張玉琴 李盤文 中航工業(yè)飛行試驗研究院測試技術研究所

飛行試驗應變參數(shù)自動校準系統(tǒng)的設計

張玉琴 李盤文 中航工業(yè)飛行試驗研究院測試技術研究所

針對目前機上應變參數(shù)校準采用手動單通道效率較低，易出現(xiàn)人為誤差的現(xiàn)狀，應變參數(shù)自動校準系統(tǒng)在C++ Builder平臺上開發(fā)，采用Pickering公司的6通道40-265可編程應變模擬卡，通過以太網(wǎng)將KAM500采集器的數(shù)據(jù)傳輸，最終實現(xiàn)應變量的自動加載、校線自動生成、存儲等。

自動校準；應變；UDP；C++ Builder

1.概述

應變參數(shù)用于飛機，是飛行試驗中結構強度和載荷課題所需測試的重要參數(shù)之一，為了全面的檢查飛機在受載情況下結構及附件的承載能力，在飛行試驗中需要測試大量的結構應變參數(shù)，一架試驗機的應變參數(shù)有幾百甚至上千個，對于這幾百上千個應變參數(shù)的校準，傳統(tǒng)的方法是采用手動單通道操作，校準過程中人為誤差不可避免，而且效率低下，因此，為了飛行試驗測試數(shù)據(jù)的可靠性、準確性、高效性，需在現(xiàn)有校準設備的基礎上建設自動化校準系統(tǒng)。

應變參數(shù)自動化校準系統(tǒng)是一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，通過Pickering公司的40-265板卡加載信號，經(jīng)過采集器后的PCM數(shù)據(jù)實時傳輸，校準結果以數(shù)字、曲線及報告形式輸出。此系統(tǒng)提高了應變參數(shù)校準的效率與準確度，在一定程度上為試飛工作的可靠性及及時性提供了保證。

2.應變參數(shù)校準原理

應變測量電路有1/4橋、半橋和全橋。校準中一般以1/4橋應變模擬器對測試通道進行校準，它的測量電路如圖1所示，經(jīng)

圖1 1/4應變電橋測量電路

根據(jù)金屬電阻的應變效應，電阻值的變化和應變之間的公式關系為：

k為金屬應變靈敏度，它的取值范圍為1.7～3.6[1]。

3.應變參數(shù)自動校準系統(tǒng)構成

應變參數(shù)自動校準系統(tǒng)是由程控應變模擬器、校準計算機、數(shù)據(jù)采集器（KAM500等）、PCM檢查計算機構成，組成示意圖見圖2。

程控應變模擬器通過一個3U4槽cPCI機箱來實現(xiàn)，主要由Pickering公司的型號為 40-265的6通道應變模擬卡、橋接板和220V的電源模塊組成。40-265卡包含6路獨立的應變電橋塊，激勵電壓可選外部或內部激勵，電橋回路包含三個350Ω的固定電阻和一個變化范圍為±1%的可編程電阻，通過可控開關可實現(xiàn)1/4橋、半橋和全橋回路。板卡的用戶校準通過一個外部的DMM連接到校準端口——即一個UUT接口來實現(xiàn)。校準計算機通過一個PCM express卡和40-265板卡連接，實現(xiàn)對板卡的控制。

40-265 應變模擬卡的輸出電壓經(jīng)過機上測試電纜后由KAM/KAM4000/770采集器實現(xiàn)A/D轉換，轉換后的PCM 數(shù)據(jù)經(jīng)過SAM/007卡的上傳到檢查計算機，再經(jīng)過以太網(wǎng)發(fā)送到校準筆記本，形成閉環(huán)鏈路，將應變物理量和PCM碼值自動錄入Excel表格，生成校線。

4. 軟件設計方案

應變測試多通道自動校準軟件基于C++ Builder 6.0平臺開發(fā)，它由四個模塊組成：任務準備、現(xiàn)場校準、調試計量、幫助，實現(xiàn)對應變模擬卡的控制、PCM數(shù)據(jù)的接收、校線的生成、板卡計量等功能。校準流程圖如圖3所示。

4.1 任務準備模塊

任務準備模塊的功能為：任務描述、校準參數(shù)錄入等。校準任務描述信息的主要內容包括校準文件中的基本信息如飛機型號、機號、校準人員等，以及經(jīng)由采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)包的幀定義信息。校準參數(shù)在任務準備階段可以動態(tài)地添加和刪減，并在參數(shù)列表中顯示，參數(shù)信息中數(shù)據(jù)包的幀地址、字地址是為了正確的取回各參數(shù)對應的采集后的數(shù)據(jù)，根據(jù)校準值的上下限、校準點數(shù)可以計算出各個校準點的應變值，再依據(jù)公式（1）可計算出可變電阻的阻值。任務準備模塊可在校準前實驗室提前準備，所有信息以工程文件的形式保存，現(xiàn)場可直接調用，軟件界面如圖4所示。

圖2 應變自動校準系統(tǒng)組成示意圖

圖3 校準流程圖

圖4 任務準備模塊界面

圖5 現(xiàn)場校準模塊界面

4.2 現(xiàn)場校準模塊

現(xiàn)場校準模塊主要包括對應變電橋模擬板卡的控制、PCM數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)結果的保存、校準結果精度的計算等。

（1）應變電橋模擬板卡的控制部分

對應變電橋模擬板卡40-265的控制是通過其面向Borland C++的動態(tài)鏈接庫來實現(xiàn)，控制指令實現(xiàn)板卡的開啟關閉、通道的設置、可變電阻值的寫入等。通道的設置包括激勵端方式（外部激勵或者內部激勵）和全橋或半橋電路的選擇。板卡的EEPROM中提供了標定后電橋的固定電阻R的阻值，同時可變電阻設置后的值可以返回，這使得應變信號的加載更加準確。

DWORD PIL_WriteSub（DWORD CardNum，DWORD OutSub，DWORD*Data）； //電橋設置

DWORD PIL_ReadCalFP(DWORD CardNum，DWORD OutSub，DWORD Store，DWORD Offset，DWORD NumValue，double *Data）； //讀取固定電阻的阻值

DWORD PIL_ResSetResistamce（DWORD CardNum，DWORD OutSub，DWORD Mode，double *Data）； //設置可變電阻阻值

DWORD PIL_ResGetResistamce（DWORD CardNum，DWORD OutSub，double *Data）； //返回設置的可變電阻阻值，以檢驗實際的電阻設置

（2）PCM數(shù)據(jù)通訊

采集器輸出的PCM數(shù)據(jù)到校準計算機的傳輸采用的協(xié)議為UDP 協(xié)議。在TCP/IP網(wǎng)絡體系結構中，有TCP (傳輸控制協(xié)議,Transport Control Protocol)、UDP (用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議, User Data Protocol) 兩種傳輸層最重要的協(xié)議。TCP協(xié)議是面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，在正式通信前必須通過三次握手建立起連接，具有超時和重傳機制。而UDP協(xié)議是非面向連接的不可靠的傳輸機制，在通信前不需要先建立連接，不提供報文的確認，傳輸速度塊。根據(jù)校準數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，客戶端（PCM檢查計算機）和主機端（校準計算機）之間并不需要事先連接，客戶端可以在采集器打開后就開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，主機端只在需要時將PCM數(shù)據(jù)包取回即可，而且單個校準點在一定時間內會發(fā)送N個數(shù)據(jù)包，幾個數(shù)據(jù)包出現(xiàn)壞包情況只需丟掉即可，不需重發(fā)，所以在本系統(tǒng)中選用了UDP傳輸協(xié)議。

在C++ Builder 6.0 平臺上，基于UDP的數(shù)據(jù)傳輸開發(fā)方式有兩種，一種是通過Windows API函數(shù)，另一種是利用開發(fā)組件即NMUDP控件，本文采用了后者。 在控件屬性中設置IP地址，端口號等信息，當收到數(shù)據(jù)包時觸發(fā)函數(shù)NMUDP1DataReceived（）。

（3）基于OLE的數(shù)據(jù)結果保存

根據(jù)校準規(guī)范，校準結果最終需要以Excel格式存儲，利用C++ Builder6.0具備的OLE Server功能，可在其平臺上創(chuàng)建控制端應用程序來驅動EXCEL軟件，主要實現(xiàn)Excel校準模板文件的導入、單元格中數(shù)據(jù)的的輸入、文件的保存等。

ExcelWorkBook1->ConnectTo()； //導入模板文件

ExcelWorkBook1->GetRange()->cells->SetValues()； //寫入單元格

ExcelWorkBook1->SaveAs()； //保存文件

（4）校準精度的計算

根據(jù)國軍標1692，運用回歸分析法處理試驗數(shù)據(jù)，對測試儀器校準試驗得到的N組校準數(shù)據(jù)（xi,yi）（1，2，…，N）,利用最小二乘法，通過逐次回歸確定出描述變量Y（輸出兩）與X（輸入量）之間相關關系的回歸多項式。

其中R為多項式中的最高方次，N>>R，本文中R取值為2。

作為表征校準數(shù)據(jù)與校準曲線離散程度的指標，子樣標準偏差S值的公式為：

現(xiàn)場校準的界面如圖5所示，用戶調用提前設置的校準任務文件，然后選擇設置校準參數(shù)組（小于等于6個參數(shù)），并定義每個參數(shù)與校準通道對應關系。然后啟動自動校準按鈕，校準儀會完成校準全過程。校準完后，現(xiàn)場顯示校準結果（校準點隊、校準曲線、誤差分析等）。用戶確定結果后，按壓“保存”按鈕，則結果自動保存。

5. 結束語

應變測試多通道校準自動系統(tǒng)建立在傳統(tǒng)校準方法的基礎上，應用計算機及網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)自動校準，提高了校準效率和可靠性。

[1]傳感器原理及工程應用[M].西安電子科技大學出版社.2004

[2]GJB1692 - 93. 試飛測試儀器校準規(guī)范[S]. 1992

[3]樊尚春,等. 航空測試系統(tǒng)[M]. 北京航空航天大學出版社. 2005

[4]C++ Builder 6徹底研究[M].中國鐵道出版社.2003

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.090