专用测试设备系统级校准功能的设计与实现

王 勇，田 葳，杨 雷

（1.河南科技大学 电气工程学院，洛阳 471023；2.河南科技大学 信息工程学院，洛阳 471023）

专用测试设备系统级校准功能的设计与实现

王 勇1，田 葳1，杨 雷2

（1.河南科技大学 电气工程学院，洛阳 471023；2.河南科技大学 信息工程学院，洛阳 471023）

0 引言

国防工业现代化建设中，专用测试设备大量应用于军工电子产品的质量控制、性能评价及功能验证，其准确与可靠性是判断和评价被测产品质量好坏的关键。专用测试设备通常由信号采集、信号调理与变换、显示等环节构成，而校准功能往往只针对各个环节中的核心部件（如电源、数据采集卡、通信板卡等）单独进行。这样容易造成各分部件校准合格，但系统集成后累计误差难以估算，从而影响设备整体测试的准确性[1]。基于最小二乘法原理和虚拟仪器测试技术，采用手、自动结合的方式对专用测试设备进行系统级校准是可行和必须的[2,3]。

1 系统级校准原理与组成

在专用设备中，对模拟输入（以下简称AI）信号的测试是常规检测项目之一，这里以AI校准为例介绍系统级校准的原理及组成。在不同的测试设备里，AI信号幅值随功能的不同而不同，例如某发控电源板待测供电电压为±28V，某弹射装置中待测“音响”信号为15V的方波等。AI信号的检测与系统校准原理如图1所示，开关S接通A端，系统处于正常检测状态，待测AI信号经信号调理电路送入AD数据采集卡，再利用计算机程序进行自动化检测。AD采集卡所允许的输入电压测量范围一般为-10V～+10V，对于超出此范围的AI信号需要进行线性衰减。为了消除测试设备对待测产品的干扰，往往要求测试过程中二者之间进行电气隔离。信号调理电路一方面能够对待测AI信号进行线性衰减或放大，另一方面用于实现测试设备与待测产品之间的光电隔离。可见，在专用设备中，数据采集卡的输入端一般并非直接与待测产品的输出端相连，而是经过信号调理电路转接。传统对AI信号的校准仅仅是对数据采集卡的校准，但是，由系统结构可以看出，即使数据采集卡校准合格，而测试系统整体必然会因调理电路等的存在而引入其他系统误差。因此，校准必须针对测试系统整体进行，如图1所示，开关S接通B端，系统处于校准状态，从测试设备校准面板区的AI端子，分时输入一组标准信号，上位工控机采集到后，根据最小二乘法，编写校准软件进行数据的处理，从而完成AI检测的系统级校准。

2 最小二乘法原理

表1 两变量x、y相关联实验数据示意

中的a、b分别求偏导得：

3 最小二乘法在系统校准中的应用

当专用测试设备状态切换至正常测试时，待测输入信号经设备测试后得到初始测量值x0，将x0带入经验公式，便可得到校准修正后的精确测量数据y0，完成校准功能。

3.1 校准功能上位机软件设计

校准功能上位机软件以NI公司LabWindows/CVI为平台进行开发[7]，主要功能包括以下三点：1)完整记录多组标准输入与实测电压值；2)进行最小二乘法线性拟合，得出输入与实测电压值之间的经验公式；3)保存经验公式中的a、b参数，以供正常测试过程中调用。软件设计流程如图2所示，程序代码这里不再赘述。

3.2 校准过程及实验结果

图2 校准功能软件编写流程图

某设备校准功能设计完成后，对其中的一路AI信号进行了校准测试。这里以该设备中一路测量范围为±15V的AI通道的校准为例，来说明AI测试的系统级校准过程。将测试系统切换至校准状态，如图1所示，标准源电压信号加至AI校准端子，在上位机校准软件界面里，如图3所示，选择对应通道号，输入已知标准电压值，点击“测试”按钮，则通过调理电路、AD数据采集卡，获取测量电压并显示，同时按序号记录在左侧表格中。为保证在整个测量范围内，AI信号均能够准确校准，从-15V到+15V电压，每次增加1V电压，手动调整标准源电压输出幅值，重复31次上述测量并记录，所得全部数据如图3所示，可见测量值与标准输入值存在一定偏差。以测量值为自变量x，以标准源电压为因变量y，点击图3中的“线性拟合”按钮，对等精度测量得到的原始数据进行最小二乘法线性拟合运算，可求得经验公式，如图3所示，式中a=1.01，b=0.002 。

图3 AI系统校准软件界面及原始测量数据

当系统切换至正常检测状态时，从该AI通道输入待测信号，幅值记为Ui，上位机软件实测电压为，用校准结果对实测数据进行修正，得到校准修正后的测量值为Uo，则：

以式（5）为依据对测量数据进行校准修正，得到实验数据如表2所示，对比校准前后数据可知，采用该系统级校准方法，显著提高了对信号的测量精度。

表2 AI系统校准实验数据

4 结束语

基于最小二乘法一元线性回归分析理论，借助虚拟仪器设计软件LabWindows/CVI强大的数据分析与处理功能，提出了一种专用测试设备系统级校准功能的实现方法。该设计方案已在某导弹弹射装置测试平台、某发控盒组件测试平台等设备中得到应用，解决了传统校准方法只能针对部分核心部件进行，而难以对系统集成后设备整体进行校准的缺点，显著提高了测试设备的测量精度，得到了设备使用方的一致认可。

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Design and implement of system-level calibration function for special test equipments

WANG Yong1, TIAN Wei1, YANG Lei2

为解决常规校准只能针对部分核心部件进行，而难以对系统集成后设备整体进行校准的缺点，基于最小二乘法一元线性回归分析理论，借助虚拟仪器设计软件Labwindows/CVI强大的数据分析与处理功能，提出了一种专用测试设备系统级校准功能的实现方法。介绍了硬件组成、最小二乘法原理、软件实现方式和校准过程。该设计已在多台专用测试设备中得到应用，实验和实际运行效果均表明，显著提高了测试设备的测量精度。

校准；最小二乘法；测试设备；Labwindows/CVI

王勇（1979 -），男，河南淮滨人，讲师，硕士，研究方向为应用电子电路开发与设计。

TP23

A

1009-0134(2014)06(上)-0095-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).28

2014-03-19

国家自然科学基金（61101167）；河南省教育厅科学技术研究重点项目（14A510003）