燃气能源测试系统研究

摘 要：介绍了一种能够采集、存储、读取以及实时监测的燃气能源测试系统研究，讨论了各功能模块的应用以及它们之间的传输方式并给出该系统的硬件实现方案。通过用VB实现的软件界面进行控制硬件实现功能，最后在上位机上读取采集的数据和实时标定波形显示。
关键词：测试系统，软件界面，读取数据，波形显示
Abstract：This article introduces the research of gas-fired energy sources testing system based on collection、memory、read and real-time inspect. The application and transmission of every function module are discussed, as well as its hardware implementation. With Using VB to realize software interface and control hardware implementation, finally reading collection data and real-time demarcating the wave show.
Keywords：testing system;software interface;reading data;wave show
1 引言
　　随着计算机技术的发展和测试技术的进步，从50年代起，计算机就被引入到压力系统的测试中来。直到80年代以后，计算机和测试系统才精密地结合起来，融为一体，用计算机强大的软件功能来替代传统仪器的某些硬件，实现其功能，形成“虚拟仪器”。本文正是基于这一点对能源供给系统各性能指标进行测试的，选用静态存储器628512、Xilinx公司的FPGA XC2S50E和FIFO组成一个采集、存储、读取以及实时监测系统。这里主要介绍燃气能源测试仪的硬件设计及其燃气能源测试仪软件的实现。
2 硬件设计
　　2.1 系统框图
　　测试仪的系统总体原理框图如图1所示。主要由前置信号调理模块、多路采集模块、中心控制单元模块、存储模块、接口模块、电源模块等几部分组成。

图1
　　2.2 硬件工作原理
　　前置信号调理模块主要是将8路电压信号（幅值为-10V～+10V）、16路压力信号（幅值为0mV～20mV）进行信号的调理，将其幅值调理到模数转换模块所能接收的电压范围（0V～5V）。其中对电压信号我们用通用运算放大器构成信号运算电路进行调理;对微弱压力信号我们先通过仪表放大器对其进行放大，然后再通过低通滤波电路进行噪声的滤除。
　　对时统信号我们通过电平驱动电路进行驱动，然后将驱动后的信号送入中心控制单元用以可靠地启动系统的工作。
　　多路选择模块和模数转换模块用于将经过调理后的电压信号和压力信号进行信号的轮流选通和模数转换，然后将所有模拟输入信号转换后的数字信号送入中心控制单元。
　　中心控制单元主要是产生各种控制信号，完成对系统各部分的协调工作。中心控制单元接收到来自工作模式控制开关或上位机工作模式控制的控制命令后，就会产生相应的控制信号来完成对应的功能，最后中心控制单元将所采集到的数据进行融合处理，然后将数据写入存储器存储进行事后读数或送入上位机进行实时显示。
　　存储模块由静态存储器、先进先出存储器（FIFO）和相应的接口电路模块组成。静态存储器主要是存储事后读取的数据，先进先出存储器主要是存储实时显示的数据，接口电路块主要是完成信号的隔离和驱动功能。
　　测试仪共有“自检”、“清空”、“采集”、“读数”和“标定”5个工作状态，任何时刻只能有一个工作状态有效。其中“标定”控制状态是通过上位机来控制的，“自检”、“清空”、“采集”、“读数”、“采样率选择”既可通过外部的开关来控制，也可通过上位机来控制（但任何时刻两种控制模式只能选用其中一种）。
　　“自检”状态有效时，整个系统进入自检状态，中心控制逻辑开始启动A/D，采集其系统中的预置电压并进行判读，当判读其所采集回的电压值在其预置电压的范围之中，则认为其采集回路正常工作，工作指示灯就会点亮，指示“自检”成功;若其所采集回的预置电压值不在预定的范围，则认为其采集回路异常工作，工作指示灯就不会被点亮，系统就一直处于自检状态。
　　“清空”状态有效时，则整个系统进入“清空”状态，中心控制逻辑开始向静态存储器中写“00”数据，直至存储器写满为止。在每次存储之前都需要将系统清空，以防再次采集时的数据和前次采集时的数据混在一起。
　　“标定”状态有效时，则整个系统进入“标定”状态，即实时标定压力传感器的状态。首先，在软件中先设置一个预知压力值，然后给压力传感器施加该压力值，在中心控制逻辑的作用下，系统通过计算机并行接口实时采集存储标准的压力传感器信号，同时实时观察该压力值对应采集回的数据，当数据稳定后确认该数据为所给压力值对应的数据，对该数据进行存储;然后改变标准的压力传感器信号，再次进行同样的“采集”过程。重复这样的步骤6次，得到6个压力值和其对应的6个数据。通过软件，依据此六组对应数据就可以将压力传感器信号和其对应的实测值拟合成一次线性曲线的关系并计算出该曲线的线性度和零点值，拟合采用最小二乘法。从拟合出的曲线和计算的线性度即可以检验压力传感器是否合格。
　　“采集”状态有效时，整个系统进入“采集”状态。为了能够保证时统信号到来时刻的数据完整性，这里采用了“负延迟” 的采集思路：只要“采集”状态有效，系统就开始循环采集，并等待时统信号的到来;当时统信号到来后，若按采样率2KHz来计算，要求最大采样时间50S，由于系统的存储容量为3MByte，而采集的数据量为2.67MByte，所以系统所存储的数据肯定包括有时统信号到来时刻的数据，即保证了此刻数据采集的完整性。当计算机将此数据读回后就可以通过数据分析把所有采集的信号与时统信号的关系绘制出来，从而得知时统信号到来时刻各路电压及压力传感器的输出信号的状况。
　　“读数”状态有效时，则整个系统进入“读数”状态，系统的控制权交给了计算机。在计算机并行接口的控制下，通过中心控制逻辑，就可以将测试仪中所存储的数据读入计算机。
3 软件设计
　　3.1 燃气能源测试仪软件功能结构
　　燃气能源测试系统的使用离不开软件的配合，而软件的功能分为两大部分：控制燃气能源测试仪工作状态功能和事后数据处理功能。其中控制燃气能源测试仪工作状态功能包括：擦除功能、复位功能、读数功能;事后数据处理功能包括：数据原码显示、DG和TREF的时刻时间显示、曲线显示等功能。燃气能源测试仪软件总流程图如图2所示：

图2
　　设备擦除模块包含两项功能：设备擦除和设备验证。启动软件，执行“设备打开”和“设备复位”后，点击“设备擦除”按钮或菜单项进入设备擦除模块。设备擦除完之后，可以进行“设备验证”操作，可以确保存储器内的数据被彻底擦除掉。然后点击“设备读数”按钮或菜单项进入设备读数模块，输入读取数据的大小，然后选择文件存放路径，点击读取数据按钮即可。数据分析子模块主要完成对读取的数据进行后期处理，包括“数据预处理“、“数据分析”、“全部显示”、“选择显示”和“单路显示”子模块。
　　3.2 燃气能源测试仪软件标定
　　对燃气能源测试仪软件进行模拟采集，信号源采用了标准信号源。燃气能源测试仪信号源模拟压力传感器输出的16路压力信号（mV）和舵反馈的8路电压信号（V），让燃气能源测试仪进行采集和记录。采集记录结束后通过计算机并行接口把数据从燃气能源测试仪读入计算机中，通过配套软件进行数据的分析和绘制曲线，从而实现对燃气能源测试仪软件的标定。下图3是传感器实时标定的测试波形。

图3
4 结束语
　　燃气能源测试仪对能源供给系统的各性能指标进行测试，测量的信号有来自压力传感器的16路压力信号，8路反馈电压信号以及1路时统信号，A/D采集有效位数为8位，数据存储容量达到3MB，在2KHz的采样频率下记录时间为50秒或在1KHz的采样频率下记录时间为100秒的容量为2.734MB。另外，还可以通过改进这个设备应用到各个领域中。
参考文献
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