張 榮,王 玨, 寧 菲, 周繼昆,凌明祥,白俊林

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

精密離心機(jī)測(cè)控與加速度計(jì)標(biāo)校自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 榮,王 玨, 寧 菲, 周繼昆,凌明祥,白俊林

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

慣導(dǎo)加速度計(jì)在精密離心機(jī)上的標(biāo)校試驗(yàn)，涉及精密離心機(jī)動(dòng)態(tài)半徑和靜態(tài)半徑精密測(cè)量、轉(zhuǎn)速精確測(cè)控以及被校加速度計(jì)信號(hào)的正確采集與實(shí)時(shí)傳輸?shù)?，需?yán)格控制各類測(cè)控儀器的動(dòng)作時(shí)序邏輯實(shí)現(xiàn)精密離心機(jī)測(cè)控與加速度計(jì)標(biāo)校試驗(yàn)的自動(dòng)化操作；介紹一種精密離心機(jī)測(cè)控與加速度計(jì)標(biāo)校試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件上基于LAN總線組網(wǎng)集成精密離心機(jī)各類測(cè)控儀器，構(gòu)建分布式測(cè)控系統(tǒng)，并應(yīng)用外部光柵編碼器脈沖信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)控制測(cè)控儀器的硬件同步時(shí)序邏輯；軟件上應(yīng)用共享變量技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類測(cè)控參數(shù)的有序傳輸，針對(duì)動(dòng)態(tài)波形類大數(shù)據(jù)測(cè)試信號(hào)的共享變量傳輸可靠性差問(wèn)題，提出一種基于文件動(dòng)態(tài)拷貝的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方案，設(shè)計(jì)嚴(yán)格的共享變量傳輸邏輯機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了各類測(cè)控參數(shù)正確有序采集與傳輸；應(yīng)用試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的測(cè)控與加速度標(biāo)校試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)滿足加速度計(jì)在精密離心機(jī)上的標(biāo)校自動(dòng)化應(yīng)用需求，顯著提高了加速度計(jì)標(biāo)校試驗(yàn)效率。

精密離心機(jī)；加速度計(jì)；分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控；共享變量；精密測(cè)控；標(biāo)校試驗(yàn)

0 引言

精密離心機(jī)主要用于標(biāo)定校準(zhǔn)慣導(dǎo)加速度計(jì)[1]的二階非線性系數(shù)k2、三階非線性系數(shù)k3以及高次非線性系數(shù)和交叉項(xiàng)系數(shù)等。對(duì)高精度慣導(dǎo)加速度計(jì)的系數(shù)標(biāo)定和校準(zhǔn)，必須采用輸出加速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度高的精密離心機(jī)[2]提供加速度信號(hào)。這類精密離心機(jī)的加速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度通常在10-5～10-6量級(jí)。精密離心機(jī)要提供高精度的加速度信號(hào)，需精密測(cè)量其動(dòng)態(tài)半徑ΔR、動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角Δλ、靜態(tài)半徑R0以及電機(jī)轉(zhuǎn)速ω甚至主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差e等參數(shù)，并根據(jù)慣導(dǎo)加速度計(jì)的標(biāo)校精度要求，選擇不同的精密離心機(jī)輸出加速度數(shù)學(xué)模型[3]代入精密測(cè)控所得上述參數(shù)進(jìn)行加速度值補(bǔ)償。本文介紹一種在10-6量級(jí)精密離心機(jī)上標(biāo)校加速度計(jì)的自動(dòng)化試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，該試驗(yàn)系統(tǒng)將精密離心機(jī)的精密動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)(測(cè)量ΔR、Δλ、e)、靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)(R0)、電機(jī)轉(zhuǎn)速精密測(cè)控制系統(tǒng)(ω)以及加速度計(jì)信號(hào)采集與標(biāo)校計(jì)算系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)集成為一體，形成功能強(qiáng)大的分布式測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)合理的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控命令設(shè)置和執(zhí)行，完成標(biāo)校過(guò)程中精密離心機(jī)相關(guān)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)參數(shù)的精密測(cè)控，實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)標(biāo)校自動(dòng)化，簡(jiǎn)化標(biāo)校測(cè)試流程，提高標(biāo)校試驗(yàn)效率。

1 精密測(cè)控與加速度計(jì)標(biāo)校

自動(dòng)化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)精密測(cè)控與加速度計(jì)標(biāo)校試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)主要由三部分組成：精密動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、精密拖動(dòng)控制系統(tǒng)以及加速度計(jì)標(biāo)校計(jì)算系統(tǒng)構(gòu)成。其中：精密動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)用于穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下對(duì)精密離心機(jī)動(dòng)態(tài)半徑ΔR、動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角Δλ以及空氣主軸回轉(zhuǎn)誤差e的精密測(cè)量，由測(cè)試服務(wù)器下位機(jī)和測(cè)試終端上位機(jī)組成，測(cè)試服務(wù)器負(fù)責(zé)完成各動(dòng)態(tài)信號(hào)的原始采集，但對(duì)信號(hào)不作處理，上位機(jī)則負(fù)責(zé)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波、定位提取以及向下位機(jī)發(fā)送動(dòng)態(tài)測(cè)試命令等；精密拖動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成精密離心機(jī)主軸轉(zhuǎn)速ω的實(shí)時(shí)測(cè)控，主要由頻率計(jì)、轉(zhuǎn)速給定與顯示上位機(jī)兩部分組成；加速度計(jì)標(biāo)校計(jì)算系統(tǒng)包括工控機(jī)、加速度計(jì)供電用高精度可編程直流電源、加速度計(jì)信號(hào)采集用8.5位數(shù)字萬(wàn)用表等，主要負(fù)責(zé)根據(jù)反算法[4]計(jì)算精密離心機(jī)的靜態(tài)半徑R0、給定精密離心機(jī)標(biāo)校試驗(yàn)所需的加速度信號(hào)a0、根據(jù)精密離心機(jī)加速度輸出數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到補(bǔ)償后的精密離心機(jī)輸出加速度信號(hào)a1以及按照加速度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范提供的數(shù)學(xué)模型擬合計(jì)算出被校加速度計(jì)的各次非線性項(xiàng)系數(shù)。

1.1 自動(dòng)化系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化系統(tǒng)涉及的儀器總線包括基于PXI-E總線設(shè)計(jì)的精密動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、基于GPIB總線采集傳輸?shù)臄?shù)字萬(wàn)用表、頻率計(jì)、直流可編程電源等儀器，以及基于串行通信的轉(zhuǎn)速控制器等。在明確各分系統(tǒng)功能后，基于LAN總線進(jìn)行各分系統(tǒng)的組網(wǎng)分布式測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

精密動(dòng)態(tài)測(cè)試服務(wù)器下位機(jī)基于PXI-E總線構(gòu)建，內(nèi)嵌NI PXIE-4462型24位A/D采集卡，共計(jì)11通道，完成動(dòng)態(tài)半徑、動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角以及主軸回轉(zhuǎn)誤差和傾角回轉(zhuǎn)誤差測(cè)試任務(wù)，測(cè)試時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)命令、精密離心機(jī)的轉(zhuǎn)速信息動(dòng)態(tài)確定數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率，執(zhí)行定位測(cè)量中的變采樣率數(shù)據(jù)采集；精密拖動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)串口通信將當(dāng)前轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換后送電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并通過(guò)GPIB總線動(dòng)態(tài)讀取頻率計(jì)的結(jié)果，比較當(dāng)前轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差，實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)速控制；加速度計(jì)標(biāo)校計(jì)算系統(tǒng)通過(guò)GPIB總線控制可編程直流電源向被校加速度計(jì)供電，被校加速度計(jì)輸出的加速度信號(hào)通過(guò)恒溫槽內(nèi)的采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，由加速度計(jì)標(biāo)校計(jì)算系統(tǒng)通過(guò)GPIB總線控制8位半數(shù)字萬(wàn)用表采集電壓。

精密拖動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)、精密動(dòng)態(tài)測(cè)試終端上位機(jī)、加速度計(jì)標(biāo)校計(jì)算系統(tǒng)以及精密動(dòng)態(tài)測(cè)試服務(wù)器下位機(jī)之間進(jìn)行相互通信，其通信IP地址設(shè)置如圖1，全系統(tǒng)通信的發(fā)起者設(shè)計(jì)為加速度計(jì)標(biāo)校計(jì)算系統(tǒng)。

圖1 精密測(cè)控與標(biāo)校自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

1.2 自動(dòng)化系統(tǒng)的工作原理

本項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)標(biāo)校試驗(yàn)的自動(dòng)化，在各系統(tǒng)初始上電處于待機(jī)狀態(tài)后，首先由加速度計(jì)標(biāo)校計(jì)算系統(tǒng)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)通信命令，其網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化工作原理如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化工作流程圖

2 自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信方案

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信方法選擇

為簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計(jì)，采用LabVIEW2012虛擬儀器開發(fā)語(yǔ)言設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)軟件。此平臺(tái)下網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)主要包括3類：

(1)基于TCP/IP協(xié)議[5]通信，包括網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議IP、傳輸控制協(xié)議TCP以及用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP，平臺(tái)提供網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽、網(wǎng)絡(luò)讀、寫控制函數(shù)等，由于網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計(jì)時(shí)涉及多重循環(huán)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換復(fù)雜，本項(xiàng)目未采用該協(xié)議。

(2)基于DataSocket[6]技術(shù)通信，該技術(shù)基于COM組件技術(shù)，對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行二次封裝，形成簡(jiǎn)易DSTP協(xié)議，采用DataSocket API函數(shù)編程控制網(wǎng)絡(luò)變量發(fā)送與接收。對(duì)于大量多種類型數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用將涉及大量API讀寫函數(shù)的調(diào)用，程序相當(dāng)繁雜；另外也可在網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)時(shí)，在上下位機(jī)構(gòu)造相同的網(wǎng)絡(luò)變量，不需編程自動(dòng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程[7]外模式變量直接映射傳值，但該方法使整個(gè)應(yīng)用程序可讀性與可控制差?；谏鲜鰞煞矫嬉蛩?，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未采用該協(xié)議。

(3)基于網(wǎng)絡(luò)共享變量[8]通信技術(shù)。該技術(shù)比DataSocket技術(shù)先進(jìn)，其進(jìn)一步封裝網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議，用戶不需任何API編程即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各種類型變量的值傳輸，其通過(guò)共享變量引擎管理在應(yīng)用程序中定義的各種網(wǎng)絡(luò)變量，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布使網(wǎng)絡(luò)上的各計(jì)算機(jī)均可識(shí)別共享變量，并定義網(wǎng)絡(luò)共享變量的讀寫權(quán)限，在網(wǎng)絡(luò)上的各計(jì)算機(jī)終端應(yīng)用程序中直接讀寫共享變量即可，編程與應(yīng)用程序中的局部變量、全局變量調(diào)用相同。

在自動(dòng)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，涉及到大量布爾變量、雙精度變量、信號(hào)波形變量的讀寫，從簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)考慮，本項(xiàng)目采用共享變量通信技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量值傳遞。

2.2 網(wǎng)絡(luò)同步控制用共享變量設(shè)計(jì)

為使自動(dòng)化系統(tǒng)按照加速度計(jì)標(biāo)校試驗(yàn)流程準(zhǔn)確穩(wěn)定可控自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)功能，設(shè)計(jì)如下關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)控制用共享變量，如表1所示。

表1 自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制用共享變量列表

根據(jù)上述網(wǎng)絡(luò)變量，控制網(wǎng)絡(luò)化的標(biāo)校流程，可在正確的時(shí)間得到正確的測(cè)試參數(shù)、控制參數(shù)以及標(biāo)校系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化標(biāo)校試驗(yàn)操作。

2.3 波形類大數(shù)據(jù)信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)

除網(wǎng)絡(luò)同步控制共享變量外，系統(tǒng)還包括精密測(cè)控相關(guān)共享變量：動(dòng)態(tài)半徑、動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角、轉(zhuǎn)速、定位平臺(tái)序列、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、轉(zhuǎn)數(shù)等網(wǎng)絡(luò)變量，涉及數(shù)據(jù)類型包括Int32整形、double雙精度型、waveform波形圖類型三類。系統(tǒng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，對(duì)于整形、雙精度型數(shù)據(jù)，采用共享變量傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，而對(duì)于在動(dòng)態(tài)半徑持續(xù)測(cè)試過(guò)程中的原始波形數(shù)據(jù)傳輸，高頻次地出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸丟包甚至無(wú)法傳輸情況，筆者進(jìn)行多次網(wǎng)絡(luò)調(diào)試均未解決問(wèn)題也未找到出現(xiàn)該問(wèn)題的原因。為此更換技術(shù)途徑，筆者提出一種采用上、下位機(jī)文件拷貝模式傳遞波形類大數(shù)據(jù)信號(hào)方法，具體方法如下：

在動(dòng)態(tài)半徑測(cè)試服務(wù)器上執(zhí)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，并將采集的波形TestData按照TDMS[9]文件格式存儲(chǔ)于下位機(jī)中，設(shè)計(jì)采集完成標(biāo)志共享變量SampleReady狀態(tài)，通知測(cè)試終端上位機(jī)采集狀態(tài)，終端上位機(jī)持續(xù)檢測(cè)SampleReady值，該值狀態(tài)為真時(shí)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)文件拷貝指令，拷貝完成后打開TestData數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析處理。這種方法通過(guò)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)控制變量SampleReady控制數(shù)據(jù)傳輸，其上位機(jī)下位機(jī)核心程序如圖3所示。該程序結(jié)構(gòu)確保程序穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集完整有效。

圖3 上下位機(jī)通過(guò)共享控制變量實(shí)現(xiàn)波形圖上下位機(jī)拷貝傳輸程序

3 自動(dòng)化系統(tǒng)軟硬件協(xié)同工作控制技術(shù)研究

自動(dòng)化系統(tǒng)工作過(guò)程涉及諸多同步邏輯控制，任何一次同步邏輯控制失效，則全系統(tǒng)處于崩潰狀態(tài)，主要表現(xiàn)在：動(dòng)態(tài)半徑、動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角的測(cè)量采用定位測(cè)量法，定位測(cè)量法要求高低轉(zhuǎn)速下測(cè)量區(qū)域應(yīng)高度對(duì)齊，這是最關(guān)鍵的同步測(cè)試控制，若高低轉(zhuǎn)速下測(cè)試區(qū)域未對(duì)齊，測(cè)試數(shù)據(jù)將出現(xiàn)錯(cuò)位，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)半徑與動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角的測(cè)量錯(cuò)誤，結(jié)果標(biāo)校計(jì)算系統(tǒng)中的加速度數(shù)學(xué)補(bǔ)償模型給出錯(cuò)誤g值；其二，各種測(cè)量必須在穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下執(zhí)行，且測(cè)試包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)：小于1 g(動(dòng)態(tài)半徑、動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角基準(zhǔn)測(cè)試)；等于1 g(靜態(tài)半徑反算)；大于1 g(基于動(dòng)態(tài)半徑、動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角測(cè)量結(jié)果應(yīng)用加速度計(jì)補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型計(jì)算當(dāng)前真實(shí)的加速度值、主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)試等)，這些節(jié)點(diǎn)必須按順序進(jìn)行，任何節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)一次錯(cuò)誤，則全系統(tǒng)處于錯(cuò)誤狀態(tài)。基于以上兩點(diǎn)，本系統(tǒng)開展軟硬件協(xié)同的同步控制邏輯設(shè)計(jì)，確保任何環(huán)節(jié)順利執(zhí)行。

3.1 精密動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的硬件同步設(shè)計(jì)方案

在動(dòng)態(tài)半徑與動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角實(shí)時(shí)測(cè)試中，有效采集數(shù)據(jù)需滿足兩個(gè)條件：一是轉(zhuǎn)速高精度穩(wěn)定；二是高低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速以及同一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的多周測(cè)試必須保證測(cè)試區(qū)域?qū)R，測(cè)試區(qū)域?qū)R必須保證每次對(duì)精密離心機(jī)轉(zhuǎn)盤定位平臺(tái)的采集起點(diǎn)位置相同，否則將產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)亂，導(dǎo)致定位測(cè)試出現(xiàn)錯(cuò)誤。本項(xiàng)目中，充分采用硬件觸發(fā)機(jī)制確保采樣起點(diǎn)相同，主要采用兩個(gè)措施：一是精密離心機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定采用網(wǎng)絡(luò)共享變量StableNow控制，檢測(cè)到StableNow從“假”狀態(tài)變化為“真”狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行第二步，利用精密離心機(jī)的光柵編碼器Z脈沖信號(hào)的展寬信號(hào)ZT作為觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中的A/D采集卡執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，之所以使用Z脈沖展寬信號(hào)，是為了擴(kuò)寬Z脈沖的寬度，展寬后的信號(hào)是精密離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)周期的一半，且為了抗共模干擾，選擇光柵編碼器的Z+、Z-差分信號(hào)作減運(yùn)算后再展寬，確保穩(wěn)定可靠觸發(fā)采集系統(tǒng)。實(shí)踐表明，這種采用硬件觸發(fā)并結(jié)合穩(wěn)定轉(zhuǎn)速標(biāo)志控制數(shù)據(jù)采集的技術(shù)可穩(wěn)定有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)半徑、動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角的高精度定位測(cè)量。光柵編碼器的展寬信號(hào)如圖4所示。同步觸發(fā)采集實(shí)現(xiàn)程序如圖5所示，數(shù)字觸發(fā)源為PXI1Slot1/PFI0。

圖4 光柵Z脈沖信號(hào)的展寬信號(hào)圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)共享變量的同步更新解決方案

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享變量對(duì)標(biāo)校試驗(yàn)流程作嚴(yán)格控制，必須確保網(wǎng)絡(luò)變量值隨應(yīng)用需求即時(shí)更新。但由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不確定現(xiàn)象客觀存在，即使網(wǎng)絡(luò)上某計(jì)算機(jī)對(duì)某共享變量進(jìn)行了值更新操作，但網(wǎng)絡(luò)上引用該共享變量作為參數(shù)傳遞或者控制變量的計(jì)算機(jī)卻不能實(shí)時(shí)得到更新后的值，這將導(dǎo)致測(cè)控功能紊亂，得到完全錯(cuò)誤的測(cè)控結(jié)果。必須采用特殊手段解決網(wǎng)絡(luò)共享變量的網(wǎng)絡(luò)延遲引起的值同步更新問(wèn)題。

圖5 光柵編碼器Z脈沖信號(hào)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集程序圖

圖7 加速計(jì)標(biāo)精密離心機(jī)校試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)流程圖

如以SampleFreq作為采樣頻率變量，依據(jù)動(dòng)態(tài)半徑定位測(cè)量的變采樣采集要求，在10 g和20 g下采樣頻率值不同，當(dāng)標(biāo)校試驗(yàn)從10 g工況切換為20 g工況時(shí)，設(shè)計(jì)ConfigDone變量作為上位機(jī)采樣頻率設(shè)置完成標(biāo)志，設(shè)計(jì)StableNow作為轉(zhuǎn)速穩(wěn)定標(biāo)志，設(shè)定TestNow為正式測(cè)試狀態(tài)，由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)原因，在20 g時(shí)的ConfigDone、StableNow均滿足條件時(shí)，理論上SampleFreq值應(yīng)從10 g下的值配置為20 g下的新值，但由于上下位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不確定，下位機(jī)將出現(xiàn)20 g的SampleFreq值仍保持10 g下的值，這將引起測(cè)試結(jié)果完全錯(cuò)誤。

本項(xiàng)目采用網(wǎng)絡(luò)共享變量時(shí)間標(biāo)簽timestamp技術(shù)解決網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不確定引起的上下位機(jī)共享變量值同步更新傳遞問(wèn)題。測(cè)試關(guān)鍵程序如圖6所示，在程序中引用共享變量的timestamp屬性，如在10 g下下位機(jī)完成數(shù)據(jù)采集時(shí)，將其SampleFreq的timestamp值臨時(shí)保存，在20 g時(shí)讀取SampleFreq的timestamp值，并與前次值進(jìn)行比較，若兩次值相同，則證明網(wǎng)絡(luò)變量值尚未更新，必須等待指導(dǎo)兩者不同，再執(zhí)行20 g下的采集。在程序中安排順序結(jié)構(gòu)和循環(huán)等待檢測(cè)結(jié)構(gòu)，有效可靠實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)變量的同步更新。

圖6 基于timestamp技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享變量值的同步更新程序

4 加速度計(jì)自動(dòng)化標(biāo)校試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)共享變量的控制以及加速度計(jì)標(biāo)校試驗(yàn)需求，現(xiàn)場(chǎng)加速度計(jì)的標(biāo)校試驗(yàn)流程如圖7所示。

4.1 標(biāo)校試驗(yàn)方法

在本臺(tái)精密離心機(jī)上開展了多輪次的加速度計(jì)標(biāo)校試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法包括三步：第一步是信號(hào)傳輸組網(wǎng)，包括：首先，將加速度計(jì)通過(guò)精密六面體夾具安裝在精密離心機(jī)定位平臺(tái)上，并將加速度計(jì)的信號(hào)傳輸線(包括電源線與數(shù)據(jù)線)通過(guò)轉(zhuǎn)接插頭連接到精密離心機(jī)的導(dǎo)電滑環(huán)上。加速度標(biāo)校試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示；第二，通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)，將加速度計(jì)的供電電源與測(cè)控間的可編程直流電源相連，信號(hào)輸出線通過(guò)恒溫槽內(nèi)的采樣電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓后連接到8.5位數(shù)字萬(wàn)用表上；第三，數(shù)字萬(wàn)用表通過(guò)GPIB總線與加速度計(jì)標(biāo)校計(jì)算機(jī)內(nèi)的GPIB控制卡連接，第四，通過(guò)網(wǎng)線連接精密動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)下位機(jī)和上位機(jī)、拖動(dòng)控制系統(tǒng)，從而完成組網(wǎng)。第二步：計(jì)算定位平臺(tái)加速度計(jì)安裝位置的靜態(tài)半徑，主要包括：第一，由標(biāo)校計(jì)算機(jī)發(fā)送啟動(dòng)精密離心機(jī)在0.5 g下運(yùn)行命令，定位測(cè)量精密離心機(jī)動(dòng)態(tài)半徑、動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角基準(zhǔn)，并采集加速度計(jì)輸出的加速度折合為電壓值，觀測(cè)其電壓值均方值是否達(dá)10-8量級(jí)，并記錄；第二，啟動(dòng)精密離心機(jī)運(yùn)行于1 g下，測(cè)量加速度計(jì)的輸出電壓值，連續(xù)測(cè)量10次，并根據(jù)反算法測(cè)量公式計(jì)算靜態(tài)半徑R0；第三步：按照預(yù)先設(shè)定的加速度序列2 g/5 g/10 g…100 g開展加速度計(jì)標(biāo)校測(cè)試，在每個(gè)加速度值上由標(biāo)校計(jì)算系統(tǒng)發(fā)送離心機(jī)啟動(dòng)命令，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸加速度值、轉(zhuǎn)速值拖動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)精密動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)下位機(jī)接收光柵Z脈沖發(fā)送同步信號(hào)，采集動(dòng)態(tài)半徑原始數(shù)據(jù)，并通過(guò)文件拷貝模式發(fā)送到上位機(jī)實(shí)時(shí)處理處動(dòng)態(tài)半徑、動(dòng)態(tài)俯仰值，拖動(dòng)控制系統(tǒng)記錄十次穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速信號(hào)，測(cè)試完成后轉(zhuǎn)速信號(hào)與動(dòng)態(tài)半徑動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量發(fā)送給標(biāo)校計(jì)算系統(tǒng)按照加速度補(bǔ)償公式計(jì)算出實(shí)際的離心機(jī)輸出加速度值，并記錄，直到完成所有加速度序列試驗(yàn)，標(biāo)校計(jì)算系統(tǒng)按照最小二乘法擬合出加速度計(jì)的各高次項(xiàng)系數(shù)。

圖8 加速度標(biāo)校試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)物圖

4.2 標(biāo)校試驗(yàn)結(jié)果分析

在精密離心機(jī)指標(biāo)自測(cè)階段，采用陜西航天長(zhǎng)城測(cè)控有限公司生產(chǎn)的JHT-I型加速度計(jì)進(jìn)行標(biāo)校試驗(yàn)，反算精密離心機(jī)的靜態(tài)半徑，并利用高精度動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試精密離心機(jī)的動(dòng)態(tài)半徑與動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角，補(bǔ)償精密離心機(jī)輸出加速度值，并標(biāo)校加速度計(jì)的二次非線性系數(shù)。該加速度計(jì)的主要指標(biāo)如下：偏值≤3 mg，標(biāo)度因素k1=1.2 mA/g，量程±40 g，二次非線性系數(shù)k2≤10 μg/g2，將該加速度計(jì)安裝在精密離心機(jī)的定位平臺(tái)1上開展試驗(yàn)，測(cè)得如下試驗(yàn)數(shù)據(jù)：A、對(duì)精密離心機(jī)靜態(tài)半徑R0開展了六次反算測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別為：1.049746540903605 m、1.049741598666737 m、1.049739796429075 m、1.049739146323358 m、1.049740579531636 m、1.049738769996003 m，其均值為R0=1.049741071975069，A類相對(duì)測(cè)量不確定度為1.1699×10-6；40 g內(nèi)動(dòng)態(tài)半徑定位測(cè)量結(jié)果如圖9所示，動(dòng)態(tài)半徑測(cè)量不確定度≤0.21 μm。

圖9 精密離心機(jī)動(dòng)態(tài)半徑隨g值變化趨勢(shì)圖

40 g動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角最大為1.5″，且測(cè)量不確定度為1×10-8rad，非常小可忽略。

根據(jù)各g值下的動(dòng)態(tài)半徑、動(dòng)態(tài)俯仰失準(zhǔn)角以及靜態(tài)半徑值，補(bǔ)償出精密離心機(jī)實(shí)際輸出的加速度值，并按照加速度計(jì)標(biāo)校的最小二乘矩陣算法，得出本加速度計(jì)的二次非線性系數(shù)k2=6.575 μg/g2，與產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)k2≤10 μg/g2符合，驗(yàn)證了本套加速度計(jì)自動(dòng)化標(biāo)校試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

離心機(jī)調(diào)試時(shí)，多次應(yīng)用本自動(dòng)化系統(tǒng)開展測(cè)試和標(biāo)校試驗(yàn)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)同步邏輯控制準(zhǔn)確無(wú)誤，各種數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠地采集與傳輸，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于網(wǎng)絡(luò)分布式構(gòu)架的精密離心機(jī)精密測(cè)控與加速度計(jì)標(biāo)定試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)其工作原理；第一、工作流程進(jìn)行詳細(xì)描述，采用網(wǎng)絡(luò)共享變量通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)各測(cè)控參數(shù)信息的傳遞，提出一種利用光柵編碼器Z脈沖展寬信號(hào)作為硬件采集系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)以及應(yīng)用timestamp技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享變量值同步更新的軟硬件協(xié)同工作邏輯控制設(shè)計(jì)技術(shù)，有效保證加速度計(jì)標(biāo)校試驗(yàn)的自動(dòng)化操作。長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有效實(shí)現(xiàn)了慣導(dǎo)加速度計(jì)的標(biāo)校試驗(yàn)自動(dòng)化應(yīng)用需求。

[1] 孫 偉，徐愛(ài)功，孫 楓.慣導(dǎo)系統(tǒng)中石英加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(10)：61-63.

[2] 吳付崗，王 軍.精密離心機(jī)加速度載荷模型研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(18)：36-40.

[3] 凌明祥.精密離心機(jī)加速度測(cè)量模型研究[J].國(guó)防科研報(bào)告，GF-A0162889G，2012，03.

[4] 凌明祥，李明海，楊 新，等.高精度精密離心機(jī)靜態(tài)半徑測(cè)量方法與應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2014，35(5)：1072-1077.

[5] 譚福生，楊 軍，申純太.基于TCP/IP協(xié)議激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)讀取及在LABVIEW的實(shí)現(xiàn)[J].上海電氣技術(shù)，2010，3(1)：1-4.

[6] 徐林峰，倪天權(quán).基于LABVIEW與DataSocket的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J] .傳感器與儀器儀表，2006，22(12)：166-168.

[7] 胡小龍，江?；?Windows操作系統(tǒng)進(jìn)程通信機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2002(12)：119-121.

[8] 戴 光，劉 鵬，張 穎.基于LABVIEW共享變量的管道泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)，2009，(1)：15-17.

[9] 劉自然，甄守樂(lè)，顏丙生，等.基于DMS的海量振動(dòng)數(shù)據(jù)快速存儲(chǔ)和查詢虛擬系統(tǒng)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013，9(9)：88-91.

Design of Automatic System for Test and Control of Precision Centrifuge and Calibration of Accelerometer

Zhang Rong, Wang Jue, Ning Fei, Zhou Jikun, Ling Mingxiang, Bai Junlin

(Institute of Systems Engineering, CAEP, Mianyang 621900, China)

The calibration test of inertial accelerometer on precision centrifuge, involves exact measurement of dynamic radius and static radius, accurate control of wheel speed of precision centrifuge and signal acquisition of accelerometer calibrated, it needs control critically action timing logic of each test and control instrument to realize automatic operation of test and control and calibration test of accelerometer. An automatic system for test and control of precision centrifuge and accelerometer calibration test is introduced. For hardware, integrates instruments and builds distributed test and control system based on LAN bus, with external raster pulse signal as trigger signal to control timing synchronization logic of instruments; For software，applies net shared variable technique to realize kinds of test and control parameters sequence transmission, and for trustless reliability of big dynamic waveform data with shared variable technique, gives out a transmission project with file dynamic copying, and designs critical transmission mechanism of shared variable, realizes right acquisition and sequence transmission of kinds of parameters. Application test shows that this automatic system can fit automatic test and control of precision centrifuge and calibration test of accelerometer, improve calibration test efficiency remarkably.

precision centrifuge；accelerometer；network distributed test and control；shared variable；precision test and control；calibration test

2016-01-21；

2016-03-07。

國(guó)家重大科學(xué)儀器專項(xiàng)(2011YQ130047)。

張 榮(1979-)，男，四川資陽(yáng)人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)、動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)以及計(jì)算機(jī)軟硬件開發(fā)技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)07-0121-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.032

TP751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A