電平的設(shè)置，同時(shí)還包括對(duì)專用測(cè)試系統(tǒng)的放大倍數(shù)、采樣頻率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、預(yù)觸發(fā)長(zhǎng)度和觸發(fā)電平的設(shè)置，其中激波管測(cè)速通道的放大倍數(shù)在信號(hào)放大調(diào)理器上設(shè)置。

（2） 讀取數(shù)據(jù)，系統(tǒng)觸發(fā)后上位機(jī)軟件讀取四個(gè)通道的數(shù)據(jù)，并顯示在前面板上。

（3） 波形顯示，顯示讀取到的波形或已保存的波形。

（4） 計(jì)算，針對(duì)測(cè)速傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)讀取時(shí)間間隔和，三個(gè)傳感器的間隔均為，激波波速由兩個(gè)時(shí)間間隔分別求得的速度和平均得到。

（5） 修正，采用最小二乘算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，并用LabVIEW實(shí)現(xiàn)。

2 USB和NI?DAQ混合驅(qū)動(dòng)的功能實(shí)現(xiàn)

2.1 USB通信方式

本設(shè)計(jì)選用了FTDI公司的FT245RL USB芯片，內(nèi)部涵蓋寫入和讀出的FIFO緩沖區(qū)，F(xiàn)IFO控制模塊和USB讀寫模塊，在LabVIEW平臺(tái)上使用調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）的方式完成硬件與上位機(jī)的通信。

為了使USB芯片正常工作，需要安裝FTD2XX驅(qū)動(dòng)程序。FTD2XX.dll提供了大量接口函數(shù)，其中常用的有FT_Open（打開(kāi)），F(xiàn)T_ResetDevice（復(fù)位），F(xiàn)T_Purge（清除），F(xiàn)T_SetLatencyTimer（延時(shí)），F(xiàn)T_Read（讀），F(xiàn)T_Writer（寫），F(xiàn)T_Close（關(guān)閉），F(xiàn)T_SetTimeouts（超時(shí)）等函數(shù)。如圖3所示，調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)USB通信。

上位機(jī)通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)給專用測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送不同的指令，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、參數(shù)回讀、讀取數(shù)據(jù)等功能。

2.2 NI?DAQ通信方式

PXI?6115采用PXI總線技術(shù)（PCI extensions for Instrumentation，PXI）是PCI在儀器儀表領(lǐng)域的擴(kuò)展，它結(jié)合了PCI的電氣總線特性、CompactPC的堅(jiān)固性以及Eurocard機(jī)械封裝的特性，因此PXI擁有極高的數(shù)據(jù)傳輸能力、堅(jiān)固的封裝形式以及高性能的IEC連接器，非常適用于測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合[5]。

NI公司的通用數(shù)據(jù)采集卡使用的是LabVIEW內(nèi)的DAQ庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)PXI與上位機(jī)通信。該驅(qū)動(dòng)函數(shù)在底層的基礎(chǔ)函數(shù)上進(jìn)行高度封裝，程序編寫人員只需要掌握驅(qū)動(dòng)函數(shù)I/O端口的意義，就能進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集的功能的實(shí)現(xiàn)，使用戶在對(duì)采集卡進(jìn)行操作時(shí)更加高效簡(jiǎn)單方便。安裝好DAQ驅(qū)動(dòng)程序（即NI?DAQmx）后，在LabVIEW的函數(shù)選板就會(huì)出現(xiàn)DAQmx節(jié)點(diǎn)，在程序框圖中右擊選擇函數(shù)“測(cè)量I/O”，再選擇“DAQmx數(shù)據(jù)采集”子選板尋找所需要的控件。針對(duì)測(cè)速傳感器通道的數(shù)據(jù)采集方式采用NI?DAQmx函數(shù)完成，如圖4所示。本設(shè)計(jì)采用的是可編程多通道多采樣的采集模式，在DAQmx Read控件的下拉列表里選擇“模擬”→“多通道”→“多采樣”→“2D DBL”方式，使得測(cè)速傳感器采集到的數(shù)據(jù)和專用設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)類型一致，便于在同一個(gè)波形圖上顯示。采集啟動(dòng)后，下層的NI?DAQmx驅(qū)動(dòng)程序控制PXI?6115采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.3 讀取數(shù)據(jù)功能

在讀取數(shù)據(jù)事件中，將被測(cè)傳感器采集到的數(shù)組整合成波形文件，并與三個(gè)測(cè)速通道組合成四通道波形數(shù)組，使之顯示在波形圖中，如圖5所示。三條細(xì)線波形圖分別是三個(gè)不同的測(cè)速傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示，黑色粗線波形是被測(cè)傳感器所得到的數(shù)據(jù)顯示。從圖5中可以明顯地看出測(cè)速傳感器的時(shí)間間隔，可由式（1）和式（2）得到激波波速；同時(shí)也可以看出激波傳到每個(gè)傳感器的時(shí)間，直觀地給用戶提供了同步性能的實(shí)現(xiàn)。

3 壓力傳感器動(dòng)態(tài)修正

3.1 改進(jìn)GLS算法進(jìn)行線性動(dòng)態(tài)建模的原理與實(shí)現(xiàn)

3.2 在LabVIEW上的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)調(diào)用Matlab公式節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LabVIEW和matlab的混合編程，達(dá)到對(duì)目標(biāo)傳感器的動(dòng)態(tài)修正。圖6為動(dòng)態(tài)性能修正前后的階躍響應(yīng)曲線，使用改進(jìn)的最小二乘算法修正后的曲線效果明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在LabVIEW平臺(tái)的基礎(chǔ)上，將通用的采集系統(tǒng)和專用的采集系統(tǒng)結(jié)合在一個(gè)軟件中利用混合驅(qū)動(dòng)編寫，實(shí)現(xiàn)了不同總線同時(shí)通信的功能。使得激波管測(cè)速通道和專用設(shè)備被校準(zhǔn)通道同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集，并且對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。實(shí)踐證明，USB和DAQ同時(shí)通信是切實(shí)可行，用改進(jìn)的最小二乘算法優(yōu)化傳感器模型參數(shù)，能夠?qū)で笠唤M實(shí)用參數(shù)，對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)性能修正改善顯著。

參考文獻(xiàn)

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