測試系統(tǒng)設計方法20150908

1、DBD-3火箭彈實驗測試系統(tǒng)設計課程設計報告目 錄第一章 系統(tǒng)設計技術指標1.1 系統(tǒng)設計技術指標1.2 系統(tǒng)設計要求第二章 數據采集系統(tǒng)設計分析 2.1 數據采集系統(tǒng)概述2.2 數據采集系統(tǒng)方案分析2.3 數據采集系統(tǒng)方案選擇第三章 計算機數據采集系統(tǒng)設計3.1 傳感器的選擇3.2 放大器的選擇3.3 A/D轉換器的選擇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 計算機數據采集系統(tǒng)程序設計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 課程設計總結參考文獻第一章 系統(tǒng)設計技術指標及要求1.1 設計技術指標A、測試

2、壓力： P1：060MPa（中點位置） P2：040MPa（左側1號） P3：030MPa（左側2號） P4：020MPa（左側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 設計要求A、測試系統(tǒng)設計分析，確定設計方案。B、計算機數據采集系統(tǒng)設計。C、多路信號采集程序設計及詳細分析。第二章 數據采集系統(tǒng)設計分析2.1 數據采集系統(tǒng)概述數據采集系統(tǒng)（DAS，Data Acquisition System）是計算機技術與傳統(tǒng)的測試技術相互結合而產生的自動測試技術。它可以滿足現

3、代科學實驗和生產過程中，測量精度高、路數多、速度快、結果顯示和打印形式多樣化的要求。數據采集系統(tǒng)包括模擬系統(tǒng)和數字系統(tǒng)兩部分，能完成對信號的采集、轉換、處理等功能。一個完善的數據采集系統(tǒng)包括潛質放大器、采樣開關、采樣保持器、A/D轉換器、計算機和各種記錄儀器。2.2 數據采集系統(tǒng)方案分析數據采集系統(tǒng)的設計方案主要有以下三種：1、單片機數據采集系統(tǒng)單片機A/D轉換器放大器傳感器 優(yōu)點：結構簡單，價格低廉，使用靈活缺點：擴展性差，存儲、顯示、數據處理功能差應用場合：該系統(tǒng)應用于航空、航天、兵器、機電產品中2、“計算機+A/D轉換器”數據采集系統(tǒng)計算機A/D轉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)應用場合：常用試驗中3、整體機型數據采集系統(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，擴展性好應用場合：兵器行業(yè)，爆炸測試中，火箭彈試驗中2.3 數據采集系統(tǒng)選擇分析設計實驗內容及各項指標可知，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)需滿足對數據的實時顯示，數據實時處理分析，數據存儲等方面的要求，綜上所述，選擇方案2“計算機+A/D轉換器”型數據采集系統(tǒng)。第三章 計算機數據采集系統(tǒng)方案設計3.1傳感器的選擇3.1.1傳感器的選擇

5、原則（1）根據測量目的確定傳感器類型完成一個具體的測試任務或控制任務，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、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。還應注意在多參數數據采集系統(tǒng)中，應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、設計。另外，在傳感器型號選擇時，根據所測試信號的類型，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從應用出發(fā)來選用，例如：現場檢測控制用被測參數是已知的，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，才能實現不失真測量。實際傳感器的頻率響應特性只是近似理想特性，應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、壓電效應特性類型傳感器，響應速度快，能檢測的信號頻率范圍較寬，而結構型傳感器，如電感式、電容式、電磁感應式、電阻應變式等，由于受到結構特性的影響，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，應根據被測信號特點（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)定性測試數據的可靠性意義不言而喻。對于工作在工業(yè)現場的傳感器，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，設計是要仔細觀察現場的實際工況。例如：對于電阻應變式傳感器，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蠕變現象，工業(yè)塵埃會使電容傳感器的電介質發(fā)生變化，嚴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、振動等干擾嚴重時）傳感器的可靠性應優(yōu)先考慮。對于超過使用期限的傳感器一定要及時進行標定。當達到測量要求時，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)性能標定和計算，動態(tài)性能的標定和計算，當達到設計技術要求后再使用，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，作標定和相關測試是十分必要的。（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，所以應從實際需要和經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，需要獲得準確的測量值，就需要選用準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?，根據具體使用條件，測量精度要求，選擇相應精度的傳感

11、器。（6）線性范圍傳感器在工作量程內部要求輸出與輸入成線性關系。線性范圍越寬則表明傳感器的工作精度越高。根據不同的傳感器原理，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，常采用差動式結構，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，需要設計非線性

12、校正環(huán)節(jié)。校正可以用電路來實現，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）結構尺寸的選擇根據現場測量與控制的具體要求，確定傳感器的結構尺寸，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，實現測量目的。國內外生產廠家較多，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，結構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，應根據傳感器的類型來選擇放大器的類型，應該與傳感器的類型相匹配。具體選擇原則是：（1）應變式或電阻型傳感器 應選擇動態(tài)電阻應變儀，信號調節(jié)器，應變放大器，自動校準放大器等。根據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，一般放大倍數為01000，頻率為10K150KHz，精度為0.1%-

14、0.2%。（2）壓電傳感器 應選用電荷放大器，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 應選用載波交流放大器配套。根據具體的檢測與控制精度要求，選擇相應型號的交流放大器?？蓞⒖挤糯笃魇褂檬謨?。（4）熱電偶式器 應選用直流電壓放大器（5）光電式式傳感器應選擇相應的光電轉換器，根據具體的檢測與控制精度要求，選擇相應的配套光電放大器；也可用三極管（9013等）組成開關電路。3.2.2放大器的選擇在本次火箭彈相關參數的測試，綜合考慮了外境環(huán)境與以上放大器的選擇原則，并且結合現有器件，查閱放大器手冊后，此系統(tǒng)可先

15、擇BZ2202型動態(tài)電阻應變儀，參數為：型號：BZ2202放大倍數：K=01000，可調精度：0.1%固有頻率：fg =50KHz3.3 A/D轉換器的選擇3.3.1 A/D轉換器的選擇原則（1）A/D轉換器的主要性能指標A：A/D轉換采集頻率：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轉換器的位數： 8位板，10位板，12位板，14位板，16位板C：A/D轉換器的精度： 1%-0.5% 0.5%-0.1% 0.1%-0.05% 0.005%D：A/D轉換器的通道數： 2路，4路，6路

16、，8路，12路，16路，32路E：A/D轉換器的型號： SC-系列，PCL-系列，CS-系列，DAS-系列（2）A/D轉換器的選擇方法： A：設計數據采集系統(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 fsA/D采集頻率 采集精度：根據測試系統(tǒng)精度要求選擇A/D轉換板，常用的12位A/D轉換板的精度小于0.05%，計量部門測量常用的14位A/D轉換板的精度為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轉換器的選擇 在此系統(tǒng)中，考慮要測試參數的個數，爆炸場的高溫條件，及壓力信號頻率再綜合了以上A/D轉換器的選擇原則，并且結合現有器件，查閱A/D轉換器的選擇手冊后，選擇了以下型號的A/D轉換器： 型號：A/D-SC105 分辨率：12位 精度：0.1% 通道數：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字量的實驗數據，便于數據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據P1動態(tài)電阻應變儀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， 蟽1傳

19、感器精度 蟽2變化器精度 蟽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%測速度不經過變化器總得來說，設計符合要求第四章 計算機數據采集程序設計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)設計中采用C語言。4.2程序流程圖結束函數初始化作圖變量初始化輸出數據程序界面設計輸入系統(tǒng)參數數據處理采集板端口初始化采集信號4.3 程序分析/*計算機數據采集程序*/*UA105N.C TC2.0 YX200401*/#include”stdio.h”#include”dos.h”#include<gra

20、phics.h>1.函數初始化/*函數聲明*/void interface(void);void help(void)void quit(void);void sample(void); FILE *in1 /*函數體*/ 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; /*給每個通道預留1K數據存儲空間*/ unsigned char g=0; float data2000,pd2000; float max,p

21、max; char *argv; char inchar1,inchar2; int driver=DETECT; int mode=0;3.輸入系統(tǒng)參數 /*輸入采集系統(tǒng)參數*/ baddr=0x240; /*初始化板基址：A/D16位數據輸入口*/ 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8*/ printf(“Fr.(kHz)=50”); scanf(“%d”,&fr); /*輸入頻率50*/ printf

22、(“N=”); scanf(“%d”,&n); /*輸入采集點數*/ 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-設置通道1，01-寫低字節(jié)，010-方式2，0-二進*/

23、 outportb(baddr+0x10,fch); /*寫A/D通道預置寄存器，設定首通道*/ outpportb(baddr+5,chn); /*A/D控制寄存器，設置：0，FIFO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-設置通道011-先寫低字節(jié)，后寫高字節(jié)，010-方式2，0-二進制

24、*/5.信號采集/*送技術值，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，設置：0，FIFO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.數據處理及數據輸出/*顯示數據*/printf(“data output,yes or no?”);scanf(“%s”,&