1. 引言
振动校准系统的发展经历了三个阶段，第一个阶段是所有操作都是由人工完成；第二个阶段是由操作人员将仪器输出的数据输入计算机，由计算机完成数据处理后生成报表；第三个阶段，随着计算机技术、虚拟仪器技术和自动控制理论的不断发展，产生了一系列的自动校准系统，它们拥有友好的软件界面，操作简便，功能强大，使校准的精度和自动化程度大大提高。
本文研究的主要目的就是以计算机为核心，利用信号发生器、频比计数器、多通道同步数据采集卡及超低频标准振动台系统(包括超低频标准振动台和功率放大器)搭建一个计算机控制系统，实现超低频振动自动校准。
2. 超低频振动校准装置自动测控系统设计
2.1. 测控系统功能结构设计
本文研究的标准振动系统是一个以计算机为核心的闭环控制系统，主要的功能为对测振传感器(包括地震计)及其进行各项指标的自动化校准。要求通用性强，可扩展性好，高精度，自动化程度高，同时兼顾成本。
首先，要选择一个标准振源，该振源要能把信号发生器产生的信号不失真的复现为机械振动，所以要选用性能稳定，精度高的标准振动装置及其配套功率放大器，这部分构成了整个系统的机械执行单元。
对于传感器测得的模拟信号，要经过电荷放大器的放大处理后，再经过高精度多通道同步采集卡进行A/D转换后送入计算机。而且为了满足绝对法校准的要求，系统中还要引入激光干涉仪和对其输出与干涉条纹对应光电信号进行计数的程控频比计数器，实现振动量的绝对测量。这部分构成了系统的测试单元。
控制单元是整个系统的核心，系统中各个部分都要在它的统一指挥和协调下进行工作。该部分包括主控计算机、系统软件、控制软件和程控信号发生器[1]。整个系统的功能结构如图1所示。
2.2. 测控系统的物理结构设计
(1) 确定系统的控制方案
首先确定系统的结构和控制方案。在校准试验中，振级调整是最核心的部分，要求对振动台的振动量实时测量和反馈控制，保证振动台按规定运行，可以用图2来表示这样一个闭环控制系统。图中振级实时测量模块可以根据绝对法和相对法使用激光测振仪或标准传感器。
目前几种典型的计算机控制系统形式有：
Figure 1. Functional structure of the vibration calibration system
图1. 振动校准系统功能结构
Figure 2. Schematic diagram of closed-loop control principle for vibration level
图2. 振级闭环控制原理图
(1) 直接数字控制系统[2] (Direct Digital Control，简称DDC)
直接数字控制系统的构成如图3所示。计算机首先通过输入通道完成对被控参数的数据采集，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，实现对生产过程的闭环控制。DDC系统可完成包括给定、显示、报警等功能。DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。
Figure 3. DDC system block diagram
图3. DDC系统框图
(2) 监督控制系统(Supervisory Computer Control，简称SCC)
监督控制中，计算机对控制过程的各个环节参数进行巡检，并根据过程的数学模型计算出最佳值，直接对模拟调节器或DDC计算机进行设定，使控制过程在最优工况下运行[3]。该系统的两种不同的结构形式如图4所示。
Figure 4. Two structural forms of the monitoring system
图4. 监督系统的两种结构形式
(3) 集散型控制系统(Distributed Control System，简称DCS)
集散型控制系统实质是利用计算机技术对控制过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、数字信号处理技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的。这种系统具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、运行安全的特点[4]。图5为DCS结构示意图。
Figure 5. Schematic diagram of DCS structure
图5. DCS结构示意图
考虑到DDC控制系统可以实现多回路调节，而且不需改变硬件，只需改变程序就能实现复杂的控制规律，可以很好地满足振动校准装置自动测控系统的要求，因此采用DDC作为本系统的控制方式。
2.3. 确定主控计算机
根据被控对象的特点，选择合适的主控计算机非常重要，直接影响到系统的投资和规模。目前，用于工业控制的计算机类型主要有工控机、通用计算机和单片机。
如果系统的任务复杂，所需外设较多，需要在比较恶劣的工业生产条件工作，而且设计比较紧张，选用工控机做为主控计算机是非常合适的。工控机内存容量大，有很强的数据处理能力，可以配备各种总线接口，如RS232、RS422，RS485、IEEE488和USB等。具有很好的硬件功能和灵活的I/O扩展能力。而且工控机具有非常强大的开发能力，它可以直接用高级语言(如C语言、C++语言、LabVIEW等代码或图形编程语言)进行系统开发，能快速实现复杂的控制策略，效率非常高。通用计算机有着和工控机一样的功能，只是其工作稳定性和对恶劣条件的适应性不如工控机，故在科研机构实验室场合应用较多。对于一些小系统和顺序控制系统，单片机是一个不错的选择。它们体积小，可靠性高，价格便宜。
振动校准系统数据处理量较大，需要较多的外围设备而且需要与仪器进行通讯，并且振动校准计量的环境条件非常好，干扰很小。综合以上因素，本系统采用通用计算机作为主控计算机。
2.4. 系统主要硬件选择
本系统作为振动计量使用，因此系统硬件选择要以高精度和高稳定性为基本原则。
(1) 振动台选择
校准用振动台要能把信号发生器的输入信号不失真的复现为机械振动，因此要求用性能好、精度高的标准振动装置。本实验室研制的超低频标准振动台是课题组多年积累的成果，指标已达到世界领先水平，完全符合系统要求。
(2) 信号发生器选择
信号发发生器选择Agilent 33220A函数/任意波形发生器。该仪器用直接数字合成(DDS)技术建立稳定、精确的输出信号，可生成纯净和低失真的正弦波。能通过USB，GPIB和LAN连接，并有完全的SCPI命令编程能力。其正弦波主要指标为[5]：
1) 波形频率：1 μHz~20 MHz；
2) 频率分辨率：1 μHz；
3) 总谐波失真：优于0.04%。
(3) 频比计数器选择
频比技术器选择Agilent 53131A通用计数器。该仪器可通过GPIB与计算机连接，同样具有SCPI命令编程能力。其主要指标为[5]：
1) 测量带宽：DC-225MHz；
2) 数据传输率：200次/s全格式化传输。
(4) 数据采集卡选择
数据采集卡选择NI USB-4431采集器。该卡可程控采样率、采样长度、触发电平等采样参数，与计算机采样USB接口通讯，可以使用LabVIEW专门的数据采集模块编程。其主要指标如下：
1) 最大采样率102.4 kHz；
2) AD分辨率：24 bit；
3) 量程：±10 V。
根据设计要求测控系统应具有相移测试的功能，NI USB-4431最高采样率为102.4 kHz，无法满足高精度测试相移的要求。因此测试相移时选用成都佳仪公司的USB320数据采集卡，该卡也可程控采样频率，触发电平，与计算机采用USB接口通讯。其主要指标如下：
4) 最大采样率10 MHz；
5) AD分辨率：12 bit；
6) 量程：±200 mV~±40 V (共分8档)。
2.5. 系统总线选择
根据以上分析，确定本系统硬件组织机构为以主控计算机为核心，运用标准接口和总线与信号发生器、频比计数器、数据采集卡进行通讯，来对振动台系统进行测量和控制，即通过智能仪器组合的方式来组成控制系统。选择IEEE-488接口和与之配套的GPIB线缆实现主控计算机与信号发生器和频比计数器的通讯，选择USB接口实现主控计算机与采集卡进行通讯。
IEEE-488也称GPIB (General Purpose Interface Bus)。最初在1965年由惠普公司(Hewlett-Packard)设计，用于连接惠普的计算机和可编程仪器，由于其高速转换速率，这种接口总线得到普遍认可，并被收为IEEE标准488-1975和ANSI/IEEE标准488.1-1987。后来，ANSI/IEEE488.2-1987加强了原来的标准，精确定义了控制器和仪器的通讯方式。并且可编程标准命令SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments)采纳了IEEE-488.2定义的命令结构，创建了一整套编程命令，经过多年发展至今，其已被认为是使用最为广泛的仪器接口标准。具有IEEE-488接口的器件按在系统中运行功能不同分为控者器件、讲着器件和听者器件，其系统的基本特性有：① 器件容量最大为15台；② 电缆长度不超过20 m；③ 数据传输速度很高(通常达到1 Mb/s)；④ 控制方式为单一控者；⑤ 传输方式为字节串行、位并行，双向异步传输，三线挂钩的方式。按照IEEE-488接口标准生产的仪器，都有一个IEEE-488地址，在控制系统中，所有的地址应保证不被重复。该总线的连接情况如图6所示。
IEEE-488采用24芯D型插头座，它包括8条数据线，5条接口管理线(ATN、EOI、IFC、REN和SRQ)，3条握手线和8条地线。使用8位并行、字节串行的异步通讯方式，数据以ASCII码字符串方式传送。IEEE-488引线分配如表1所示。
Figure 6. Schematic diagram of IEEE-488 bus connection
图6. IEEE-488总线连接示意图
Table 1. Lead assignment of IEEE-488 bus
表1. IEEE-488总线的引线分配
引线 |
名称 |
功能 |
引线 |
名称 |
功能 |
1 |
DIO1 |
数据输入输出 |
13 |
DIO5 |
数据输入输出 |
2 |
DIO2 |
14 |
DIO6 |
3 |
DIO3 |
15 |
DIO7 |
4 |
DIO4 |
16 |
DIO8 |
5 |
EOI |
结束或认别 |
17 |
REN |
远程选择 |
6 |
DAV |
数据有效 |
18 |
GND |
地线 |
7 |
NRFD |
未准备好接收数据 |
19 |
GND |
8 |
NDAC |
未接收完数据 |
20 |
GND |
9 |
IFC |
接口清除 |
21 |
GND |
10 |
SRQ |
服务请求 |
22 |
GND |
11 |
ATN |
注意 |
23 |
GND |
12 |
GND |
屏蔽地 |
24 |
GND |
逻辑地 |
本系统选择日本康泰克(CONTEC)公司的GP-IB(PCI)FL系列的IEEE-488接口卡，该产品支持IEEE-488.2标准，涵盖了包括总线主控高速数据传送和GPIB总线线性分析等用户所需的功能，可以用LabVIEW，C++等当今主流编程平台进行开发，通用性极佳。
USB，全称为Universal Serial Bus (通用串行总线)，它是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合开发的一种新型的、基于令牌的、高速串行标准接口。自1994年11月11日发布了USB V0.7版本以后，USB的版本经历了多年的发展，到现在已经发展为3.0版本，成为目前计算机中的标准扩展接口。目前主板中主要是采用USB2.0，各USB版本间能很好的兼容。它的特点是：① 实现费用低廉，方便终端用户使用；② 可以同时支持速度为几Kb/s至几Mb/s的设备；③ 在同一套总线上可以同时支持同步和异步传输类型；④ 最多支持127个物理外设；⑤ 同PC工业协同作用，符合PC即插即用体系结构；⑥ 应用灵活，性能稳定。
到此，可以明确确定整个系统的物理结构。如图7所示，为振动校准系统物理结构设计方案。系统主要包括超低频标准振动台、功率放大器、激光测振仪、信号发生器、频比计数器、多通道同步数据采集卡和计算机。其中，数据采集卡可通过计算机自带的USB接口与其连接，频比计数器和信号发生器通过IEEE-488接口卡和GPIB线缆与计算机相连。其工作流程为：信号发生器在计算机控制下产生一定频率和幅值的标准正弦信号，经过功率放大器放大激励振动台后，使振动台输出设定频率和振动量级下的振动；然后用A/D采集卡测量被校传感器信号幅值；通过激光测振仪与频比计数器或直接由A/D采集卡测量标准传感器输出得到振动台标准振级；最后计算传感器的校准值。
Figure 7. Hardware structure of the vibration calibration system
图7. 振动校准系统硬件结构
3. 结论
本文设计了超低频振动校准装置自动测控系统的总体结构。主要成果如下：
(1) 设计超低频振动校准装置自动测控系统的功能结构。将测控系统按功能划分为控制单元、测试单元和执行单元。其中控制单元包括主控计算机、程控信号发生器及辅助软件；测试单元包括频比计数器、激光测振仪及数据采集卡等仪器；执行机构包括标准振动台及功率放大器；
(2) 设计超低频振动校准装置自动测控系统物理结构。系统以主控计算机为核心，结合信号发生器、频比计数器、数据采集卡等仪器，搭建了基于IEEE-488接口和USB接口的测控系统。
NOTES
*通讯作者。