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1、 面 本科毕业论文题 目：基于绳牵引并联机构的绳拉力测量数据采集系统姓 名：刘洪淼学 院：物理与机电工程学院系 别：航空系专 业：飞行器动力工程年 级：2008级学 号：19920082203607指导教师（校内）：林麒 职称：教授 2012年 6月 摘 要 本文提出了基于绳牵引并联支撑系统中飞机模型风洞实验的测力方法，并从硬件设计及软件设计两方面对测力系统进行构建。 所做的主要工作如下： 首先，根据飞机模型风洞试验测力的要求和拉力传感器的特点，搭建测力系统的硬件平台，包括直流电源的选取、传感器的选用、制作放大器、制作端子板，正确安装数据采集卡等。 其次，构建测力系统的软件平台，依据AD750
2、1数据采集卡的工作原理，运用Visual Basic软件设计了与本测量系统硬件相匹配的数据采集及处理程序。 最后，建立飞机模型风洞试验的数据采集系统，包括通过实验确定牵引绳的应力应变曲线，选出强度、弹性形变范围及弹性模量符合实验要求的牵引绳；对拉力传感器进行标定，建立各牵引绳拉力与传感器输出信号的对应关系。 关键词： 绳牵引并联机构 测力系统 平台搭建 传感器标定ABSTRACTTo calculate model plane wind tunnel test of air power load, we need to know is drawing rope pulling force. D
3、ata acquisition is the key, the data means the appearance of the experiment result, the data is correct or not directly affect the test object air dynamics the correctness of design. This paper puts the method of force measurement based on the rope traction parallel support systems experiment model,
4、 I will build two parts of the force measurement system, hardware and software. This article mainly as follows: First of all, set up the force measurement system hardware platform, it includes dc power selection, the selection of sensor, making terminal board, installation data acquisition card corr
5、ectly. Second, build the software platform force measurement system, based on the working principle of AD7501 data acquisition card, design the hardware system of matching data collection and processing procedures with the Visual Basic software. Finally, the force measurement system will be accurate
6、 calibration, including the drawing rope of elastic modulus measurements, and choose strength enough, in force range for elastic deformation and linear as drawing rope; Sensor calibration, establish the drawing rope tension sensor output signal and the corresponding function relation. Key Words: Wir
7、edriven Parallel Manipulator Force Measuring System Construction platform Sensor calibration.目 录 封 面I摘 要IABSTRACTII目 录III引 言1第一章测力系统的硬件组成31.1 测力系统简介31.2 传感器的选用31.3 放大器的制作41.3.1放大器部分51.3.1.1单级放大器51.3.1.2 二级放大电路61.3.1.3仪表放大器电路71.3.2 滤波器部分81.4 数据采集卡121.5 端子板及电源131.6 本章小结14第二章 测力系统的软件部份152.1 数据采集卡的正确安装与
8、驱动152.2 软件的开发方式152.2.1软件功能162.2.2采集程序算法的设计172.2.3采集程序的实现182.3 本章小结20第三章 测力系统的标定213.1 传感器标定213.1.1 标定方法213.1.2 标定结果223.2 牵引绳的弹性模量测量263.2.1 绳力学性能实验263.2.2绳拉力实验数据分析273.2.2.1 绳弹性模量的计算273.2.2.2 绳的拉伸曲线283.3 本章小结29第四章 总结与展望304.1 总结304.2 展望30参考文献32致 谢33引 言 数据采集系统负责将来自天平或拉力传感器等测量系统的电信号转化成数据，通过多通道数据采集板把传感器送出的
9、模拟信号转化成数字信号送计算机存储。风洞试验的主要目的是要获取飞机模型的各种空气动力参数的变化规律。评价每一种飞行器的飞行性能，除了如速度、高度，飞机重量及发动机推力等要素外，最重要的标准之一是飞行器的空气动力性能。因此，如何通过风洞吹风试验对模型气动载荷进行有效、精确的测量是航空航天科研工作人员致力解决的问题。目前在风洞试验中对模型气动载荷的测量主要是采用风洞天平。风洞天平是测力试验中最重要的测量装置，它将作用在模型上的空气动力载荷(力和力矩)沿三个互相垂直的坐标轴方向分解并精确地测量其大小、方向及作用点。天平性能的优势对风洞测力试验结果的可靠性有着重要的影响，因此风洞天平，除了要求有足够的
10、测量精度和准度，对风洞流场干扰小和不影响模型气动外形外，还要求其具有结构简单、体积小、动态性能好、应用范围广和成本低等优点。气动载荷的测量方法根据其所使用的天平不同而不同。风洞天平根据其工作原理可分为机械天平、应变天平与压电天平等。(1)机械天平主要应用于低速风洞，常见有张线式和硬架式两种。它根据零位测量原理，通过张线或拉杆，将作用在模型上的力和力矩沿预定的相互垂直的坐标系分解，各分量分别作用在预定平衡的几组杠杆上，根据重新调节到平衡状态的调节量的大小可获得模型上的力和力矩。(2)应变天平则应用较广且适用于各类风洞，它利用应变测量的原理，通过天平上的弹性元件表面的应变，用应变计组成的惠斯顿电桥
11、来测量作用在模型上的空气动力载荷。(3)压电天平是利用压电材料(如石英晶体、压电陶瓷)受力后在其表面产生极性相反、电量相等的电荷，且电荷量的值与受力的大小成正比的电荷效应原理来测量作用在模型上的空气动力载荷。它主要用在脉冲型风洞的模型测力试验。然而以上这些风洞天平的研究大多是基于传统的硬式支撑的平台，并且价格昂贵。因为绳牵引并联机构应用于风洞试验是一个新兴的概念，其应用还处于探索阶段。目前能查阅到的文献主要集中在数学模型构建、运动及姿态控制、工作空间分析的理论研究阶段1-7。因此，研究基于绳牵引并联机构支撑的低速风洞模型气动载荷的测量方法是将其推广至实际应用的必要步骤，非常有意义。根据绳牵引并
12、联机构支撑的特点和基本理论，首先对机构进行静力学分析，设计和构建牵引绳系拉力的数据采集系统，主要包括测力传感器、电源电路及接口卡等硬件的选用与制作，数据采集系统软件的设计与构建，测力系统的标定。飞行器模型吹风试验，完成试验数据的处理和分析，即可获得风洞试验所关心的模型各种气动载荷参数。本文的研究为绳牵引并联支撑系统模型气动载荷的测量提供了一种可行的方法，也为今后数据采集系统的改良及其深入研究提供了良好的借鉴并打下了坚实的基础。第一章 测力系统的硬件组成图1.1 测力系统硬件组成 传感器1传感器8传感器2放大器1放大器8放大器2端子板数据采集卡控制计算机直流电源1.1 测力系统简介The rel
13、ationship between hardware in system该硬件系统中各组件的相互关系如图1.1所示。建立测力系统的目的是将其用于测量绳牵引并联机构系统中各牵引绳的拉力大小，并通过数据采集卡及采集程序将所测量的拉力信号保存到计算机中，为后续风洞试验中模型气动参数的解算提供必要的实验数据。本文测力系统的主要硬件有拉力传感器、放大器、数据采集卡、端子板、直流电源及控制计算机。在该系统中直流电源为传感器阵列提供激励电源并保证变送器阵列处于正常工作状态，传感器将感测到的力变量转化为微弱的电压信号并输入到放大器；放大器对微弱的电信号进行放大调理以提高信号的带负载能力，并除去信号中夹杂的一些
14、随机干扰信号，使之符合数据采集卡的信号输入要求；放大调理后的各通道信号输入到端子板的对应接口端，并通过37芯D型电缆线传输到数据采集卡进行A/D转换，再传送到控制计算机中进行相关的处理。1.2 传感器的选用传感器是一种以一定的精确度把被测量物理量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。它一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。本文根据试验的实际要求提出了一个测力传感器配备一个独立放大滤波器的设计方案，并以物美价廉的原则选用了中航空气动力研究院生产的拉力传感器9，15，具有测量精度高、防尘好、体积小、使用方便、性价比高等特点，其主要技术指标如表1.1所示。表1.1
15、拉力传感器技术指标Sensor technology index技术参数单位技术指标额定载荷Kg24综合加载精度范围%0.050.09工作温度范围2070桥臂电阻350供桥电压VDC5最大载荷Kg30输出电压V-55表中传感器的额定载荷（即量程）为24Kg。本文选择这一量程的传感器主要从以下几方面来考虑：（a）在本课题的研究范围内牵引绳可能出现的最大拉力；（b）所用飞机模型能够承受的抗拉能力；（c）所用牵引绳的最大承载能力。由于飞机模型设计时安排了一个钢制机体支架，所有牵引绳的拉力均作用在该支架上，所以模型的结构强度在本文可能出现的最大绳拉力作用下不会出现问题。而牵引绳是可以根据其拉力要求来选
16、择的。所以在选择传感器时主要考虑牵引绳可能出现的最大拉力值。在绳牵引并联支撑系统中，虽然在进行风洞吹风试验和运动控制实验，特别是模型振荡控制实验时模型可能承受较大的作用力，但是这些作用力的反作用力是分散作用于八根绳上的，因此每根牵引绳承受的拉力是有限的。在对飞机模型进行各种运动仿真时，所求得的各牵引绳拉力均为在100N以内。基于以上各方面原因，本文选择量程为24Kg的传感器，可以满足要求。技术指标中的传感器信号输出电压范围为-55V，是指经过了放大调理后的信号输出。本文所采用的拉力传感器均配备有各自的放大器下面介绍放大器。1.3 放大器的制作在制作放大滤波电路时选取了两种芯片作为试验用芯片，首
17、先作简单介绍：1、TLC2652是德州仪器公司使用先进的LinCMOSTM工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。在TLC2652内部,有主放大器和较零放大器,内部时钟使放大器以450Hz的频率校零。在这种连续校零的机制下,失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到最小。由于使用了LinCMOS工艺和低噪声的MOS-FET,输入噪声被大大减小,TLC2652非常适合用于微弱信号的放大。2、op07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路,由于op07具有非常低的输入失调电压，所以很多场合op07不需要额外的调零措施，此外op07还具有偏置电流低和开
18、环增益高的特点，这低失调、高开环增益的特性使得op07特别适合用于高增益的测量设备和放大传感器的微软信号方面。1.3.1放大器部分在工程实践中有时需要处理一些微弱信号，本文中传感器所产生的信号即为微伏级。为了使传感器产生的微弱信号易读取，首先必须能够有效取得这些信号，通常这些微弱信号都含有各种噪声和干扰，为了提取有用信号和便于后级处理，通常要对该微弱信号进行放大和滤波。为了确保实验效果可靠，制作了几种微伏信号放大系统，它可以将微伏级的电信号放大为伏特级信号，实验进行比对，取实验效果最好的电路为数据采集系统服务。1.3.1.1单级放大器图 1.2 单级放大电路Single stage Ampli
19、fier circuit经过实验验证发现，单级放大电路具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号，并且电路简单，易于集成在一个电路上，但放大倍数有限，并且有零点漂移现象，对于微伏信号它不能很好的滤波，波形失真严重。 图1.2为设计的单级放大电路图。1.3.1.2 二级放大电路图1.3 二级放大电路Two stage Amplifier circuit放大电路采用二级放大形式，在设计该放大电路中， 采用两级级联放大：第一级选择高精度斩波稳零运算放大器TLC2652作为小信号的放大。第二级主要由运放OP07构成。第一级放大电路中C1、C2用来滤除信号上的高频噪音,记忆元件C4和C5使用绝缘电阻很高
20、的聚酯薄膜器,TLC2652在作直流微弱信号放大时, 为了进一步减少交流信号干扰, 在输出端加接一个低通滤波电容C6 , 用以滤除输出信号中的交流成分, 使输出信号更加平稳；第一级理论放大倍数为b=R3/R1=30k/1k=30倍。第二级放大电路完成信号的二次放大和低通滤波的作用，图中运放OP07构成了反相放大电路, U1是经TLC2652放大之后的电压, 理论上此放大电路的放大倍数为b= R 6/ R4 = 330k/ 1k= 330倍。C8 、R6 构成RC低通滤波网络, 管脚7和4分别接一个0.1uF的瓷片电容, 用来滤除高频成分。为了减少失调电流3脚接R5 。虽然此电路在理论中或是在电
21、路仿真软件上模拟的效果都符合要求，表现稳定，但在实际使用中我们发现，此放大器波形失真比较严重，实际放大倍数与理论相差比较大，所以不适合选作实验用。1.3.1.3仪表放大器电路图1.4 仪表放大器电路结构图Theprinciple of instrumentation amplifier仪表放大器电路的典型结构如图1.4所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得
22、到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1.4电路的增益为：G=(1+2R1Rg)(RfR3)。这种电路有两大优点：一是以差分增益可以通过仅改变RG进行调整；二是一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG（也就无电流流过R5和R6），放
23、大器A1和A2将作为单位增益跟随器而工作。因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按1（2 RF/RG）的增益系数被放大。这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了1（2 RF/RG）倍！由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差，如果它们跟踪，将被输出级的减法器消除。这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。在理论上表明，用户可以得到所要求的前端增益（由RG来决定），而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率增益（差分输入电压）/（共模误差电压）将增大。仪表放大器电路实现方案: 目前，仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由分
24、立元件组合而成；另一类由单片集成芯片直接实现.现采取由3个通用型运放op07组成三运放仪表放大器电路形式，辅以相关的电阻外围电路，加上A1，A2同相输入端的桥式信号输入电路，设计电路如下：图1.5 仪表放大器电路The circuit of instrumentation amplifier 验证阶段，焊接好电路板后，运行并使用示波器等测量，发现仪表放大器失真小，并且放大倍数符合要求，放大后波形稳定，遂选用仪表放大器。1.3.2 滤波器部分滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置, 在信息处理、数据传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛。滤波一般可分为有源滤波和
25、无源滤波, 有源滤波可以使幅频特性比较陡峭, 而无源滤波设计简单易行, 但幅频特性不如有源滤波器, 而且体积较大。从滤波器阶数可分为一阶和高阶, 阶数越高, 幅频特性越陡峭。高阶滤波器通常可由一阶和二阶滤波器级联而成。采用集成运放构成的RC有源滤波器具有输入阻抗高,输出阻抗低, 可提供一定增益, 截止频率可调等特点。低通有源滤波器的种类很多。一阶LPF电路的结构简单, 但其幅频特性的最大衰减斜率只有- 20dB/10倍频, 因此它的选择性差。高阶的LPF有更大的衰减斜率, 但电路结构和设计过程都比较复杂。从实际应用的角度来看, 二阶压控电压源低通滤波器是最佳选择, 它具有- 40dB/10倍频
26、的衰减速度, 电路结构又不太复杂, 实现起来又比较容易。所以选用单位增益二阶压控电压源低通滤波器，其原理图如图1.6所示：图1.6 单位增益压控电压源低通滤波器原理图Theprinciple of the low-pass filter此电路只用了一个集成运放, 通过适当地选择C1、C2、R1、R2 的值, 我们可以得到二阶的Bessel、Butterworth和Chebyshev滤波器。通过查找文献资料，以及对通带截止频率等要求的对比计算，选定C1、C2分别为0.47F，R1、R2 分别为200k。设计电路如图1.7：图1.7 滤波电路The circuit of the low-pass
27、filter用multisim软件仿真滤波结果可行。拉力传感器均配备有各自的放大器，该放大器具有零点、增益可调。将放大器电路与滤波电路连接制成放大滤波电路，其PCB布线图1.8 ： 图1.8 放大滤波电路的PCB布线图The PCB wiring diagram of amplification filter circuit 放大滤波电路公式：放大倍数 （1-1）放大倍数 （1-2）总放大倍数A=A1*A250020000 （1-3）截止频率 （1-4）拉力传感器与放大器之间通过专用的屏蔽线和接线端子进行连接以提高信号的抗干扰能力，保证信号稳定、高保真传输。其中放大器的输出端为六线制，在与端子
28、板和电源模块进行接线时须注意区分各功能线的连接。图1.9是制作的送放大盒，1.10为正确连接的拉力传感器及放大器：图1.9 放大器盒The amplifier box图1.10 拉力传感器与放大器连接The sensor connect with the amplifier1.4 数据采集卡数据采集技术与传感器信号处理和计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。通过对信号的检测、处理、控制与管理实现测、处、控、管一体化。当今，高速数据采集技术已在雷达、通讯、水声遥测、遥感地震勘测、振动工程、无损检测、智能仪器、科学试验等各个方面得到了广泛的应用10。其中，数据采集部分越来越趋向于使用硬件板卡，而
29、数据分析则要借助于计算机软件技术。一般说来，数据采集卡作为虚拟仪器的核心设备，其主要功能有三：一是由衰减器和增益可控放大器进行量程自动变换；二是由多路转换器（MUX）完成对多点多通道信号的分时采样；三是将信号的采样值由A/D转换器转换为脉冲频率，以适应计算机工作，或者由D/A转换器输出控制信号。图1.10 数据采集卡AD7501数据采集卡是本文测力系统构建的关键硬件。由于实验室中已有一张北京瑞博华公司出品的AD7501数据采集卡，因此本文直接在AD7501板的基础上进行开发。Data acquisition card AD7501AD7501数据采集卡是种基于PCI总线的数据采集卡。如图1.1
30、0所示。它支持PCI2.2协议，PCI总线宽度为32位，同步工作频率可达33MHz。最高传输速率为133MB/S，能够实现中断号的自动配置，实现设备的即插即用。该卡通过硬件实现的通道自动切换技术、FIFO存储技术、高速高精度AD芯片、高速高精度的放大器、精心的布线以及优良的制版工艺等，实现了高速、高精度实时数据采集。它具有16通道同步数据采集、12位AD分辨率、最高600K的采样频率，AD转换非线性误差为0.5LSB(least significant bit，最小可分辨信号)、可选择多种采样方式等特点。其输入电压范围为-5V到+5V或0到10V，输入阻抗为10兆欧，采用DB37孔式接头。允许
31、工作温度范围为0到700。在实际使用中，只需要根据其提供的采集函数在Visual Basic里面编写相应的程序即可进行数据采集，能较好地符合要求。1.5 端子板及电源AD750I数据采集卡采用的是DB37孔式接头，其与外界信号的输入须采用对应的37芯D型头电缆线。由于本文测力系统中采用八个独立的传感器及对应变送器来实现对八根牵引绳拉力变化的监视，因此，八个传感器信号输出线并不能直接与数据采集卡连接，而须对各通道进行合理的规划，统一对信号线进行布局，并通过电路板集成于标准的DB37接头。本文所使用的端子板正是传感器信号输出与数据采集卡信号输入的接口集成板。它分为信号输入端子部分和信号输出电缆接头
32、部分。传感器和变送器的正常工作需要有合适的激励电源。激励电源是否稳定、可靠直接关系到数据采集的精确性和稳定性。我们选用LM7812/LM7912构成的双极性对称稳压电源为放大滤波电路供电，7812/7912构成的双极性对称稳压电源具有输出电压稳定、输出噪音电压小等特点。根据所选购的传感器性能说明书的规定，本文使用的各传感器的额定激励电源均为5V直流电源。该5V直流电源可以由绳牵引并联支撑系统的运动控制柜里的电源模块直接供给，因为在设计制作控制柜时己考虑为配套的各测量装置提供稳定可靠的直流电源的功能。但由于控制柜已经安放在绳牵引并联机构样机的下方，且其体积较大，较笨重，不便搬动；而测力系统组建的
33、过程中常常需要对各部件在不同情况下进行移动、调试。由于在调试的过程中出现过传感器超载的情况，按照生产厂家的指导，为传感器供电的激励电源应稍小于传感器的设计值，采用电压为3.3V的AMS1117-3.3电源作为传感器的激励电源，将制作好的端子板与激励电源供电板置于同一个设备盒中，连接好线路后如图1.11所示。图1.11 端子板与激励电源Terminal board and incentive power1.6 本章小结在本章中，构建了测力系统，选定试验所需的拉力传感器及数据采集卡，规划测力系统各硬件组成功能及联系；对八个通道的传感器信号线进行统一规划布局，并根据采集卡接口孔脚的定义，利用端子板将
34、各通道的传感器信号与采集卡的通道接口一一对应。设计并制作了三种微伏信号放大系统，它们可以将微伏级的电信号放大为伏特级信号，在实际应用中检验了单级放大电路、二级放大电路和仪表放大电路的优点及缺点，最后选取失真小、放大倍数大的仪表放大器。选取了单位增益二阶压控电压源低通滤波器为系统滤波。第二章 测力系统的软件部份上面介绍了整个测力系统的硬件组成以及对各个部分的功能、用途和各个部分之间的联系。通过上述的硬件系统，已经能取得所需要的信号了，但单纯的硬件系统并不能达到测力的目标，还需要有软件系统来实现对采集信号进行控制、处理与分析。硬件系统代表的是整个系统的外壳而软件系统则是整个系统的大脑；硬件系统的各
35、个子系统之间都需要有软件系统来协调和连接，硬件是软件赖以工作的物质基础，同时软件的正常工作是硬件发挥作用的主要途径，硬件系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作且充分发挥其硬件的各种功能。因此，本节依据AD7501数据采集卡的工作原理，着重介绍与本硬件系统相匹配的数据采集及处理程序的设计。2.1 数据采集卡的正确安装与驱动本文所使用的北京瑞博华数据采集卡AD7501是一种基于PCI数据总线的数据采集卡，它给出了Win95/Win99/Win2000/WiIlNT等不同环境下的安装方式及相关驱动程序，因此它可以方便地插装在任何一台具有PCI插槽的计算机上。具体安装时，将该采集卡按硬件要求插入计算
36、机的PCI槽中，并用螺钉固定，连接好外设后开机启动，如同其它计算机配件一样，只需要将采集卡所配套的光盘放入计算机的光盘驱动器中，系统就会自动提示发现新硬件并自动搜索安装驱动程序，只需按弹出的提示操作，系统便能自动装好驱动软件。若由于其它原因导致驱动无法自动安装或是丢失，采集卡也可以进行手动驱动。具体操作方法在AD7501的产品说明书里有详细介绍，不赘述。需要注意的是在安装时，不能动AD7501板上的电位器，否则可能引起信号采集不准确。另外，不允许带电插拔该采集卡，若有需要拆除采集卡时，必须首先关闭计算机并切断电源。2.2 软件的开发方式在实现了数据采集卡的正确安装及驱动后，便可以在允许的软件环
37、境中采用适当的开发方式编写有关数据采集、处理、分析、显示等应用程序来控制采集卡的正常工作并达到试验目的的要求。本文对测力系统采集程序的开发设计是在AD7501数据采集卡的厂家所提供的标准动态链接库文件adcard.dll的基础上进行。动态链接库（DLL）是一种基本于Windows的程序模块，它是在运行时刻被装入并链接的。动态链接库中只包含供应用程序运行时装入该DLL的有关信息，而并非是源代码的复制，因此使用动态链接库可以使多个应用程序之间共享代码和资源，从而提高程序运行效率。利用动态链接库（DLL）技术进行数据采集程序的开发设计，可以使用的开发工具有很多，如C语言、Visual C+、Visu
38、al Basic、LabView等。本文采用Visual Basic（以下简称VB）程序设计工具进行开发。VB是基于Windows平台的功能强大的应用程序开发工具，它具有如下特点：（a）具有面对对象的可视化设计工具；（b）采用事件驱动的编程机制；（c）提供了易学易用的应用程序集成开发环境；（d）是一种结构的程序设计语言；（e）支持多种数据库系统的访问等。同时VB对动态链接库的调用也十分简单，无论采用何种语言编写的DLL，其调用的方法都是一样的，在调用DLL之前，只需要在VB的窗体或模块的声明区中定义所要调用的函数即可，这也给本文的程序开发带来一定的便捷。2.2.1软件功能本文开发的数据采集软件
39、必须满足支撑系统风洞试验模型气动载荷测量的要求，编制相关的程序必须具有对各牵引绳拉力变化的数据进行实时采集、显示、保存等功能，从而为后续的飞机模型空气动力学参数的解算提供可靠的数据支持。因此，该软件的主要功能是协调硬件系统中各个子系统的工作，使硬件系统正常而且准确的工作，同时通过提取各通道传感器产生的电信号，实现对信号的分析与处理，并将机构中各牵引绳承受的拉力值在屏幕上表示出来。根据软件的主要功能，可以将程序大致分为以下几个模块：（1）系统参数设置模块，即采集卡初始化（2）数据采集模块（3）数据实时处理模块（4）数据保存模块根据以上几个主要模块，配合AD7501的工作方式，设计出了数据采集程序
40、，具体见附录。2.2.2采集程序算法的设计在通过采集卡得到传感器的信号之后，并不能直接得到所需要的牵引绳的拉力值，还需要对传感器信号进行一系列的处理。通过程序对信号进行处理从而得到所需变量的做法通常归为算法的设计，这其中包括对信号进行数据转换、数字平滑滤波等。下面本文将着重对数字滤波进行讨论。在采集卡采集传感器信号以及信号传递的过程中，不可避免会受到环境或硬件系统本身的干扰，使得实际得到的传感器电压信号和理论上的信号有一个偏差，而通常高斯白噪声和脉冲型噪声的干扰是系统产生随机误差的根源。虽然本文在对硬件系统进行构建时，采用独立变送器对各传感器信号进行隔离、滤波等处理，使传感器输出信号较好地降低
41、了高频干扰。但在对各通道传感器信号在端子板的输入端进行统一布线时，由于设计制作的原因，难免对信号产生一定影响。为了得到较稳定的信号，除了在硬件系统中对信号采取一定的抗干扰措施外，还可以通过软件对信号进行数字滤波处理，以进一步消除附加在数据中的各式各样的随机干扰。数字滤波处理方法8、13有很多种，以下对几种常见的滤波算法及本文实际采用的方法进行简要的介绍。（1）死区处理 从现场采集到的信号往往会在一定范围内不断地波动，或者说有频率高、能量不大的干扰叠加在信号上，这种情况往往出现在应用工控板卡（如本文所使用的数据采集卡）的场合。此时采集到的数据有效值的最后一位不停地波动，难以稳定。这种情况可以对波
42、动的数据值采取死区处理，即设置一个死区门限，只有当变化超出门限值时才认为该值发生了变化。实际编程中，可以先对数据除以一个基数，如10等，然后取整，去掉波动项，再反乘基数还原数据。（2）算术平均值法 在一个周期内的不同时间点取样，然后求其平均值，这便是最常见也最简单的算术平均值法。该方法可以有效消除周期性干扰。其数学表达式为：，其中n的选择须根据实际系统信号及干扰情况选取，太大会造成信号因过于平坦而失真，变化缓慢，太小了则会造成滤波平滑效果不明显。算术平均值滤波对频率较高与幅值不大的噪声，可在一定的程度上降低干扰，但对干扰成分较多、频率不太高的干扰滤波效果不好。（3）滑动平均滤波法 滑动平均滤波
43、是将测量数据边移动窗口边进行加权平均的一种数据处理方法，其基本原理是把采样序列中的一点的值，用该点邻域中各点值的平均值替代。对于采样序列，滑动平均滤波是这样定义的：若为采样序列,先计算从这个数据的和与平均值,该平均值即为经平滑处理后的第一个数据,记为。接着计算从这个数据的和与平均值,即从中减去再加上后除以，该平均值即为经平滑处理后的第2个数据,记为。依此类推,写成统一的计算公式可表示为: （2-1）将序列的所有平均值组成新序列,则序列即为经过滑动平均滤波处理后的数据序列。（4）防脉冲干扰平均值滤波 在脉冲干扰比较严重的场合，若采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果中去，故平均值法不易消
44、除由于脉冲干扰而引起的采样值偏差。防脉冲干扰平均值法先对N个数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N-2个数据的算术平均值。即：Y= (2-2) 其中，X（1）X（2）X（3）X（N），N3在实际应用中，N可取任何值，但为了加快测量计算速度，N一般不能太大，常取为4，即为四取二再取平均值法。他具有计算方便、速度快、存储量小等特点，故得到了广泛应用。采用数字滤波技术对数字进行平滑滤波的方法还有很多，以上几种是比较简单实用的滤波技术。在实际的使用中，我们追求计算方便，速度快等滤波性能。本文综合以上几种滤波算法的特点，结合简单、实用的要求，以达到满足试验要求为目标，选用滑动防脉冲干扰
45、平均值滤波。2.2.3采集程序的实现利用ADCard.dll动态链接库文件进行采集应用程序的编制时，首先必须在全局模块中对函数进行声明。例如，要调用采集卡的初始化程序，并配置相关参数，其声明程序代码为：Declare Function DllInitial Lib adcard.dll Alias _Initial16 (ByVal IOBase As Integer, ByVal IRQNum As Integer, ByVal PhysAddr As Long, ByVal DMAChn As Integer) As Long 该段代码声明了Initial() 初始化采集卡函数，并将其数据
46、类型定义为整型，若采集卡存在，且属性IOBase、IRQNum、PhysAddr正确时返回常数ADCard_Success，否则返回ADCard_Error(0)。用同样的方法可以实现对其它需要调用的函数进行声明。为了方便使用，AD7501数据采集卡厂家也提供了相应的DLLVB.bas文件，在实际操作时，只需将该文件导入到VB对应的工程模块中便完成了声明步骤。图2.1 应用程序用户界面完成了对各功能函数的声明后，便可以结合利用VB开发工具友好的图形用户界面设计和直观明了的事件驱动方法对采集软件的各功能模块进行设计开发。按照VB编程的一般方法，本文根据实际需求设计如图2.1的应用程序用户界面。A
47、pplication program interface图2.1界面的左上角为各通道的电压显示值，用于监视各通道传感器输出电压信号的变化。这里涉及到两个数据转换，传感器输出的电压模拟信号经过采集卡AD7501的模数转化后变为对应的数字信号，从而实现在计算机软件平台上的传递、分析处理与保存。但由于该卡转化的数字信号为二进制数，而我们希望得到的是十进制数，因此需要利用软件将其再转化为我们习惯接受的十进制数数位值，这在调用相关DLL函数时已实现自动转换。另一个数据转换是将十进制数数位值转换为对应的传感器电压值，转换后的电压值在图2.2的左上角显示出来。根据所使用的采集卡的参数可知，12位AD芯片，当量程设定为-5V至5V时，则最高电平5V对应的数位值为4095，0V时对应的数位值为204
