测试系统设计方法0908.docx
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测试系统设计方法0908
DBD--3火箭弹实验测试系统设计
课程设计报告
第一章系统设计技术指标
1.1系统设计技术指标
1.2系统设计要求第二章数据采集系统设计分析
2.1数据采集系统概述
2.2数据采集系统方案分析
2.3数据采集系统方案选择第三章计算机数据采集系统设计
3.1传感器的选择
3.2放大器的选择
3.3A/D转换器的选择
3.4记录仪器的选择
3.5测试系统框图
3.6测试系统误差计算
第四章计算机数据采集系统程序设计
4.1程序所用语言的选择
4.2程序流程图
4.3程序分析（程序说明）
4.4程序清单
第五章课程设计总结
参考文献
第一章系统设计技术指标及要求
1.1设计技术指标
A、测试压力：
P1:
0—60MPa（中点位置）
P2:
0—40MPa（左侧1号）
P3:
0—30MPa（左侧2号）
P4:
0—20MPa（左侧3号）
B、测试出口速度：
0—200m/s
C、表面温度T1:
0—400度
D、测试压力信号频率：
fx>10kHz
E、测试系统精度：
小于0.5%
F、采用计算机记录方式.
1.2设计要求
A、测试系统设计分析，确定设计方案
B、计算机数据采集系统设计。
C、多路信号采集程序设计及详细分析
第二章数据采集系统设计分析
2.1数据采集系统概述
数据采集系统（DASDataAcquisitionSystem）是计算机技术与传统的测试技术相互结合而产生的自动测试技术。
它可以满足现代科学实验和生产过程中，测量精度高、路数多、速度快、结果显示和打印形式多样化的要求。
数据采集系统包括模拟系统和数字系统两部分，能完成对信号的采集、转换、处理等功能。
一个完善的数据采集系统包括潜质放大器、采样开关、采样保持器、A/D转换器、计算机和各种记录仪器。
2.2数据采集系统方案分析
数据采集系统的设计方案主要有以下三种：
1、单片机数据采集系统
传感器*放大器*A/D转换器*单片机
优点：
结构简单，价格低廉，使用灵活
缺点：
扩展性差，存储、显示、数据处理功能差
应用场合：
该系统应用于航空、航天、兵器、机电产品中
2、“计算机+A/D转换器”数据采集系统
优点：
扩展性好，价格适中，测试通道多缺点：
采集程序需自行开发
应用场合：
常用试验中
3、整体机型数据采集系统
其中动态测试分析仪是A/D（或A/DD/A）采集卡，计算机和软件的集合体优点：
操作方便
缺点：
价格高，扩展性好
应用场合：
兵器行业，爆炸测试中，火箭弹试验中
2.3数据采集系统选择
分析设计实验内容及各项指标可知，信号通道共有7路，采集频率大概为
50kHz,由于测试火箭弹的信号瞬时性较强，则采集系统需满足对数据的实时显示，数据实时处理分析，数据存储等方面的要求，综上所述，选择方案2――“计算机+A/D转换器”型数据采集系统。
第三章计算机数据采集系统方案设计
3.1传感器的选择
3.1.1传感器的选择原则
（1）根据测量目的确定传感器类型
完成一个具体的测试任务或控制任务，首先要考虑用什么类型的传感器，这需要分析许多因素才能决定。
因为，要检测某种物理量，有多种传感器可供选择。
在机电一体化检测控制系统设计中，我们考虑了以下几个具体问题：
A.传感器量程的大小
B.传感器的体积，允许安装位置
C.安装方式，接触式还是非接触式
D.信号的引出方式，有线或非接触测量
E.传感器的来源，国内、国外或自制考虑以上问题后，就能确定采用什么类型（电阻型、电压型、电感性、电容型、热电偶、光电式传感器）的传感器，然后我们进行了具体的选择。
还应注意在多参数数据采集系统中，应尽量选用同一类型的传感器，这样就能大大简化放大电路的设计。
另外，在传感器型号选择时，根据所测试信号的类型，选择不同类型的传感器。
（2）传感器的量程
传感器量程的选择应从应用出发来选用，例如：
现场检测控制用被测参数是已知的，不会突然增大很大，选传感器量程大于测试信号1.2倍即可。
当进行兵器试验测试，选传感器量程大于测试信号2倍即可。
如果是新研制式试验测试，考虑到安全问题，选用传感器量程大于测试信号3倍即可。
还要考虑到传感器的线性使用范围。
所以传感器量程的选择原则是：
一般性检测，Pmax>=（1.2-1.5）Px实验研究性测量，Pmax>=（2-3）Px控制信号检测，Pmax>=（1.2-2）Px
（3）频率响应特性
测试系统的第一个环节传感器是影响动态测量的主要因素，在选择传感器频响特性时，应注意待测非电量的变化特点（如稳定、瞬变、随机等），还要考虑测量系统的性能。
要求传感器的工作频率特性在测量的信号频率范围内，才能实现不失真测量。
实际传感器的频率响应特性只是近似理想特性，应尽量使传感器的固有频率大于测试信号频率的5倍以上才能保证测量信号不失真，控制精度才能保证。
再有传感实际上的响应总有一定时间的延迟，希望延迟时间越短越好。
在工程检测与控制中，常用的传感器，如光电效应、压电效应特性类型传感器，响应速度快，能检测的信号频率范围较宽，而结构型传感器，如电感式、电容式、电磁感应式、电阻应变式等，由于受到结构特性的影响，固有频率较低，可测信号的频率小于5000Hz.
在动态测量中及控制系统中，传感器的响应特性对测量不失真有决定性的影响，对控制精度有直接影响。
在选择传感器时，应根据被测信号特点（稳态、瞬态、随机等）进行选择。
选择原则：
fs＞（5-10）fxfg＞（1.2-1.5）fxfs:
传感器的固有频率fg：
传感器的工作频率fx:
检测信号频率
（4）可靠性及稳定性
测试数据的可靠性意义不言而喻。
对于工作在工业现场的传感器，可靠性包含如下两个方面的含义：
一方面是在标明的工作条件下传感器要能正常工作，能适合环境温度、湿度、介质条件、振动与冲击、电磁场干扰、电源波动等因素。
另一方面是传感器大的性能能够长期稳定，其特性指标不随时间与环境的变化而改变。
每一种传感器都有自己特定的适用范围，设计是要仔细观察现场的实际工况。
例如：
对于电阻应变式传感器，湿度会影响其绝缘性，温度会影响其零漂，长期使用通常会出现蠕变现象，工业尘埃会使电容传感器的电介质发生变化，严重情况下会使间隙型传感器无法正常工作。
又如在电场、磁场干扰较大的场合，霍尔效应元件工作时易带来较大的测量误差。
所以，在比较恶劣的工作环境中（尘埃、油剂、温度、振动等干扰严重时）传感器的可靠性应优先考虑。
对于超过使用期限的传感器一定要及时进行标定。
当达到测量要求时，可以继续使用，如果所用传感器主要性能下降，不能满足测量要求的，必须进行更换同类型传感器。
最好是把所选用的传感器进行静态性能标定和计算，动态性能的标定和计算，当达到设计技术要求后再使用，确保所选传感器的使用可靠性及稳定性。
特别是用检测控制型的传感器，在用之前，作标定和相关测试是十分必要的。
（5）精度
传感器的精度是保证测量系统精确度的第一个重要环节，处于系统瓣输入端。
但是精确度越高，价格也就越贵，所以应从实际需要和经济性角度选择合适精确度的传感器。
如果测试是用于定性分析，可选用重复性好、精确度一般的传感器；如果是进行定量分析，需要获得准确的测量值，就需要选用准确度等级可满足要求的传感器。
例如：
压力测量可以选择0.1%的传感器。
总之，根据具体使用条件，测量精度要求，选择相应精度的传感器。
（6）线性范围
传感器在工作量程内部要求输出与输入成线性关系。
线性范围越宽则表明传感器的工作精度越高。
根据不同的传感器原理，机械参量的测试变换，即从机械物理量向电学参量变换（可以是R、L、C等阻抗性参量变化，也可以是电流、电压、电荷等有源性参量变化），可能存在一定的非线性。
如变极距式（电容）位移传感器，输出电容的变化与极距的变化呈非线性关系，而灵敏度随着极距而变化，从而引起非线性误差。
为了减少这一误差，一般使极距在较小的范围变化，以保持小范围内的线性度。
对于这类传感器环节就存在非线性的交换，常采用差动式结构，以提高灵敏度，改善非线性。
也由些非线性的传感元件，如热电阻温度传感器，需要设计非线性校正环节。
校正可以用电路来实现，也可以用计算机软件的方法进行补偿，修正传感器的非线性误差。
（7）结构尺寸的选择
根据现场测量与控制的具体要求，确定传感器的结构尺寸，尽量选择体积小、安装方便的、抗干扰性好的传感器。
如果被测量点安装尺寸受限制，可选择非接触式传感器，或者是外加安装头方法，实现测量目的。
国内外生产厂家较多，品
装要合理。
3.1.2传感器的选择
（1）压力传感器
4个测试端口均使用AK-4型压力传感器，
P1：
量程：
0—100MPa
精度：
0.2%
P2：
量程：
0—60MPa
精度：
0.2%
P3：
量程：
0—50MPa
精度：
0.2%
P4：
量程：
0—40MPa
精度：
0.2%
2）测试速度：
光电反射式速度干涉仪，具体型号无法查到
3）温度传感器：
TR100量程：
0—800度精度：
0.2%
3.2放大器的选择
3.2.1放大器的选择原则选择放大器时，应根据传感器的类型来选择放大器的类型，应该与传感器的类型相匹配。
具体选择原则是：
（1）应变式或电阻型传感器应选择动态电阻应变仪，信号调节器，应变放大器，自动校准放大器等。
根
据具体测量信号频率和精度选择不同型号的放大器。
主要有BZ2202系列（手动、
自动：
1路、2路）、YE38（KD600）系列、YB系列，一般放大倍数为0—1000,频率为10K—150KHz精度为0.1%-0.2%
（2）压电传感器
应选用电荷放大器，主要有YE585Q5007、9013,这些都是超低频的（0-100K）具体型号可参考《电荷放大器使用手册》。
（3）电感、电容式传感器应选用载波交流放大器配套。
根据具体的检测与控制精度要求，选择相应型号的交流放大器。
可参考《放大器使用手册》。
（4）热电偶式器应选用直流电压放大器
（5）光电式式传感器应选择相应的光电转换器，根据具体的检测与控制精度要求，选择相应的配套光电放大器；也可用三极管（9013等）组成开关电路。
3.2.2放大器的选择在本次火箭弹相关参数的测试，综合考虑了外境环境与以上放大器的选择原
则，并且结合现有器件，查阅放大器手册后，此系统可先择BZ2202型动态电阻
应变仪，参数为：
型号：
BZ2202
放大倍数：
K=01000,可调
精度：
0.1%
固有频率：
fg=50KHz
3.3A/D转换器的选择
3.3.1A/D转换器的选择原则
（1）A/D转换器的主要性能指标
A：
A/D转换采集频率：
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转换器的位数：
8位板，10位板，12位板，14位板，16位板C：
A/D转换器的精度：
1%-0.5%0.5%-0.1%0.1%-0.05%0.005%
D：
A/D转换器的通道数：
2路，4路，6路，8路，12路，16路，32路E：
A/D转换器的型号：
SC系列，PCL系列，CS系列，DAS系列
（2）A/D转换器的选择方法：
A:
设计数据采集系统的选择原则：
采集频率的确定：
fs
并行采集工作方式：
fs>20fc
串行采集工作方式：
fs>n*20fc
fc—型号频率
n—A/D工作通道数
fs—A/D采集频率采集精度：
根据测试系统精度要求选择A/D转换板，常用的12位A/D转换板的精度小于0.05%，计量部门测量常用的14位A/D转换板的精度为
0.01%-0.005%。
输入方式：
常用差分输入方式，程控方式
启动工作方式：
程序控制方式，外输入电压控制方式，自动启动方式
3）常用A/D转换器的型号：
A.SC系列
B.PCL系列
C.CS00（系列
D.DAS系列
E.PC-630C系列
332A/D转换器的选择
采集频率：
30KHz——10MHz
采集频率：
100KHz——1MHz
采集频率：
1.25MHz——100MHz
采集频率：
100KHz——1.25MHz采集频率：
10KHz——200KHz
在此系统中，考虑要测试参数的个数，爆炸场的高温条件，及压力信号频率再综合了以上A/D转换器的选择原则，并且结合现有器件，查阅A/D转换器的选择手册后，选择了以下型号的A/D转换器：
型号：
A/D-SC105分辨率：
12位精度：
0.1%
通道数：
8通道
最高采样频率：
fs:
330kHz
3.4记录仪的选择
341记录仪选择方案
（1）磁带记录方式
由于磁带具有容量大，存储时间长的特点，因此选择磁带机作为一种记录仪器。
磁带上记录的是模拟电压量。
（2）计算机记录方式
计算机记录数字量的实验数据，便于数据处理分析和长久保存。
3.4.2记录仪器的选择
（1）磁带机记录：
型号：
TEAKDX2000
精度：
0.2%
固有频率：
fg=20KHz
（2）计算机记录：
机器配置：
P5
采用程序存盘记录方式记录数据
3.5测试系统框图
3.6测试系统误差计算
其中，r――传感器精度
变化器精度
二一一记录仪精度
得到系统总精度为:
对于测压力:
0.3%
步J4-（7224ff32=Vo.2%a+0.1%z-I-0.2%2=
对于测温度:
测速度不经过变化器总得来说，设计符合要求
第四章计算机数据采集程序设计
4.1程序所用语言的选择
目前前大部分单片机的发开语言都为C语言，它比汇编语言要简洁，且易于修改、移植。
所以在此系统设计中采用C语言。
4.2程序流程图
4.3程序分析
/*计算机数据采集程序*/
/*UA105N.CTC2.0YX200401*/#include”stdio.h”
#include”dos.h”
#include
1.函数初始化
/*函数声明*/
voidinterface（void）;
voidhelp（void）
voidquit（void）;
voidsample（void）;
FILE*in1
/*函数体*/
main（）
{
2.变量初始化
/*变量定义*/
intI,d,j,k,fr,fcode,baddr,baddr8,n,innm;
unsignedcharch,fch,chn,fh,fl;
intdd[1024*16];/*给每个通道预留1K数据存储空间*/unsignedcharg=0;
floatdata[2000],pd[2000];
floatmax,pmax;
char*argv;
charinchar1,inchar2;
intdriver=DETECT;intmode=0;
3.输入系统参数
/*初始化板基址：
A/D16位数据输入口*/
/*输入首通道0*/
/*输入通道数8*/
/*输入频率50*/
/*输入采集点数*/
/*输入采集系统参数*/baddr=0x240;printf（“f-c1h5（0）=0”）;scanf（“%d”,&fch）;printf（“c-h1n6（）1=8”）;scanf（“%d”,&chn）;printf（“Fr.（k5H0z”）=）;scanf（“%d”,&fr）;printf（“N=”）;scanf（“%d”,&n）;fcode=4000/fr;fh=fcode/256;fl=fcode%256;
4.采集板初始化
/*A/D通道预置寄存器，清零*/
/*A/D控制寄存器，初始化：
0,0-FIFOW零，禁止采集，000000*/
/*8254控制字口，初始化01010100:
00-设置通道1，01-写低字节，010-方式2，0-二进*/
/*写A/D通道预置寄存器，设定首通道*//*A/D控制寄存器，设置：
0,FIFO可写，
/*采集板初始化*/outportb（baddr+0x10,0）;outportb（baddr+0x11,0）;
/*初始化为定时触发方式*/outportb（baddr+7,0x54）;
outportb（baddr+0x10,fch）;outpportb（baddr+5,chn）;
允许采集，0-禁止半满中断，0-禁止外启
if（chn==1）
{outportb（baddr+7,0x70）;
}else{for（i=0;i{
Outportb（baddr+7,0x10）;
Outportb（baddr+7;0x34）;/*8254控制字口，初始化00110100:
00-设置通道011-先写低字节，后写高字节，010-方式2，0-二进制*/}}
5.信号采集
/*送技术值，触发一次采集*/for（i=0;i<1000;i++）{;}outportb（baddr+4,（unsignedchar）fl）;/*8254通道0，初始化：
（uchar）（fcode%256）*/outportb（baddr+0x11,0x40）;/*A/D控制寄存器，设置：
0，FIFO可写，允许采集，0-禁止半满中断，0-禁止外启动，0000-禁止非空DMA*/outportb（baddr+4,（unsignedchar）fh）;/*8254通道0，初始化：
（uchar）（fcode/256）*/baddr8=baddr+8;
for（i=0;i（inportb（baddr8）&1））{;}dd[i]=inport（baddrF0x8000;
}
6.数据处理及数据输出
/*显示数据*/
printf（“dataoutput,yesorno?
”）;
scanf（“%s”,&inchar1）;
if（inchar1==”y”）
{
printf（n“”）;;for（i=0;i<320;i++）
{if（chn<16）if（!
（i%chn））printf（n”）;“/*printf（“%4X”,dd[i]）;*/
printf（“%+2.4f”,dd[i]/16*.002442）;
}
}
7.绘图
/*绘图*/
initgraph（&driver,&mode,””）;
ch=0;
while（ch<16）
{setcolor（125）;
{
printf（“ch=（ch>15Quit）”）;
scanf（“%d”,&ch）;
moveto（0,-dd[i*chn+ch]/275+400-80*ch）;for（i=0;i<640;i++）
{
lineto（I,-dd[i*chn+ch]/275+400-80*ch）;
}
setcolor（3）
{lineto（0,400-80*ch,800,400-80*ch）;
line（0,20,0,800）;
}
}
}cleardevice（）;
第五章课程设计总结
非常感谢张老师能花费大量的时间与精力给我们指导为期两周的课程设计。
让我对机电一体化系统的设计有了一定的了解，初步完成了火箭弹实验测试系统的设计。
通过此次课设，对测试系统的设计步骤方法和思路有了大致的了解，也学会运用结合《微机原理》、《测试技术》、《自动控制原理》，C语言知识，进一步加深了对测试技术、机电控制与检测综合实验技术等知识的认识。
在理论联系实际方面有更深的体会，分析问题与解决问题的能力有了进一步的提高。
衷心感谢张老老给予我们的帮助与关怀。
参考文献：
[1]张训文.机电一体化系统设计与应用.北京理工大学出版社2006.5
[2]肖景和.集成运算放大器应用精粹.人民邮电出版社2006.5
[3]周生国.机电工程测试技术.国防工业出版社2005.9
[4]
2007.1
马忠梅.单片机的C语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社
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