一种遥测设备自动化标定系统

摘要

本发明公开了一种遥测设备自动化标定系统，属于遥测设备测试技术，包括人机交互接口、标定信号模拟系统、矩阵开关、信号遥测设备、数据采集/接收单元、仪器控制单元、数据处理平台、软件控制平台，本发明通过数据分析处理的方法估计出输出信号。将输出信号与标定信号模拟系统输入的基准信号作比较，拟合传输曲线，并计算出系统传递函数和传输精度，生成数据表格来记录各通道传输数据和特性函数。本发明是能根据用户需求，自动测试直流，交流信号通道传输系数的系统。该系统基于虚拟仪器平台，能快速准确地用于不同型号遥测设备通道传输系数的测试，可以直观清晰地获得待测试设备的传输通道模型，为不同外部环境下，遥测设备传输通道的校正提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于LabWindows/CVI软件平台的遥测设备自动化标定系统，属于 遥测设备测试技术。

背景技术

目前国内遥测设备研制生产单位均采用人工或半自动的方式进行测试，该测试方式 已经无法满足越来越复杂的遥测系统的测试需求，具体体现为以下几个问题：

1)仅适用于遥测信号路数少、类型少和传输精度要求低的简单型号遥测设备的 测试。测试过程非常复杂，2～3个测试人员要花费数个小时才能完成完整的测试。

2)往往需要多个人员分工测试，每个测试人员必须掌握各种信号参数的直接或 间接测量方法，并对各种测量结果进行判读和手工记录，测试准确性受人为因素影响大， 难以形成标准化测试；

3)无法进行遥测通道传输系数标定，只能根据硬件电路设计使用理论估计值。 由于没有考虑不同批次遥测舱以及不同遥测通道之间的差异性，各遥测通道传输精度的 测试结果不够真实、准确。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种遥测设备自动化标定 系统，本系统能根据用户需求，自动测试直流，交流信号通道传输系数的系统，能快速 准确地用于不同型号遥测设备通道传输系数的测试，可以直观清晰地获得待测试设备的 传输通道模型，为不同外部环境下，遥测设备传输通道的校正提供依据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种遥测设备自动化标定系统，包括：

人机交互接口，所述人机交互接口用于用户参数的输入，并将该用户参数传送给软 件控制平台，所述用户参数包括待测通道设定，待测方式设定，标定模式以及对待测通 道所需要的信号源进行设定；

标定信号模拟系统，所述标定信号模拟系统用于根据从仪器控制单元接收的待测通 道所需要的信号源参数和标定模式产生对应的基准信号，并将该基准信号通过矩阵开关 接入信号遥测设备的人机交互接口；所述标定信号模拟系统包括提供直流电平的可编程 精密电源和提供交流信号的函数信号发生器；

矩阵开关，所述矩阵开关用于根据仪器控制单元发出的待测通道选择控制信息控制 标定信号模拟系统和信号遥测设备之间的信号通道连接的切换，形成待测通道，该待测 通道用于标定信号模拟系统和信号遥测设备之间信号的传输；

信号遥测设备，所述信号遥测设备用于接收矩阵开关待测通道发出的信号，并将信 号加至载波上，同时将该载波信号发送至数据采集/接收单元；

数据采集/接收单元，所述数据采集/接收单元用于接收信号遥测设备发出的载波信 号，并将其解调后传输至数据处理平台；

仪器控制单元，所述仪器控制单元用于软件控制平台传送的用户参数信息的接收， 并将其中的待测通道所需要的信号源信息传送给标定信号模拟系统；用于接收软件控制 平台传送的待测通道选择控制信息，并将该待测通道选择控制信息发送给矩阵开关；用 于接收软件控制平台传送的自检信息、初始化仪器、检测仪器的工作状态；用于接收软 件控制平台传送的模式信息，根据模式信息选择仪器直流标定模式或者交流标定模式， 并将选定的标定模式传送给标定信号模拟系统；

数据处理平台，所述数据处理平台用于对数据采集接收单元采集到的数据进行处 理，所述数据处理包括通过接收数据和产生信号的对比、进行通道传输曲线的绘制、传 输方程的拟合、产生标定数据表格的处理；根据传输方程的拟合计算出系统的传递函数 和传输精度；所述标定数据表格用于记录各通道传输数据和特性函数；并将通道传输曲 线的绘制、传输方程的拟合、标定数据表格、传递函数、传输精度信息发送给软件控制 平台；

软件控制平台，所述软件控制平台用于接收人机交互接口输入的用户参数信息， 并将该用户参数信息中的待测通道所需要的信号源传递给仪器控制单元；根据待测通道 设定信息产生选择矩阵开关的其中的一个或多个通道作为待测通道选择控制信息，并将 该待测通道选择控制信息发送给仪器控制单元；用于根据用户参数信息产生自检信号， 并将该信号传送给仪器控制单元；用于根据用户参数信息产生模式信息，并将该模式信 息传送给仪器控制单元；用于接收数据处理平台传送的通道传输曲线的绘制、传输方程 的拟合、以及传输精度并将上述结果存储于标定数据文件中。

进一步地：还包括通道标定模式模块，所述通道标定模式模块包括多通道标定模 式模块和单通道标定模式模块，所述多通道标定模式模块用于用户通过人机交互接口输 入两个以上的待测通道以及各待测通道所需要的信号源参数，其测试方法如下；系统根 据各待测通道测试结果分别生成其对应的通道传输曲线的绘制、传输方程的拟合、通道 传输精度信息，上述信息被遥测设备自动化标定系统自动保存于标定数据文件中；然后 用户将保存于标定数据文件的各待测通道生成的上述信息载入遥测设备自动化标定系 统，进行单个通道的复播，查看结果是否正确，完成标定流程；

所述单通道标定模式模块用于用户通过人机交互接口输入一个需要待测通道以及 待测通道所需要的信号源，其测试方法如下；系统根据待测通道及其对应的信号源生成 其对应的通道传输曲线的绘制、传输方程的拟合、通道传输精度信息，上述信息被遥测 设备自动化标定系统自动保存于标定数据文件中；然后用户将保存于标定数据文件的各 待测通道生成的上述信息载入遥测设备自动化标定系统，进行单个通道的复播，查看结 果是否正确，完成标定流程。

优选的：所述标定信号模拟系统包括提供直流电平的可编程精密电源和函数信号发 生器。

优选的：所述传递函数的估计方法为：

第一步，通过发送端和接收端信号曲线逆合获得该通道传递函数的多项表达式 f(x)：

f(x)＝k₃x³+k₂x²+k₁x+k₀＝y     (3)

其中，发送端信号的样值为：X＝x₁,x₂,...,x_N        (1)

接收端信号的样值为：Y＝y₁,y₂,...,y_N       (2)

第二步，根据发送端信号和传递函数关系式，估计标准偏差Δ和相关系数ρ：

$\Delta =\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{[y_i-f\left(x_i\right)]}^2}---\left(5\right)$

$\rho =\frac{C_{\mathrm{XY}}}{{\sigma }_x{\sigma }_y}---\left(6\right)$

其中：C_XY＝E[(X-m_x)(Y-m_y)]         (7)

m_x，m_y和σ_x,σ_y分别表示发送/接收样值的均值和均方差；

第三步，对通道接收端信号的幅度和频率进行参数估计：

对于直流通道，在通道的人机交互接口，每隔t产生一个固定的电平，在通道的输 出端，每隔Δt采样获得当前的电平值，在每段电平采样序列中选择中间段的电平值进行 平均，作为直流通道幅度的估计值，令每段电平采样序列有n个采样值，其中：

n=t/Δt         (8)

选择第(n*0.4取整)个到第(n*0.6取整)个电平累加后求均值；

对于交流通道，根据输入信号的信噪比(SNR)选择不同的幅度、频率的估计方法： 在高信噪比条件下，先用过零检测的方法求取三角波的周期T，再对该周期内的三角波 幅度的绝对值求平均得到均值E，利用幅值A＝2*E的关系对幅度做出估计；而在低信噪 比条件下，则需通过求取自相关函数的方法对三角波的幅度做出估计。

本发明提供的一种遥测设备自动化标定系统，相比现有技术，具有以下有益效果： 相比于现有人工，半人工标定技术，该方案测试精度高，对各型遥测设备都能普遍使用； 测试所得的结果数据自动记录于对应的文档，减轻了测试人员的负担，提高了测试效率； 该自动化标定设备还具有标定曲线回看复现的功能，使得测试人员随时都能直观地获取 任意通道的标定测试结果，避免了人工，半人工测试时查找对应通道记录的麻烦，杜绝 了可能存在的数据填写错误。因此本发明能根据用户需求，自动测试直流，交流信号通 道传输系数的系统。该系统基于虚拟仪器平台，能快速准确地用于不同型号遥测设备通 道传输系数的测试，可以直观清晰地获得待测试设备的传输通道模型，为不同外部环境 下，遥测设备传输通道的校正提供依据。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为标定系统的仪器网络连线图；

图3为软件系统数据流向及模块划分图；

图4为本发明的软件工作流程；

图5为不同信噪比条件下交流信号的幅度误差；

图6为不同信噪比条件下交流信号的频率误；

图7为遥测设备第18通道接口电路；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种遥测设备自动化标定系统，如图1-4所示，包括：

人机交互接口，所述人机交互接口用于用户参数的输入，并将该用户参数传送给软 件控制平台，所述用户参数包括待测通道设定，待测方式设定，标定模式以及对待测通 道所需要的信号源进行设定；

标定信号模拟系统，所述标定信号模拟系统用于根据从仪器控制单元接收的待测通 道所需要的信号源参数和标定模式产生对应的基准信号，并将该基准信号通过矩阵开关 接入信号遥测设备的人机交互接口；所述标定信号模拟系统包括提供直流电平的可编程 精密电源和提供交流信号的函数信号发生器；

矩阵开关，所述矩阵开关用于根据仪器控制单元发出的待测通道选择控制信息控制 标定信号模拟系统和信号遥测设备之间的信号通道连接的切换，形成待测通道，该待测 通道用于标定信号模拟系统和信号遥测设备之间信号的传输；

信号遥测设备，所述信号遥测设备用于接收矩阵开关待测通道发出的信号，并将信 号加至载波上，同时将该载波信号发送至数据采集/接收单元；

数据采集/接收单元，所述数据采集/接收单元用于接收信号遥测设备发出的载波信 号，并将其解调后传输至数据处理平台；

仪器控制单元，所述仪器控制单元用于软件控制平台传送的用户参数信息的接收， 并将其中的待测通道所需要的信号源信息传送给标定信号模拟系统；用于接收软件控制 平台传送的待测通道选择控制信息，并将该待测通道选择控制信息发送给矩阵开关；用 于接收软件控制平台传送的自检信息、初始化仪器、检测仪器的工作状态；用于接收软 件控制平台传送的模式信息，根据模式信息选择仪器直流标定模式或者交流标定模式， 并将选定的标定模式传送给标定信号模拟系统；

数据处理平台，所述数据处理平台用于对数据采集接收单元采集到的数据进行处 理，所述数据处理包括通过接收数据和产生信号的对比、进行通道传输曲线的绘制、传 输方程的拟合、产生标定数据表格的处理；根据传输方程的拟合计算出系统的传递函数 和传输精度；所述标定数据表格用于记录各通道传输数据和特性函数；并将通道传输曲 线的绘制、传输方程的拟合、标定数据表格、传递函数、传输精度信息发送给软件控制 平台；

软件控制平台，所述软件控制平台用于接收人机交互接口输入的用户参数信息， 并将该用户参数信息中的待测通道所需要的信号源传递给仪器控制单元；根据待测通道 设定信息产生选择矩阵开关的其中的一个或多个通道作为待测通道选择控制信息，并将 该待测通道选择控制信息发送给仪器控制单元；用于根据用户参数信息产生自检信号， 并将该信号传送给仪器控制单元；用于根据用户参数信息产生模式信息，并将该模式信 息传送给仪器控制单元；用于接收数据处理平台传送的通道传输曲线的绘制、传输方程 的拟合、以及传输精度并将上述结果存储于标定数据文件中；所述传输方程即传递函数， 所述标定数据文件即标定数据表格，为测试后存储结果用。

还包括通道标定模式模块，所述通道标定模式模块包括多通道标定模式模块和单 通道标定模式模块，所述多通道标定模式模块用于用户通过人机交互接口输入两个以上 的待测通道以及各待测通道所需要的信号源参数，其测试方法如下；系统根据各待测通 道测试结果分别生成其对应的通道传输曲线的绘制、传输方程的拟合、通道传输精度信 息，上述信息被遥测设备自动化标定系统自动保存于标定数据文件中；然后用户将保存 于标定数据文件的各待测通道生成的上述信息载入遥测设备自动化标定系统，进行单个 通道的复播，查看结果是否正确，完成标定流程；

所述单通道标定模式模块用于用户通过人机交互接口输入一个需要待测通道以及 待测通道所需要的信号源，其测试方法如下；系统根据待测通道及其对应的信号源生成 其对应的通道传输曲线的绘制、传输方程的拟合、通道传输精度信息，上述信息被遥测 设备自动化标定系统自动保存于标定数据文件中；然后用户将保存于标定数据文件的各 待测通道生成的上述信息载入遥测设备自动化标定系统，进行单个通道的复播，查看结 果是否正确，完成标定流程。

优选的：所述标定信号模拟系统包括提供直流电平的可编程精密电源和函数信号发 生器。

优选的：所述传递函数的估计方法为：

第一步，通过发送端和接收端信号曲线逆合获得该通道传递函数的多项表达式 f(x)：

f(x)＝k₃x³+k₂x²+k₁x+k₀＝y         (3)

其中，发送端信号的样值为：X＝x₁,x₂,...,x_N        (1)

接收端信号的样值为：Y＝y₁,y₂,...,y_N          (2)

第二步，根据发送端信号和传递函数关系式，估计标准偏差Δ和相关系数ρ：

$\Delta =\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{[y_i-f\left(x_i\right)]}^2}---\left(5\right)$

$\rho =\frac{C_{\mathrm{XY}}}{{\sigma }_x{\sigma }_y}---\left(6\right)$

其中：C_XY＝E[(X-m_x)(Y-m_y)]         (7)

m_x，m_y和σ_x,σ_y分别表示发送/接收样值的均值和均方差；

第三步，对通道接收端信号的幅度和频率进行参数估计：

对于直流通道，在通道的人机交互接口，每隔t产生一个固定的电平，在通道的输 出端，每隔Δt采样获得当前的电平值，在每段电平采样序列中选择中间段的电平值进行 平均，作为直流通道幅度的估计值，令每段电平采样序列有n个采样值，其中：

n=t/Δt            (8)

选择第(n*0.4取整)个到第(n*0.6取整)个电平累加后求均值；

对于交流通道，根据输入信号的信噪比(SNR)选择不同的幅度、频率的估计方法： 在高信噪比条件下，先用过零检测的方法求取三角波的周期T，再对该周期内的三角波 幅度的绝对值求平均得到均值E，利用幅值A＝2*E的关系对幅度做出估计；而在低信噪 比条件下，则需通过求取自相关函数的方法对三角波的幅度做出估计。

本发明的系统工作流程如下：

待测设备接通电源正常工作，信号模拟产生模块产生高精度的直流基准信号对待测 设备各个直流及交流通道进行标定，生成标定数据电子数据表格并计算传输方程系数。 标定系统的仪器网络连线图如图2所示。

标定系统的精度要求比较高，所以每次系统只同时进行一个通道的标定。标定系统 的硬件工作流程为：遥测设备通电正常工作，数据采集切换开关内部万用表与开关系统 断开连接，在发送工控机的控制命令下，信号模拟系统根据用户的设置产生高精度的直 流信号，经过切换开关的切换，信号经由电连接插头进入遥测设备的待标定通道，信号 经过遥测设备通道输出后，通过加载至天线发送出去，接收天线接收无线传输信号至数 据采集卡，采集卡将所采集的数据传送给接收工控机。接收工控机将基准信号的数据和 接收信号的数据收集起来，并进行标定算法处理和方程式拟合，计算出一系列用户需要 的数据进行存储，存储完毕以后系统继续第二个通道的标定，如此往复，直至用户选择 的通道全部标定结束。

本发明的软件总体设计如下：

测试系统软件的具体功能是根据数据的流向调用各种软件功能模块来实现，根据数 据流向而确定软件各个模块，据此来设计系统有助于提高软件功能模块设计时的效率， 同时保证系统稳定性和有效性。本文为满足标定系统功能需求及系统模块化的要求，根 据数据流向确定系统的模块划分，如图3所示。图中，左边竖行为标定软件系统模块， 中间部分为功能化操作，箭头表示数据流向。由图所示，系统依次完成系统配置、标定 流程、仪器控制、数据处理和数据存储功能。为保证系统的通用性，系统的数据存储与 系统控制软件分开，避免编程混乱造成数据丢失。

软件工作原理如图4，其工作流程如下：

用户在系统完成自检后，选择不同的标定模式：

自动多通道标定模式:用户选择自动多通道标定模式，则软件进入自动标定主界面，用 户选择需自动标定的通道，并对各通道的参数进行设置，设置完成后系统进行自动标定 并生成标定数据表格；生成表格后由用户选择载入标定的数据文件，进行单个通道的复 播，查看结果是否正确，完成标定流程。

(2)自动单通道标定模式：用户选择手动标定模式，选择需要标定的单个通道， 对该通道的参数进行设置，设置完成后开始标定，并生成拟合曲线，将结果存入数据表 格；生成表格后由用户选择载入标定的数据文件，进行单个通道的复播，查看结果是否 正确，完成标定流程。

标定软件的算法设计如下：

本系统采用了实验标定法，发送端发送一系列特定测试信号，通过接收端信号幅值 的变化来估计传递函数及其它相关参数。假设发送端和接收端信号的样值分别为，

X＝x₁,x₂,...,x_N       (1)

Y＝y₁,y₂,...,y_N       (2)

通过曲线逆合可以获得该通道传递函数的多项表达式f(x)

f(x)＝k₃x³+k₂x²+k₁x+k₀＝y   (3)

当系统进行传输精度测试时，就可以利用下式对接收信号进行补偿，

$\hat{x}=f^{-1}(y,k_0,k_1,k_2,k_3)---\left(4\right)$

其中，k₀,k₁,k₂,k₃表示传输系数。

由于实际遥测通道传输特性大多为线性，还需估计标准偏差Δ和相关系数ρ，

$\Delta =\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{[y_i-f\left(x_i\right)]}^2}---\left(5\right)$

$\rho =\frac{C_{\mathrm{XY}}}{{\sigma }_x{\sigma }_y}---\left(6\right)$

其中C_XY＝E[(X-m_x)(Y-m_y)]     (7)

m_x，m_y和σ_x,σ_y分别表示发送/接收样值的均值和均方差。

为了获得通道的传递函数，需要对通道接收端信号的幅度和频率进行参数估计。对 于不同类型的测试信号，需要采用不同的幅度和频率的估计方法。

对于直流通道，在通道的接受端只需对输出信号的幅度进行估计。在通道的人机交 互接口，每隔t产生一个固定的电平，在通道的输出端，每隔Δt采样获得当前的电平值。 考虑到每一级电平跳变时会产生毛刺等现象，为减少幅度估计的误差，在每段电平采样 序列中选择中间段的电平值进行平均，作为直流通道幅度的估计值。设每段电平采样序 列有n个采样值，其中：

n=t/Δt       (8)

选择第n*0.4(取整)个到第n*0.6(取整)个电平累加后求均值。

交流通道幅度和频率估计则应根据输入信号的信噪比SNR选择不同的幅度，频率的 估计方法。以三角波为例，在高信噪比条件下，先用过零检测的方法求取三角波的周期 T，再对该周期内的三角波幅度的绝对值求平均得到均值E，利用幅值A＝2*E的关系对幅 度做出估计。而在低信噪比条件下，则需通过求取自相关函数的方法对三角波的幅度做 出估计。

测试结果：

如图5，图6所示为输入信号频率1KHz，输出采样频率为20KHz时，正弦波，方波， 三角波使用幅频估计算法获得的幅度和频率的估计值与真实值的误差。

如图7所示，为某遥测设备第18通道的接口电路：则为5点标定下某个遥测通道 的4阶多项式拟合的曲线和标定结果。该结果能准确的反映通道的传递函数，人机交互 接口信号与输出端信号的相关性极高，均方误差低。

由该电路图可知，其理论的传输方程与补偿系数方程如下：

$y=\frac{1}{5.7}x,\hat{x}=5.7y---\left(10\right)$

而系统通过标定获得该通道的实际补偿方程为：

$\hat{x}={0.02y}^3-{0.03y}^2+5.70y+0.12---\left(11\right)$

测得该通道的相关系数ρ＝0.9999，标准均方差Δ＝1.98e-12。

本发明对各传输通道的直流，交流传输特性进行多点测试标定，方案如下：在待标 定系统的人机交互接口输入基准信号作为激励源，在接收端通过数据分析处理的方法估 计出输出信号。直流通道传输系数的估计方法：在通道的人机交互接口，每隔t产生一 个固定的电平，在通道的输出端，每隔Δt采样获得当前的电平值。考虑到每一级电平 跳变时会产生毛刺等现象，为减少幅度估计的误差，在每段电平采样序列中选择中段的 电平值进行平均作为直流通道幅度的估计值。设每段电平采样序列有n个采样值，其中：

n=t/Δt            (1)

选择第n*0.4(取整)个到第n*0.6(取整)个电平累加后求均值。交流通道传输 系数的估计则根据所加的信号类型不同，使用过零检测提取信号的频率，用峰值检测或 者自相关函数的方法对幅度进行估计。在估计完成后将输出信号与人机交互接口输入的 基准信号作比较，拟合传输曲线，并计算出系统传递函数和传输精度，生成数据表格来 记录各通道传输数据和特性函数。该系统在工作时可分为单通道标定和用户选择多通道 的自动标定两种模式。用户可在单通道手动标定完成后查看当前标定通道的拟合曲线与 不同拟合阶数下的标定误差。在完成用户选择的若干通道的自动标定后，可通过载入标 定历史数据文件的方式查看相应通道的标定数据和拟合曲线图，验证标定的结果是否正 确。

本发明通过数据分析处理的方法估计出输出信号。将输出信号与人机交互接口输入 的基准信号作比较，拟合传输曲线，并计算出系统传递函数和传输精度，生成数据表格 来记录各通道传输数据和特性函数。

动态标定分为单通道手动标定和用户选择多通道的自动标定。用户可在单通道手动 标定完成后查看当前标定通道的拟合曲线与不同拟合阶数下的标定误差。在完成用户选 择的若干通道的自动标定后，可通过载入标定历史数据文件的方式查看相应通道的标定 数据和拟合曲线图，验证标定的结果是否正确。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。