一种新 铀俣却感器性能测试系统

摘 要: 介绍了一种新型的加速度传感器" title="加速度传感器">加速度传感器 性能测试系统,它由计算机分析平台、数据采集" title="数据采集">数据采集 子系统、数据交换" title="数据交换">数据交换 子系统和直流调速子系统四个部分组成。系统通过串口" title="串口">串口 控制直流调速系统改变转盘的速度从而获得变化的加速度曲线,再通过射频芯片nRF2401进行相应的数据采集。上位机采用LabVIEW开发,其他3个子系统采用PIC单片机作为主控芯片实现。

关键词: 加速度传感器; 数据采集; 射频通信; LabVIEW

传感器是自动化系统和信息系统的关键性基础器件,其技术水平直接影响到自动化系统和信息系统的水平,传感器的好坏对系统质量起着决定性作用。其中加速度传感器用途广泛,目前加速度传感器在汽车电子领域应用较为广泛。它主要用在以下几个方面:安全气袋、翻转检测、碰撞检测、车辆动态控制、刹车控制系统、驾驶者安全装置。因为加速度传感器的用途广泛,所以加速度传感器也越来越重要,产品在出厂之前必须经过严格的测试^[1-2]。

本文介绍了一种基于虚拟仪器和射频技术的新型加速度传感器自动测试系统,它基于LabVIEW 图形化开发环境,对汽车加速度传感器的性能数据进行采集,利用其强大的数据分析功能对汽车加速度传感器的性能进行分析。

1 系统的整体结构设计

系统在数据采集上采用射频技术解决旋转部件与静止部件的接线问题。图1所示为本加速度传感器性能自动测试台的系统结构图。系统由计算机、数据交换子系统、电机调速系统、电动机、采样子系统、被测传感器测试台6个部分组成。采样子系统与被测加速度传感器一起转动,而数据交换子系统与计算机处于静止状态。采样子系统与数据交换子系统之间通过射频进行信号传输。被测传感器固定在测试台的圆盘上,圆盘的半径为0.2m。圆盘通过电动机驱动旋转,电动机采用伺服电机,它由电机调速系统控制,计算机通过串口控制电动机的转速。数据交换子系统通过射频传输获得采样子系统的数据,并将该数据通过串口传入计算机。

2 系统的硬件结构

测试台的硬件部分由数据交换子系统与采样子系统组成,其中数据交换子系统与计算机之间的数据传输采用串口通信,采样子系统与数据交换子系统之间的数据传输采用射频通信方式。 采样子系统的作用是采集传感器的信号并通过射频收发电路实现数据的接收和发送。本系统采用MICROCHIP公司的PIC16F877A单片机为采样子系统的处理器,其内部带有10位8通道A/D" title="A/D">A/D 转换器,能一次性测量8个加速度传感器,基本能满足系统的精度要求^[3]。为了解决数据采集中旋转部分与静止部分的接线困难问题^[4],本设计中采用了射频技术进行数据传输。射频芯片采用Nordic公司的射频收发芯片nRF2401,它是一个单片集成接收、发射器的芯片,工作频率范围为全球开放的2.4GHz 频段,采用GFSK调制时的数据速率为1Mb/s,高于蓝牙,具有高数据吞吐量。nRF2401 内置了CRC纠错、检错硬件电路和协议。发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成。每个芯片可以通过软件设置最多40bit地址,只有收到本机地址时才会输出数据且提供一个中断指示,该芯片编程非常方便^[5]。

2.1采样子系统的硬件实现

2.1.1 电源电路

系统电源采用的模式是AC/DC-DC/DC,由于采样子系统是随测试台一起旋转,先采用一个AC/DC电源将电网上的220V电源转换成DC48V电源,然后将DC48V电源通过一个碳刷和滑环接入到旋转的采样子系统电路上,而采样子系统上的电源主要有32/24/16V、16/12/8V、5.3/5/4.7V、5V、3.3V这五路电源,其中前三路电源是给测试三种不同加速度传感器时提供电源的,而5V、3.3V是给采样子系统电路提供电源的,采样子系统电源采用三端稳压块LM317来实现。

2.1.2 传感器电源与接地状态切换电路

由于测试过程中加速度传感器的电源和接地状态要经常被改变,这里用继电器来切换加速度传感器的电源与接地状态。本系统用到的继电器为DC5V的小印制板继电器,继电器线圈的驱动电压为+5V,驱动电流为40mA,在该电路中,继电器的驱动采用集成了7路达林顿管的集成芯片MC1413。MC1413的每路驱动电流最高可达500mA,而且它内部集成了续流二极管,因此非常适合用于驱动小功率的继电器。单片机的I/O口RD2、RD3、RD4、RC6和RC7分别用来控制5个继电器的闭合与断开。

2.1.3 射频电路

在采样子系统中,单片机的工作电源为5V,这主要考虑到系统要用到的单片机内部A/D转换器必须采用+5V电源作为其参考电压。但是nRF2401工作电源为3.3V。因此,单片机的I/O口不能与nRF2401直接相连,中间必须经过一个电平转换电路将5V电平转换成3.3V电平。本电路采用高速光耦6N137来实现电平转换。6N137的最高开关速率可达到75ns,而本系统中采用的PIC16F877A的晶振为8MHz,即模拟的I/O时序中高低电平翻转时间不可能小于1μs,因此6N137在这里能够满足要求。这里用到的单片机I/O口为RC0~RC5。本系统只用到nRF2401两路通道中的频道1。

2.1.4 A/D采样电路

由于加速度传感器的输出电压有可能高于5V,该电路用了一个稳压值为5.1V的稳压二极管IN5338将传感器的输出电压稳定在5.1V以内,然后接到单片机的A/D转换引脚上。IN5338的功率为0.5W,即能够承受的最大电流为100mA,该电路用了一个1kΩ的电阻起限流作用,以防止流过稳压二极管的电流过大。

2.1.5 直流伺服电机及DDS调速系统

DDS直流电机调速系统以PIC16F877A为核心,采用数字方式,通过软件PID调节,通过数字PWM输出。系统调速范围为1:500,调速精度为1%,直流电机选用70SZD06,其主要参数为转速2 000r/s,转矩0.72Nm。减速器型号PX40-8,输出转矩5Nm。

2.2 数据交换子系统的硬件实现

该子系统也采用PIC16F877A作为系统的主控芯片,nRF2401接收数据,用MAX232作为RS-232的电平转换芯片。

3 系统的通信组成

本系统的数据通信分成三个部分:计算机与数据交换子系统采用串口1通信;数据交换子系统与采样子系统,采用射频通信;计算机与直流调速系统,采用串口2通信。本系统中计算机采用串口通信的方法,主要是考虑到接口硬件方便,易于实现。其中串口通信采用9 600b/s的波特率,传输的内容分命令和数据两种,分别按照不同的固定格式加帧头和CRC校验组成。而射频通信则以250Kb/s的速率进行数据传输,射频芯片根据配置的内容自动加上4个字节的地址信息和2个字节的CRC校验信息。为了配置方便,系统中射频通信都是采用10个字节有效数据作为一帧信息发送,即超过10个字节的数据采用多帧发送,不足10个字节的数据自动在数据尾段补0X55凑足10个字节^[6-7]。

4 系统的软件实现

4.1系统的主要功能模块

在主程序中包括用户配置、自动测试、手动测试、数据统计、报表处理和帐号修改等6个主要的功能模块。

(1) 自动测试

自动测试为本系统的最重要的组成部分。自动测试程序流程图如图2所示。LabVIEW接收到传感器的数据被从串口中读出,数据是一个字符串,程序先将该字符串转换成数值数组,将8个传感器数据分别存放于8个数组中,一次自动测试得到的数据为8个二位数组,数组大小为10行5列。

自动测试时,数据交换子系统总共上传1 000帧数据,每帧数据12B,其中有效数据即传感器的电压值为8B。它分50次发送,每次传送的有效数据为160B,由于上传的数据为A/D转换的结果,还未将之转换成电压值,故要用2个字节存放1个电压值数据,即每次传送80个电压值数据。

(2) 手动测试

手动测试可以完成对某个传感器的某个状态下的性能测试。

(3) 报表处理

测试产生的数据以文本格式保存在计算机硬盘中,同时为这些报表建立了一个索引表,索引文件中记录了报表产生的时间信息和报表的批次号信息。因此在程序中提供了四种报表查询方法:单报表按时间查询、批报表按时间查询、单报表按批次号查询和批报表按批次号查询。测试人员可以对查询到的报表进行查看、移动、删除和打印等操作。

(4) 数据统计

系统提供了三种统计方式:自定义时间统计、月统计、年统计。合格产品数和合格率等统计结果以文字形式和柱形图形式显示在前面板上。在统计完毕之后,都将自动生成统计报表,测试人员可以对这些统计报表进行查看、打印等处理。

(5) 帐号修改

提供了一个密码修改和用户注册的功能。

4.2 主要模块程序实现

4.2.1 读取串口接收的数据

在向串口发送数据采集命令之后,数据交换子系统通过串口接收到该命令,然后将接收到的数据进行CRC运算。如果接收正确,则通过射频模块向采样子系统转发该命令,而采样子系统在接收到命令后对命令进行解释,然后根据命令内容采集数据,采集完毕后即向数据交换子系统发送数据,而数据交换子系统又通过串口将该数据转发到计算机中。

在延时250ms之后,串口将接收到采样子系统发送过来的传感器测试数据,如图3所示,通过VISA Read子VI可以读取串口缓冲区里的数据和数据长度。将接收到的数据进行CRC校验运算,如果校验正确则认为该组数据被正确接收。

4.2.2 电机调速

要控制电机的转速,需要通过串口向DDS调速系统发送速度值,命令在0000H~3FFFH之间为正转,8001H~BFFFH之间为反转。需要将实际转速值换算成命令值,计算方法如下:

假设要使电机运行速度为X,则发送的命令值为其中3FFFH=16 383。

如果是反转,还要将该数值加上32 769(8000H),然后将得到的值转换成十六进制,提取每一位数据与30H相“与”,得到一个新的数组,再把该数组转换成字符串,前面加上字符“V”后面加上空格字符向串口发送即可。如图4所示为LabVIEW电机调速程序图。

4.2.3 测试数据分析模块

程序可以根据标准曲线与测试曲线的吻合程度进行判断并显示其结果。在该界面中,用户还可以对该组数据的某个点的值进行重新测试,将实测曲线在不同的标准下进行分析而得出结论。同时可以将某组数据进行删除、保存等操作。

本系统采用了虚拟仪器测试技术,以VI为开发平台进行开发设计。硬件上,系统采用计算机和单片机实现了加速度传感器性能的测试;软件上,NI LabVIEW的选用使系统的设计过程趋于简便。该系统的关键在于数据通信的实现上,即计算机串口的RS-232数据与采样系统的射频数据的转换,在软件编写过程中充分考虑了数据通信过程中的容错性处理。目前系统采用计算机的串口接收的数据,其波特率为9 600b/s,而射频模块的传送波特率高达1Mb/s,要提高整个系统的通信速率,可以采用计算机的USB口进行数据的采集。

参考文献

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