【深度】面向复杂混合信号的CPCI专用测试系统及其自动校准方法（下）

原创 2017-10-11 学术plus 学术plus

今日荐文

今日荐文的作者为哈尔滨工业大学自动化测试与控制研究所专家梁嘉倩，孟升卫，鲁文帅，付平，中国电子科学研究院专家鲁文帅。本篇节选自论文《面向复杂混合信号的CPCI专用测试系统及其自动校准方法》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第2期。本文为论文的后半部分。

摘要：面向多通道复杂混合信号的快速精确自动化测试需求，设计并实现了具有在线实时自动校准功能的CPCI总线专用组合测试系统。基于标准的CPCI总线J1/J2接口和扩展的后IO接口设计了专用信号调理模块和通用数据采集模块硬件，基于FPGA设计了测量转换时序与控制逻辑，基于LabVIEW环境开发了自动测试软件。基于Matlab研究了自适应的分段拟合校准算法，实现了系统在线实时自动校准，校准后直流、交流、频率测量精度误差分别达到1‰、2%和0.1‰。测试结果表明，基于分段三次多项式拟合的自动校准方法能够快速有效降低系统非线性导致的测量误差，整套系统满足面向密集信号的快速装备测试需求。

关键词: 测试系统；CPCI；自动校准；分段拟合

引言

武器装备测试是装备研发部署的重要组成环节，贯穿武器装备的整个生命周期，良好的装备测试能够有效保障武器的作战效能。随着信息化战争时代的到来，以精确制导武器为代表的现代军事装备对装备测试技术提出了更高要求。例如，长期存储的导弹在发射前，需要先在地面进行全面快速的通电测试，一次上电的短时间内即要确保动力、制导、火工等各组件功能完好，对即插即测的要求很高，依赖人工显然已无法满足这样的密集、实时、精确测试要求。以计算机和总线技术为核心的自动测试系统（Automatic Test System，ATS）逐渐成为支撑装备测试的使能技术。

自惠普公司牵头推出第一代自动测试系统以来，短短的30年时间内，自动测试系统已经历了GPIB、VME/VXI、CPCI/PXI、LXI、PXIe、AXIe时代，从测试数据带宽到集成度都显著提升。就当前市场份额而言，CPCI/PXI系统正处于商业市场的巅峰期，军品市场的上升期。与此同时，随着测试对象的演进升级，自动测试系统也面临着多方面的挑战。

第一，是密集复杂信号的测试需求，需要测试系统对多通道、多路数、多种类的测试信号同时测量，而信号本身也不仅限于基本测试信号，可能包含复杂的时变信号。
第二，是多通道的数据吞吐率需求，即要求测试系统能在短时间内完成高通量的测试信号检测。
第三，精确实时在线测试需求，即由自动校准代替人工校准，避免在测试系统校准过程中消耗大量的人力和时间，可以说，要做到即插即测，在线自动校准技术势在必行。
第四，灵活快速响应测试需求，即要求系统尺寸紧凑便携，系统构成灵活可变，能够针对测试对象特点进行调整。

本论文针对上面提出的自动测试系统在高密度、多通道、在线校准、灵活响应等四个方面面临的发展趋势和技术挑战，及某型号装备的特定测试需求，提出了基于CPCI总线的多通道组合式专用测量系统，采用专用调理模块与通用测量模块的组合的方式实现硬件灵活性和信号高密度，并在此系统上提出在线实时自动校准方法，解决快速校准和高精度测试的需求。

【深度】面向复杂混合信号的CPCI专用测试系统及其自动校准方法（上）

3. 测试与讨论

设计实现的多通道组合式专用测试系统实物图如图6所示。其中，专用直流信号调理模块、交流信号调理模块、时变信号调理模块如图6(a)-(c)所示，通用数据采集模块如图6(d)所示。组成的CPCI测试系统（含外部校准源）如图6(e)所示。

图6 设计实现的多通道组合专用CPCI测试系统

重点讨论测试系统的拟合校准方法。考虑到测试系统可能存在非线性，故仅仅采用线性拟合难以实现精确标定。为此基于Matlab工具研究不同的校准曲线和分段方式对校准结果的影响：比较使用线性拟合和三次多项式拟合对校准精度的影响，以及分段数为1段、2段、4段、8段的校准精度，以确定校准的阶数和段数。编程使外部校准源像测试系统输出-2500mV到2500mV步进变化的直流电压信号，并使用分段线性拟合校准和分段三次多项式校准方法，得到校准曲线图如图7所示。

图7 分段线性拟合和分段三次多项式拟合的校准曲线图

在图7(a)中可以看到，随着分段数的增加，使用线性拟合得到的拟合曲线逐渐平滑并逼近理想校准点；对比图7(a)和图7(b)可以看出，由于测试系统的非线性特征，在相同的分段数下，使用三次多项式拟合得到的曲线更加平滑和趋近理想校准点。

进一步比较分段线性拟合和分段三次多项式拟合在分段数从1到10变化过程中，校准误差的变化，结果如图8所示。由图8可以看出，随着分段数的增加，两种拟合方式的校准误差都在降低。

进一步对比两种拟合方式，分段三次多项式拟合的校准误差随着分段数的增加而表现出更快的下降趋势，当使用分段三次多项式拟合时，分段数达到5段即可使校准误差达到1‰以下；而当使用分段线性拟合时，在分段数为10段以内无法达到1‰以下。可见对于本测试系统的非线性特征，使用分段三次多项式拟合能够更有效的达到校准精度。

图8 分段线性拟合与分段三次多项式拟合的校准误差比较

4. 结语