基于LabVIEW的星用銣頻標(biāo)多通道時(shí)差數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)

范鳳軍，楊 正，祁士青

（上海精密計(jì)量測試研究所，上海 201109）

0 引言

時(shí)間頻率計(jì)量是研究周期運(yùn)動(dòng)或周期現(xiàn)象的特性和量的表征及測量的一門學(xué)科，時(shí)間和頻率又是周期運(yùn)動(dòng)及其屬性的不同側(cè)面描述和表征［1］。近年來，基于時(shí)間間隔測量原理的時(shí)差法因其簡便而在長期頻率特性測量中的應(yīng)用日趨普及和廣泛。

星用銣頻標(biāo)是衛(wèi)星飛行和測控的時(shí)間基準(zhǔn)，它與導(dǎo)航定位、目標(biāo)探測密切相關(guān)，是衛(wèi)星的關(guān)鍵儀器設(shè)備［2］。日頻率漂移率是星用銣頻標(biāo)長期運(yùn)行工作的基本特性。隨著衛(wèi)星研制的發(fā)展，需要對多臺(tái)星用銣頻標(biāo)同時(shí)進(jìn)行測量。如采用單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每臺(tái)每天需采集數(shù)據(jù)780個(gè)，連續(xù)測量16臺(tái)銣頻標(biāo)則需要15d，采集數(shù)據(jù)187 200個(gè)，且兩天間的測量間隔無法準(zhǔn)確保證。采用多通道時(shí)差數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)星用銣頻標(biāo)的快速測量，該系統(tǒng)的關(guān)鍵是通過脈沖多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)多路秒信號(hào)時(shí)差數(shù)據(jù)的自動(dòng)定時(shí)采集，因測量時(shí)間持續(xù)15d，故對其可靠性提出了嚴(yán)格的要求。本文對利用計(jì)算機(jī)分析軟件和測量儀器程控功能的星用銣頻標(biāo)多通道時(shí)差數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 硬件系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室已有的硬件設(shè)備，添置部分設(shè)備，編制一套時(shí)差數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集軟件實(shí)現(xiàn)16臺(tái)星用銣頻標(biāo)長期頻率特性的同時(shí)測量。

星用銣頻標(biāo)多通道時(shí)差數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)參考源、被校星用銣頻標(biāo)秒信號(hào)脈沖多路開關(guān)和數(shù)據(jù)采集處理三部分組成。標(biāo)準(zhǔn)參考源為時(shí)間頻率實(shí)驗(yàn)室已有的氫鐘；分頻鐘輸出被校星用銣頻標(biāo)產(chǎn)生1個(gè)秒信號(hào)；計(jì)算機(jī)程控分析軟件程控脈沖多路開關(guān)和時(shí)差數(shù)據(jù)采集器，進(jìn)行通道切換和時(shí)差數(shù)據(jù)的采集及處理。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System block diagram

與單通道測試相比，多通道時(shí)差數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)增加了脈沖多路開關(guān)和若干分頻鐘。時(shí)差數(shù)據(jù)采集器的一路信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)參考源產(chǎn)生的1個(gè)秒信號(hào)，另一路信號(hào)是被校星用銣頻標(biāo)通過脈沖多路開關(guān)提供的1個(gè)秒信號(hào)，計(jì)算機(jī)程控分析軟件控制時(shí)差數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行時(shí)差數(shù)據(jù)的采集、處理和保存，每天可連續(xù)測量16臺(tái)被校星用銣頻標(biāo)的時(shí)差數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

本系統(tǒng)利用本地鐘1個(gè)秒信號(hào)作為參考，時(shí)差數(shù)據(jù)采集器從設(shè)定的比對時(shí)刻開始，每秒測量1次與星用銣頻標(biāo)1個(gè)秒信號(hào)的時(shí)差值Y（ti），連續(xù)采集測量13min，得到測量值780個(gè)（i＝1，2，…，n，…，780），在用最小二乘法算法處理數(shù)據(jù)。

將780個(gè)測量值分為52組，每組15s的數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行二次項(xiàng)擬合（j＝1，2，…，m，…，15），擬合方程為

式中：a，b，c均為待定系數(shù)。用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定方程中的待定系數(shù)，可計(jì)算出該測量時(shí)間段中點(diǎn)的擬合值Y（t8），共得到52個(gè)時(shí)差擬合值Y（tk），再次進(jìn)行最小二乘法線性擬合（k＝1，2，…，p，…，52）可得

經(jīng)過上述對時(shí)差數(shù)據(jù)的處理，可獲得被校銣頻標(biāo)某一天的時(shí)差測量結(jié)果。對被校銣頻標(biāo)連續(xù)測量15d，得到16個(gè)時(shí)差值Xi，相鄰兩個(gè)Xi的時(shí)間間隔τ＝1d，則被校銣頻標(biāo)日頻率漂移率

｜r｜≥0.6時(shí)，表明該被校銣頻標(biāo)輸出頻率隨時(shí)間具明顯的單向性。

3 軟件設(shè)計(jì)

選擇 LabVIEW 作為開發(fā)平臺(tái)［3－5］。軟件流程如圖2所示。

圖2 軟件流程Fig.2 Software flowchart

軟件架構(gòu)如圖3所示。基于LabVIEW平臺(tái)的程控軟件采用模塊化方式編寫，將控制程序劃分為7個(gè)模塊，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)部分功能，由主控模塊在高層管理并調(diào)度各子模塊工作，實(shí)現(xiàn)參數(shù)控制與數(shù)據(jù)讀取、顯示、處理、保存等功能。

圖3 軟件架構(gòu)Fig.3 Software frame

a）主控模塊

完成儀器的初始化，通過與其他模塊的通信觸發(fā)各模塊工作，調(diào)度各模塊的執(zhí)行，當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束后，釋放資源，關(guān)閉設(shè)備。

b）參數(shù)控制模塊

完成各種復(fù)雜的測量。參數(shù)控制模塊在程序面板上提供各種設(shè)置選項(xiàng)替代儀器面板上的菜單設(shè)置。

c）數(shù)據(jù)讀取模塊

將儀器產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算機(jī)，是完成程序與儀器數(shù)據(jù)交互的核心過程。

d）數(shù)據(jù)顯示模塊

通過LabVIEW的圖形化功能實(shí)時(shí)顯示采集到的時(shí)差數(shù)據(jù)。

e）數(shù)據(jù)處理模塊

通過LabVIEW內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理子程序完成對測量結(jié)果的處理，并讀取結(jié)果。

f）數(shù)據(jù)記錄模塊

對儀器功能進(jìn)行擴(kuò)展，將測量結(jié)果存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)磁盤中，便于日后分析處理。

g）錯(cuò)誤處理模塊

確認(rèn)儀器工作狀態(tài)是否發(fā)生故障，當(dāng)有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，返回儀器內(nèi)置的錯(cuò)誤編號(hào)和錯(cuò)誤描述，從程序界面顯示通知用戶。

星用銣頻標(biāo)日頻率漂移率測量流程如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證星用銣頻標(biāo)多通道時(shí)差數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的性能，選用一臺(tái)銣鐘作為被測對象，用本系統(tǒng)和傳統(tǒng)手動(dòng)測試同時(shí)進(jìn)行兩組測試實(shí)驗(yàn)，測量時(shí)間15d，時(shí)差測試結(jié)果見表1。

圖4 日頻率漂移率流程Fig.4 Daily frequency drift flowchart

表1 兩組測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Two groups of experiment data

對自動(dòng)和手動(dòng)兩種測試方法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得被校銣頻標(biāo)日頻率漂移率分別為

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果可知：本自動(dòng)測試系統(tǒng)與傳統(tǒng)手動(dòng)測量的結(jié)果一致，符合要求。自動(dòng)測試系統(tǒng)的本底采用標(biāo)準(zhǔn)參考源的1個(gè)秒信號(hào)進(jìn)行時(shí)差測量，連續(xù)測量28d的結(jié)果為－2.0×10－14。

5 結(jié)束語

本文利用LabVIEW平臺(tái)搭建了一套多通道時(shí)差數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)星用銣頻標(biāo)長期頻率特性的同時(shí)測量。另外，該自動(dòng)測量系統(tǒng)還用LabSQL數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)實(shí)現(xiàn)了時(shí)差數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、分析與處理。實(shí)驗(yàn)表明：多通道時(shí)差數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，穩(wěn)定可靠，完全滿足衛(wèi)星型號(hào)研制的需求。

［1］ 李宗揚(yáng).時(shí)間頻率計(jì)量［M］.北京：原子能出版社，2002.

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［3］ 楊樂平.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

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