測試系統(tǒng)設(shè)計方法20150908

1、DBD-3火箭彈實驗測試系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計報告目 錄第一章 系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)1.1 系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)1.2 系統(tǒng)設(shè)計要求第二章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計分析 2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案分析2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案選擇第三章 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計3.1 傳感器的選擇3.2 放大器的選擇3.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇3.4 記錄儀器的選擇3.5 測試系統(tǒng)框圖3.6 測試系統(tǒng)誤差計算 第四章 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計4.1 程序所用語言的選擇4.2 程序流程圖4.3 程序分析（程序說明）4.4 程序清單第五章 課程設(shè)計總結(jié)參考文獻第一章 系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)及要求1.1 設(shè)計技術(shù)指標(biāo)A、測試

2、壓力： P1：060MPa（中點位置） P2：040MPa（左側(cè)1號） P3：030MPa（左側(cè)2號） P4：020MPa（左側(cè)3號）B、測試出口速度：0200m/sC、表面溫度T1：0400度D、測試壓力信號頻率：fx>10kHzE、測試系統(tǒng)精度：小于0.5%F、采用計算機記錄方式.1.2 設(shè)計要求A、測試系統(tǒng)設(shè)計分析，確定設(shè)計方案。B、計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計。C、多路信號采集程序設(shè)計及詳細分析。第二章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計分析2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS，Data Acquisition System）是計算機技術(shù)與傳統(tǒng)的測試技術(shù)相互結(jié)合而產(chǎn)生的自動測試技術(shù)。它可以滿足現(xiàn)

3、代科學(xué)實驗和生產(chǎn)過程中，測量精度高、路數(shù)多、速度快、結(jié)果顯示和打印形式多樣化的要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)兩部分，能完成對信號的采集、轉(zhuǎn)換、處理等功能。一個完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括潛質(zhì)放大器、采樣開關(guān)、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機和各種記錄儀器。2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案主要有以下三種：1、單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單片機A/D轉(zhuǎn)換器放大器傳感器 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，使用靈活缺點：擴展性差，存儲、顯示、數(shù)據(jù)處理功能差應(yīng)用場合：該系統(tǒng)應(yīng)用于航空、航天、兵器、機電產(chǎn)品中2、“計算機+A/D轉(zhuǎn)換器”數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機A/D轉(zhuǎn)換器傳感器放大器優(yōu)點：擴展性好，價格適中

4、，測試通道多缺點：采集程序需自行開發(fā)應(yīng)用場合：常用試驗中3、整體機型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)動態(tài)測試分析儀放大器傳感器其中動態(tài)測試分析儀是A/D（或A/D D/A）采集卡，計算機和軟件的集合體優(yōu)點：操作方便缺點：價格高，擴展性好應(yīng)用場合：兵器行業(yè)，爆炸測試中，火箭彈試驗中2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇分析設(shè)計實驗內(nèi)容及各項指標(biāo)可知，信號通道共有7路，采集頻率大概為50kHz，由于測試火箭彈的信號瞬時性較強，則采集系統(tǒng)需滿足對數(shù)據(jù)的實時顯示，數(shù)據(jù)實時處理分析，數(shù)據(jù)存儲等方面的要求，綜上所述，選擇方案2“計算機+A/D轉(zhuǎn)換器”型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。第三章 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計3.1傳感器的選擇3.1.1傳感器的選擇

5、原則（1）根據(jù)測量目的確定傳感器類型完成一個具體的測試任務(wù)或控制任務(wù)，首先要考慮用什么類型的傳感器，這需要分析許多因素才能決定。因為，要檢測某種物理量，有多種傳感器可供選擇。在機電一體化檢測控制系統(tǒng)設(shè)計中，我們考慮了以下幾個具體問題：A.傳感器量程的大小B.傳感器的體積，允許安裝位置C.安裝方式，接觸式還是非接觸式D.信號的引出方式，有線或非接觸測量E.傳感器的來源，國內(nèi)、國外或自制考慮以上問題后，就能確定采用什么類型（電阻型、電壓型、電感性、電容型、熱電偶、光電式傳感器）的傳感器，然后我們進行了具體的選擇。還應(yīng)注意在多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，應(yīng)盡量選用同一類型的傳感器，這樣就能大大簡化放大電路的

6、設(shè)計。另外，在傳感器型號選擇時，根據(jù)所測試信號的類型，選擇不同類型的傳感器。（2）傳感器的量程傳感器量程的選擇應(yīng)從應(yīng)用出發(fā)來選用，例如：現(xiàn)場檢測控制用被測參數(shù)是已知的，不會突然增大很大，選傳感器量程大于測試信號1.2倍即可。當(dāng)進行兵器試驗測試，選傳感器量程大于測試信號2倍即可。如果是新研制式試驗測試，考慮到安全問題，選用傳感器量程大于測試信號3倍即可。還要考慮到傳感器的線性使用范圍。所以傳感器量程的選擇原則是： 一般性檢測，Pmax>=(1.2-1.5)Px 實驗研究性測量，Pmax>=(2-3)Px 控制信號檢測，Pmax>=(1.2-2)Px（3）頻率響應(yīng)特性測試系統(tǒng)的第

7、一個環(huán)節(jié)傳感器是影響動態(tài)測量的主要因素，在選擇傳感器頻響特性時，應(yīng)注意待測非電量的變化特點（如穩(wěn)定、瞬變、隨機等），還要考慮測量系統(tǒng)的性能。要求傳感器的工作頻率特性在測量的信號頻率范圍內(nèi)，才能實現(xiàn)不失真測量。實際傳感器的頻率響應(yīng)特性只是近似理想特性，應(yīng)盡量使傳感器的固有頻率大于測試信號頻率的5倍以上才能保證測量信號不失真，控制精度才能保證。再有傳感實際上的響應(yīng)總有一定時間的延遲，希望延遲時間越短越好。在工程檢測與控制中，常用的傳感器，如光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)特性類型傳感器，響應(yīng)速度快，能檢測的信號頻率范圍較寬，而結(jié)構(gòu)型傳感器，如電感式、電容式、電磁感應(yīng)式、電阻應(yīng)變式等，由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，固有

8、頻率較低，可測信號的頻率小于5000Hz.在動態(tài)測量中及控制系統(tǒng)中，傳感器的響應(yīng)特性對測量不失真有決定性的影響，對控制精度有直接影響。在選擇傳感器時，應(yīng)根據(jù)被測信號特點（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等）進行選擇。選擇原則： fs>(5-10)fx fg>(1.2-1.5)fx fs:傳感器的固有頻率 fg:傳感器的工作頻率 fx:檢測信號頻率（4）可靠性及穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)的可靠性意義不言而喻。對于工作在工業(yè)現(xiàn)場的傳感器，可靠性包含如下兩個方面的含義：一方面是在標(biāo)明的工作條件下傳感器要能正常工作，能適合環(huán)境溫度、濕度、介質(zhì)條件、振動與沖擊、電磁場干擾、電源波動等因素。另一方面是傳感器大的性能能夠長

9、期穩(wěn)定，其特性指標(biāo)不隨時間與環(huán)境的變化而改變。每一種傳感器都有自己特定的適用范圍，設(shè)計是要仔細觀察現(xiàn)場的實際工況。例如：對于電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會影響其絕緣性，溫度會影響其零漂，長期使用通常會出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，工業(yè)塵埃會使電容傳感器的電介質(zhì)發(fā)生變化，嚴(yán)重情況下會使間隙型傳感器無法正常工作。又如在電場、磁場干擾較大的場合，霍爾效應(yīng)元件工作時易帶來較大的測量誤差。所以，在比較惡劣的工作環(huán)境中（塵埃、油劑、溫度、振動等干擾嚴(yán)重時）傳感器的可靠性應(yīng)優(yōu)先考慮。對于超過使用期限的傳感器一定要及時進行標(biāo)定。當(dāng)達到測量要求時，可以繼續(xù)使用，如果所用傳感器主要性能下降，不能滿足測量要求的，必須進行更換同類型傳感器

10、。最好是把所選用的傳感器進行靜態(tài)性能標(biāo)定和計算，動態(tài)性能的標(biāo)定和計算，當(dāng)達到設(shè)計技術(shù)要求后再使用，確保所選傳感器的使用可靠性及穩(wěn)定性。特別是用檢測控制型的傳感器，在用之前，作標(biāo)定和相關(guān)測試是十分必要的。（5）精度傳感器的精度是保證測量系統(tǒng)精確度的第一個重要環(huán)節(jié)，處于系統(tǒng)瓣輸入端。但是精確度越高，價格也就越貴，所以應(yīng)從實際需要和經(jīng)濟性角度選擇合適精確度的傳感器。如果測試是用于定性分析，可選用重復(fù)性好、精確度一般的傳感器；如果是進行定量分析，需要獲得準(zhǔn)確的測量值，就需要選用準(zhǔn)確度等級可滿足要求的傳感器。例如：壓力測量可以選擇0.1%的傳感器?？傊鶕?jù)具體使用條件，測量精度要求，選擇相應(yīng)精度的傳感

11、器。（6）線性范圍傳感器在工作量程內(nèi)部要求輸出與輸入成線性關(guān)系。線性范圍越寬則表明傳感器的工作精度越高。根據(jù)不同的傳感器原理，機械參量的測試變換，即從機械物理量向電學(xué)參量變換（可以是R、L、C等阻抗性參量變化，也可以是電流、電壓、電荷等有源性參量變化），可能存在一定的非線性。如變極距式（電容）位移傳感器，輸出電容的變化與極距的變化呈非線性關(guān)系，而靈敏度隨著極距而變化，從而引起非線性誤差。為了減少這一誤差，一般使極距在較小的范圍變化，以保持小范圍內(nèi)的線性度。對于這類傳感器環(huán)節(jié)就存在非線性的交換，常采用差動式結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度，改善非線性。也由些非線性的傳感元件，如熱電阻溫度傳感器，需要設(shè)計非線性

12、校正環(huán)節(jié)。校正可以用電路來實現(xiàn)，也可以用計算機軟件的方法進行補償，修正傳感器的非線性誤差。（7）結(jié)構(gòu)尺寸的選擇根據(jù)現(xiàn)場測量與控制的具體要求，確定傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸，盡量選擇體積小、安裝方便的、抗干擾性好的傳感器。如果被測量點安裝尺寸受限制，可選擇非接觸式傳感器，或者是外加安裝頭方法，實現(xiàn)測量目的。國內(nèi)外生產(chǎn)廠家較多，品種較安全，選用時必須從傳感器的性能，價格比方面擇優(yōu)選用，結(jié)構(gòu)尺寸選用安裝要合理。3.1.2傳感器的選擇（1）壓力傳感器4個測試端口均使用AK-4型壓力傳感器，P1： 量程：0100MPa 精度：0.2%P2： 量程：060MPa 精度：0.2%P3： 量程：050MPa 精度：0.

13、2%P4： 量程：040MPa 精度：0.2%（2）測試速度：光電反射式速度干涉儀，具體型號無法查到（3）溫度傳感器： TR100 量程：0800度 精度：0.2%3.2放大器的選擇3.2.1放大器的選擇原則 選擇放大器時，應(yīng)根據(jù)傳感器的類型來選擇放大器的類型，應(yīng)該與傳感器的類型相匹配。具體選擇原則是：（1）應(yīng)變式或電阻型傳感器 應(yīng)選擇動態(tài)電阻應(yīng)變儀，信號調(diào)節(jié)器，應(yīng)變放大器，自動校準(zhǔn)放大器等。根據(jù)具體測量信號頻率和精度選擇不同型號的放大器。主要有BZ2202系列（手動、自動：1路、2路）、YE38（KD600）系列、YB系列，一般放大倍數(shù)為01000，頻率為10K150KHz，精度為0.1%-

14、0.2%。（2）壓電傳感器 應(yīng)選用電荷放大器，主要有YE5850、5007、9013，這些都是超低頻的（0-100K）。具體型號可參考電荷放大器使用手冊。（3）電感、電容式傳感器 應(yīng)選用載波交流放大器配套。根據(jù)具體的檢測與控制精度要求，選擇相應(yīng)型號的交流放大器。可參考放大器使用手冊。（4）熱電偶式器 應(yīng)選用直流電壓放大器（5）光電式式傳感器應(yīng)選擇相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器，根據(jù)具體的檢測與控制精度要求，選擇相應(yīng)的配套光電放大器；也可用三極管（9013等）組成開關(guān)電路。3.2.2放大器的選擇在本次火箭彈相關(guān)參數(shù)的測試，綜合考慮了外境環(huán)境與以上放大器的選擇原則，并且結(jié)合現(xiàn)有器件，查閱放大器手冊后，此系統(tǒng)可先

15、擇BZ2202型動態(tài)電阻應(yīng)變儀，參數(shù)為：型號：BZ2202放大倍數(shù)：K=01000，可調(diào)精度：0.1%固有頻率：fg =50KHz3.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇3.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇原則（1）A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)A：A/D轉(zhuǎn)換采集頻率：10KHZ-100MHz 10KHZ-100KHz 低速采集板 100KHz-330KHz 中速采集板 500KHz-100MHz 高速采集板B：A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)： 8位板，10位板，12位板，14位板，16位板C：A/D轉(zhuǎn)換器的精度： 1%-0.5% 0.5%-0.1% 0.1%-0.05% 0.005%D：A/D轉(zhuǎn)換器的通道數(shù)： 2路，4路，6路

16、，8路，12路，16路，32路E：A/D轉(zhuǎn)換器的型號： SC-系列，PCL-系列，CS-系列，DAS-系列（2）A/D轉(zhuǎn)換器的選擇方法： A：設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的選擇原則： 采集頻率的確定：fs 并行采集工作方式：fs>20fc 串行采集工作方式：fs>n*20fc fc型號頻率 nA/D工作通道數(shù) fsA/D采集頻率 采集精度：根據(jù)測試系統(tǒng)精度要求選擇A/D轉(zhuǎn)換板，常用的12位A/D轉(zhuǎn)換板的精度小于0.05%，計量部門測量常用的14位A/D轉(zhuǎn)換板的精度為0.01%-0.005%。 輸入方式：常用差分輸入方式，程控方式。 啟動工作方式：程序控制方式，外輸入電壓控制方式，自動啟動方式。

17、（3）常用A/D轉(zhuǎn)換器的型號： A.SC系列 采集頻率：30KHz10MHz B.PCL系列 采集頻率：100KHz1MHz C.CS000系列 采集頻率：1.25MHz100MHz D.DAS系列 采集頻率：100KHz1.25MHz E.PC-6300系列 采集頻率：10KHz200KHz3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 在此系統(tǒng)中，考慮要測試參數(shù)的個數(shù)，爆炸場的高溫條件，及壓力信號頻率再綜合了以上A/D轉(zhuǎn)換器的選擇原則，并且結(jié)合現(xiàn)有器件，查閱A/D轉(zhuǎn)換器的選擇手冊后，選擇了以下型號的A/D轉(zhuǎn)換器： 型號：A/D-SC105 分辨率：12位 精度：0.1% 通道數(shù)：8通道 最高采樣頻率：fs

18、:330kHz3.4記錄儀的選擇3.4.1記錄儀選擇方案（1）磁帶記錄方式由于磁帶具有容量大，存儲時間長的特點，因此選擇磁帶機作為一種記錄儀器。磁帶上記錄的是模擬電壓量。（2）計算機記錄方式計算機記錄數(shù)字量的實驗數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)處理分析和長久保存。3.4.2記錄儀器的選擇（1）磁帶機記錄： 型號：TEAK DX2000 精度：0.2% 固有頻率：fg =20KHz（2）計算機記錄： 機器配置：P5 采用程序存盤記錄方式記錄數(shù)據(jù)P1動態(tài)電阻應(yīng)變儀BZ22023.5測試系統(tǒng)框圖A/D-105計算機P5P2P3P4T1光電速度測試儀GD1GD23.6測試系統(tǒng)誤差計算利用系統(tǒng)總精度計算公式其中， 1傳感

19、器精度 2變化器精度 3記錄儀精度得到系統(tǒng)總精度為：對于測壓力： 0.3%對于測溫度： 0.3%測速度不經(jīng)過變化器總得來說，設(shè)計符合要求第四章 計算機數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計4.1程序所用語言的選擇目前前大部分單片機的發(fā)開語言都為C語言，它比匯編語言要簡潔，且易于修改、移植。所以在此系統(tǒng)設(shè)計中采用C語言。4.2程序流程圖結(jié)束函數(shù)初始化作圖變量初始化輸出數(shù)據(jù)程序界面設(shè)計輸入系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)處理采集板端口初始化采集信號4.3 程序分析/*計算機數(shù)據(jù)采集程序*/*UA105N.C TC2.0 YX200401*/#include”stdio.h”#include”dos.h”#include<graphi

20、cs.h>1.函數(shù)初始化/*函數(shù)聲明*/void interface(void);void help(void)void quit(void);void sample(void); FILE *in1 /*函數(shù)體*/ main() 2.變量初始化 /*變量定義*/int I,d,j,k,fr,fcode,baddr,baddr8,n,innm; unsigned char ch,fch,chn,fh,fl; int dd1024*16; /*給每個通道預(yù)留1K數(shù)據(jù)存儲空間*/ unsigned char g=0; float data2000,pd2000; float max,pmax

21、; char *argv; char inchar1,inchar2; int driver=DETECT; int mode=0;3.輸入系統(tǒng)參數(shù) /*輸入采集系統(tǒng)參數(shù)*/ baddr=0x240; /*初始化板基址：A/D16位數(shù)據(jù)輸入口*/ printf(“fch(0-15)=0”); scanf(“%d”,&fch); /*輸入首通道0*/ printf(“chn(1-16)=8”); scanf(“%d”,&chn); /*輸入通道數(shù)8*/ printf(“Fr.(kHz)=50”); scanf(“%d”,&fr); /*輸入頻率50*/ printf(“N

22、=”); scanf(“%d”,&n); /*輸入采集點數(shù)*/ fcode=4000/fr; fh=fcode/256; fl=fcode%256;4.采集板初始化 /*采集板初始化*/ outportb(baddr+0x10,0); /*A/D通道預(yù)置寄存器，清零*/ outportb(baddr+0x11,0); /*A/D控制寄存器，初始化：0,0-FIFO清零，禁止采集，000000*/ /*初始化為定時觸發(fā)方式*/ outportb(baddr+7,0x54); /*8254控制字口，初始化01010100:00-設(shè)置通道1，01-寫低字節(jié)，010-方式2，0-二進*/ ou

23、tportb(baddr+0x10,fch); /*寫A/D通道預(yù)置寄存器，設(shè)定首通道*/ outpportb(baddr+5,chn); /*A/D控制寄存器，設(shè)置：0，F(xiàn)IFO可寫，允許采集，0-禁止半滿中斷，0-禁止外啟動，0000禁止非空DMA*/ if(chn=1) outportb(baddr+7,0x70); else for(i=0;i<chn+1;i+) Outportb(baddr+7,0x10);Outportb(baddr+7;0x34); /*8254控制字口，初始化00110100:00-設(shè)置通道011-先寫低字節(jié)，后寫高字節(jié)，010-方式2，0-二進制*/5

24、.信號采集/*送技術(shù)值，觸發(fā)一次采集*/ for(i=0;i<1000;i+) ; outportb(baddr+4,(unsigned char)fl);/*8254通道0，初始化：(uchar)(fcode%256)*/ outportb(baddr+0x11,0x40); /*A/D控制寄存器，設(shè)置：0，F(xiàn)IFO可寫，允許采集，0-禁止半滿中斷，0-禁止外啟動，0000-禁止非空DMA*/ outportb(baddr+4,(unsigned char)fh); /*8254通道0，初始化：(uchar)(fcode/256)*/ baddr8=baddr+8; for(i=0;i<n+chn;i+) While(!(inportb(baddr8)&1) ; ddi=inport(baddr)0x8000;6.數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)輸出/*顯示數(shù)據(jù)*/printf(“data output,yes or no?”);scanf(“%s”,&