俞志良
上海恒德科技有限公司 201103
摘要：在自动化测试系统中，要保证计算机在不失真的变换方法来获取被试对象的真实信息，需要定期的对传感器输入和处理通道的各个环节进行统一的标定。通过上述涉及计量方面的数据精度进行标定和调整，取得国家计量机构颁发的合格证书，将是这台自动化试验机器的试验结果判定是否具有权威性的前提。目前国内生产并投入使用的各种自动化测试设备，或是一些多功能的复杂的设备，很多是没有可供用户直接修改的传感器通道的标度调校模块的，它一般须由机器程序的设计者或设备制造商到用户的试验室或工厂来做。而其他的很多进口试验设备，也由于其数据采集处理大多是一些底层模块，它和应用程序是分开的，设备的使用者也常常难以独立完成有关参数的调校。为此，笔者在一台采用非NI数据采集卡的多传感器和多电机运动测试机的应用控制软件设计工程中，对实现检测数据的标度修改程序编写等方面进行了摸索研究，取得了成功。
关键词：复杂自动化测试系统、机器的标定、标度校正、LebVIEW软件、标度修改程序编写设计、多传感器多电机运动系统、数据文件读取和保存
Abstract: In the automatic test system, we must ensure that the computer can get the real information of the test subjects without distortion during the transformation, so we need to calibrate every part of the sensor input and processing channel regularly. Through the calibration and adjustment of the data accuracy mentioned above, obtaining the certificate issued by the national metrological institution will be the premise of whether the result of the automatic test is authoritative. At present, the domestic production and use of various automated test equipment or complex multiple system, many are not available for users to directly modify the sensor channel of the scale adjustment module, all modification are generally required to come to laboratory or factories by program designer of equipment manufacturers. For many other imported test equipment, because of their data collection and processing are mostly at underlying modules, which are separated from application and control programs. Users of equipment are usually difficult to adjust parameters independently. For these reason, in the design control project of a multi-sensor and multi motor motion test rig which using non NI data acquisition card, we have explored and implemented the program of scaling and modifying data for detecting data, and be achieved successfully.
Key words：Complex automation test system; Machine calibration; Scaling correction; LebVIEW software; Compilation of scale modification program system programing; Multi sensor and multi motor motion system; Data file reading and saving
1. 自动化测试系统和标定校正系统概述
在自动化测试系统中，要保证计算机在不失真的变换方法来获取被试对象的真实信息，需要对传感器输入和数据标度通道的各个环节进行统一的标定。上述涉及计量方面的数据精度进行标定和调整，取得国家机构颁发的证书，将是自动化试验的结果判定是否具有权威性的前提。
1.1 自动化测试系统概念
自动化测试系统，操作人员根据预设的试验条件及相关的试验标准，通过特定的软件来控制试验机按照需要运动参数、轨迹或方式运行，对试验对象得出试验结果。我国现行的各汽车、高铁动车的传动和桥架的性能和耐久试验机，基本上都采用了这个系统概念。而在这个测试或试验过程中，机器上安装的各种传感器，比如力，位置，角度，扭矩，转速，振动，声音等等是这个自动化测试试验系统中各数据量的关键，就像我们人类的眼睛和耳朵一样重要。
1.2 标定的意义
自动化测试是把以人为驱动的测试行为转化为机器自动执行的一种过程。通常，在设计了试验标准之后，由测试人员根据测试标准中描述的规程执行测试，得到实际结果与期望结果的比较，得出合格或不合格的结论。而上述的结果是由传感器的读数，测量曲线及数据的显示和报告打印来表达的。由于放大器和ADC不是完全理想的，自身存在很小的误差，达到的增益不可能确切就是所选择的硬件增益。要保证计算机系统能获取到现场真实被检测信息，保证系统的准确度，有必要采取不失真的变换方法来获取现场真实信息，对传感器输入和标度变化通道的各个环节进行统一的标定。对于上述涉及计量方面的数据精度进行标定和调整，取得国家机构颁发的证书，将是自动化试验的结果判定是否具有权威性的前提。
1.3 机器标定校正的一般方法
允许在机器上安装使用的传感器，首先要取得传感器的标定合格证书。它写明了该传感器的线性，量程范围以及物理与电信号转换的系数等，这是在传感器生产制作时已经确定了的。
通过对传感器毫伏一级的微弱电信号进行采集、放大，转换、计算、存储及显示，变成实际需要的物理量单位的数据。
机器或传感器的标定校正，在人机交互上分，有机器全自动和半自动标定校正，也有人工修改标定系数进行校正等。从配置上分，有传感器驱动内置的软件上进行校正、也有在应用控制软件设计中加入标定校正模块。从传感器应用分，有静态和动态数据的标定等。一台已经交付用户的试验机，随着使用时间增加，传感器和电器件的老化等，其计量参数也会有一定的变化，但是在标定结果不达标的时候，如果计量结果是无法修正的，或必须请机器制造厂来人修改计算程序，这将对机器的使用受到影响，或对用户带来很大的不便。
对于一台有多传感器的复杂运动的自动化测试机来说，能否方便地对各传感器的转换系数和零点位置进行自动或手动的校正或修改，达到更高或符合试验标准的测量精度，然后固定下来，是确保机器长期使用和达标的一个重要依据。
1.4 标定程序的作用
笔者利用长期在汽车和动车零部件试验方面，从事各种代理国外设备进口和使用的经验，在一台采用非NI数据采集卡的多传感器和多电机运动测试机的软件中实现检测数据的标定程序编写方面进行了摸索，取得了成功。
NI公司为其所有的DAQ接口卡配备了相应的驱动盒和程序。但是，大量用户所使用的采集卡并不一定是NI公司的产品，这就会为LabVIEW的用户带来不便。若用其他的数据采集卡LabVIEW中提供的DAQ模块就不能使用。
因此，有必要探讨在LabVIEW中使用通用数据采集模块的方法，在LabVIEW中如何驱动其它低价位的数据采集插卡，并实现其数据的标度修改，成为了国内许多使用者面临的关键问题。本文以国产研华PCI-1710U为例，讨论国产数据采集卡在LabVIEW环境下标定校正程序设计及其应用。
2. 系统构成和硬件配置
2.1本数据采集及机器标定系统的构成： 图1
首先，经数据采集卡采样，进入内部放大器进行直流放大，最后放大的信号被送入模拟/数字转换器，（对瞬变的信号还须采样保持），放大后的模拟信号转换成数字信号，送入计算机系统，经过标度变换，将它转换成原来参数的真实值，以便进行显示、计算和处理。这里的所谓的标定校正，实际上就是机器自动地或允许系统的使用者手动的对其中标度变换的系数进行修改。
图1 程序框图
2.2 硬件配置（图2）
数据采集卡采用Advantech PCL1710 UL多功能卡，它有16路单端或 8 路差分模拟量输入, 或组合方式输入,12位 A/D 转换器, 采样数率 100 kS/s,板载 4K采样FIFO 缓冲器,每个输入通道的增益可编程。
计算机工控机选IPC 610H。主板;PCA-6010V，支持双通道DDR2 667 SDRAM，最高可达4 GB，支持CF插槽和DVI接口。
图4 系数读取子程序
与标定有关的放大系数和零位参数等，在开机前已经存放在外存的Calibration文件中。在打开这个文件的同时，也打开全局变量程序，并将相关的系数存入全局变量。
从LabVIEW程序标度计算的原理看，在传感器的线性量程范围内，静态标定调校有零位和比例系数两个数据。如下图中，Tvalue用于修改传感器的放大系数，Zelo用于修改零位数据。见图5
图7 块程序图
首先，数采卡读取的信号经变址寄存器函数分配到各自的标度转换和显示模块中。左边顺序模块中的程序，是把全局变量转换成本程序使用的局部变量，在主屏幕上显示相关参数。右边一个按钮连接的顺序框中，有一个将全局变量的修改系数存盘的子程序。
4.2.2 程序的功能说明：
1）数据采集模块：如果板卡存在某一通道不理想，你可以将信号接到其他比较好的通道上，但设定的通道范围应包括此通道。
2）变址寄存器的编号是你选择的全部通道。
3）全局变量和局部变量转换。全局变量不允许有小数点，要提高数据的分辨率，就必须将变量位数增加，但实际显示及修改要返回到保留几个小数位的方式。上述的放大系数保留两位小数点，零位保留一位。
4）增加高低频滤波器的作用是将信号中的杂波过滤。采用模拟电压采集的方式，一般受到的干扰会很大（见图6的示波器），对于其数据采集速度要求不是很高的场合，可以采用并联电容器达到高频滤波。NI Lebview有各种滤波函数可选用，如图7，如果使用这些函数，就可以通过程序设计来滤波。
5）数据运算公式中，两种参数定义有程序定值和变量两部分的数据，定值的选择首先是在初步标定准确后，使窗口中的放大系数变成1整数，零位是零的整数。
6）当数据的标定修改完成后，将这些参数存到外存的标定文件中，以便下次开机时自动输入这些数据。
4.2.3 程序的作用：
1）全部传感器的状态数据可以一览无余。
2）实现计算机硬盘、程序内存和显示之间的数据通讯。
3）允许系统的使用者对标度变换的系数进行修改。
4）将修改后的标度系数存到硬盘中，以便将来再次运行程序时调用。
4.3 参数文件保存
当存储按钮激活，已经修改的标定系数将被存到外盘相应的文件中。见图8
图8 参数文件保存程序
上述状态和标定模块只是用来被客户观察和修改数据，全部传感器相关的系数已经存在于全局变量中，所以在需要开始试验时，这个窗口将关闭，不会影响正常的试验。
5. 关于机器在测试运行中的数据采集和使用
实际试验中涉及的传感器，一般只需要的特定的几个传感器数据，所以没有必要要求程序读取数据时，调用上述的整个状态数据模块，去读取全部的通道的数据。为了保证数据采集和标定窗口中对应通道传感器数据一致，要求程序的基本结构和参数和上述对应通道一致。
6. 总结
标定，是指使用标准的计量仪器对所使用仪器的准确度(精度)进行检测是否符合标准，一般大多用于精密度较高的仪器。在自动化测试系统中，由机器的使用者直接协助国家计量部门人员，对数据进行调整，以提高设备精度，确保机器长期使用和达标，也方便设备标定的工作。为此，笔者在一台采用非NI数据采集卡的多传感器和多电机运动测试机的控制软件系统设计工程中，对实现检测数据的标度修改程序设计等进行了摸索研究，取得了成功。
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论文作者:俞志良
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/22
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