CN111060146A - 一种多通道ad采集设备的自动标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多通道AD采集设备的自动标定系统，其中，包括：直流稳压电源，输出稳定的直流电压，用于AD采集设备的模拟量输入端的基准电压；高精度数字多用表，采集直流稳压电源的输出，在进行AD采集设备标定时用做实际采集的基准电压；多通道AD采集设备，通过PCI或者CPCI总线集成一块或者多块AD采集卡，能够提供多个模拟量的采集通道，每个采集通道的输入端与直流稳压电源进行连接，多通道AD采集设备的以太网口与直流稳压电源的远程网口使用以太网线相连接，多通道AD采集设备的通用RS232串口与高精度数字多用表的远程串口使用串口线相连接；多通道AD采集设备通过调节直流稳压电源的输出，配合高精度数字多用表的采集值和多通道AD的测量值，通过计算出每个AD测量通道的标定参数。

Description

一种多通道AD采集设备的自动标定系统

技术领域

本发明涉及一种测量误差的标定技术，尤其涉及一种多通道AD采集设备的测量误差标定系统。

背景技术

随着计算机技术和通信技术的快速发展，自动测量系统也在不断的创新和发展，其在医疗、国防、工业、军事等各个领域得到了广泛而普遍的使用。

在大多数测量系统中，待测信号一般通过传感器转换成模拟信号进行表示，如连续的电压值或者稳定的电流值。测量系统通过对实时模拟信号进行采集，然后转换成离散的数字量表示当前的信号状态。对于测量设备而言，更多的通道、更高的采样频率、更准确的采样精度一直是测量技术追求的关键技术。

近年来计算机技术的快速发展，不断推动着测量技术向前发展，测量设备的通道数、采样频率、采样精度几乎是指数级的增长，但是却忽略了测量设备的标定技术的发展，测量设备在不同的温度、湿度、压力下的测量精度会存在差异，在电路及外围器件处于不同的老化程度测量精度也会存在差异。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多通道AD采集设备的自动标定系统，用于解决上述现有技术的问题。

本发明一种多通道AD采集设备的自动标定系统，其中，包括：直流稳压电源，输出稳定的直流电压，用于AD采集设备的模拟量输入端的基准电压；高精度数字多用表，采集直流稳压电源的输出，在进行AD采集设备标定时用做实际采集的基准电压；多通道AD采集设备，通过PCI或者CPCI总线集成一块或者多块AD采集卡，能够提供多个模拟量的采集通道，每个采集通道的输入端与直流稳压电源进行连接，多通道AD采集设备的以太网口与直流稳压电源的远程网口使用以太网线相连接，多通道AD采集设备的通用RS232串口与高精度数字多用表的远程串口使用串口线相连接；多通道AD采集设备通过调节直流稳压电源的输出，配合高精度数字多用表的采集值和多通道AD的测量值，通过计算出每个AD测量通道的标定参数。

根据本发明的多通道AD采集设备的自动标定系统的一实施例，其中，多通道AD采集设备包括：基准电压输出单元，使用SOCEKT编程与直流稳压电源建立连接，使用SCPI可编程仪器标准命令控制直流稳压电源输出指定的电压值；基准电压测量单元，使用SOCEKT编程与高精度数字多用表建立连接，使用SCPI可编程仪器标准命令控制高精度数字多用表测量基准电压；模拟量采集单元，通过AD采集卡驱动软件提供的接口直接进行通道输入端口电压的测量；标定算法单元，通过电压测量区内多组数据的采集，使用最小二乘法或者增益误差法进行计算，得到拟合公式和参数；标定控制单元，根据标定软件界面用户的配置，进行任务分解，控制基准电压输出单元、基准电压测量单元、模拟量采集单元以及标定算法单元相互配合执行指定AD采集通道的标定。

根据本发明的多通道AD采集设备的自动标定系统的一实施例，其中，直流稳压电源与多通道AD采集设备建立网络连接以后，工作于远程模式，在该模式下直流稳压电源实时监听多通道AD采集设备发送的SCPI电压输出命令，用于调节直流电压的输出。

根据本发明的多通道AD采集设备的自动标定系统的一实施例，其中，高精度数字多用表与多通道AD采集设备建立串口连接以后，工作于远程模式，在该模式下为高精度数字多用表实时监听多通道AD采集设备发送的SCPI电压查询命令，并将测量的电压值通过串口反馈给AD采集设备。

根据本发明的多通道AD采集设备的自动标定系统的一实施例，其中，多通道AD采集设备通过PCI、CPCI和/或PCIE总线集成一个或多个AD采集板卡，通过以太网接口调节外部基准电压，通过串口精确地测量外部基准电压值，通过AD采集板卡驱动接口采集AD通道输入端的电压，通过分析和计算最终得到标定参数。

本发明一种利所述的自动标定系统的标定方法，其中，包括：步骤1，打开直流稳压电源，进行网络配置界面，设置网络地址模式为手动，输入网络详细配置；步骤2，打开高精度数字多用表，进入接口设置界面，设置接口为RS232，设定通信波特率；步骤3，打开多通道AD采集设备，进行网络配置界面，设置网络地址模式为手动，输入网络详细配置；步骤4，输入网络接口配置信息，在远程电压采集栏输入采集接口配置信息；在标定配置栏中输入标定配置，标定方法选定为最小二乘法；步骤5，记录拟合公式，为最终的标定结果。

本发明一种多通道AD采集设备的标定方法，其中，包括：步骤1，计算最大电压和最小电压，记做Vmax和Vmin；输入的电压调节次数，记做TCount；输入的远程电压测量滤波窗口宽度，记做Fa；输入的标定滤波窗口宽度，记做Fb；其中，电压调节次数是指从最小电压Vmin逐步调节电压至最大电压Vmax所需要的调节次数；步骤2，定义变量当前电压调节次数SmpCnt，表示当前已经进行电压调节的次数，设置初值为0，计算每次电压调节的步距Vdelta；其中，标定控制单元使用线性调节的方式进行电压调节，因此每次电压调节的步距的计算公式如下：

Vdelta＝(Vmax-Vmin)/Tcount；

步骤3，计算该次电压调节后应该输出的基准电压Vref，计算公式如下：

Vref＝Vmin+SmpCnt*Vdelta；

步骤4，输出基准电压Vref，确认直流稳压电源的当前输出电压已经稳定；

步骤5，进行电基准电压的测量，对基准电压进行Fa次电压测量，然后对测量数据进行均值滤波后得到该次测量值Vref_flt；

步骤6，对AD通道输入电压进行Fb次的采集，然后对采集数据进行均值滤波后得到该次的采集值Vsmp_flt；

步骤7，将电压变量对(Vref_flt,Vsmp_flt)录入；

步骤8，对SmpCnt进行判定，如果SmpCnt<TCount，SmpCnt增加1，然后继续执行步骤3～步骤8；如果SmpCnt>＝TCount，则通知标定算法单元执行标定；

步骤9，使用最小二乘法进行标定；并将标定结果以线性公式Vcal＝K1*Vsmp+a的形式输出；

其中，K1和a为表示标定后修正系数，Vcal表示标定后电压，Vsmp_flt为实际采集到的输入电压。

根据本发明的一种多通道AD采集设备的标定方法的一实施例，其中，还包括：查看标定效果，列表中包含输入电压采集值Vsmp_flt、基准电压测量值Vref_flt、标定后电压Vcalt、标定前误差Vdiff以及标定后误差Vdiff共五列数据，通过标定前误差Vdiff与标定后误差Vdiff的比较看到使用标定公式Vcal＝K1*Vsmp+a公式处理后AD采集精度的提升效果。

本发明通过使用常用的直流电源和多用表设备，搭建出一套自动标定系统，支持可选多种标定方法消除测量误差，适于用多通道AD采集设备。

附图说明

图1自动标定系统的连接关系图；

图2标定软件数据流向图；

图3自动标定系统流程图；

图4标定软件示意图；

图5标定效果对比图；

图6标定方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明的目的是提供一种多通道AD采集设备的自动标定系统，结合AD采集设备采集误差的特点，以一种可视化、自动化的标定环境为AD采集设备的用户提供误差标定的方法。该自动标定系统能够提供多种标定算法可选择，标定的过程是自动的，在标定结束之后，能够输出标定参数以及标定前后采集误差的对比。

本发明提供的一种多通道AD采集设备的自动标定系统，在可视化的编辑环境中实现，具体包括：

直流稳压电源，输出稳定的直流电压，用于AD采集设备的模拟量输入端的基准电压。

高精度数字多用表，采集直流稳压电源的输出，在进行AD采集设备标定时用做实际采集的基准电压。

多通道AD采集设备，通过PCI或者CPCI总线集成一块或者多块AD采集卡，能够提供多个模拟量的采集通道，每个采集通道的输入端与直流稳压电源进行连接。多通道AD采集设备的以太网口与直流稳压电源的远程网口使用以太网线相连接，多通道AD采集设备的通用RS232串口与高精度数字多用表的远程串口使用串口线相连接。

标定软件，运行多通道AD采集设备上，通过调节直流稳压电源的输出，配合高精度数字多用表的采集值和多通道AD的测量值，通过计算出每个AD测量通道的标定参数。

其中，标定软件具体包括：

基准电压输出单元，使用SOCEKT编程与直流稳压电源建立连接，使用SCPI可编程仪器标准命令控制直流稳压电源输出指定的电压值。

基准电压测量单元，使用SOCEKT编程与高精度数字多用表建立连接，使用SCPI可编程仪器标准命令控制高精度数字多用表测量基准电压。

模拟量采集单元，通过AD采集卡驱动软件提供的接口直接进行通道输入端口电压的测量。

标定算法单元，通过电压测量区内多组数据的采集，使用最小二乘法或者增益误差法进行计算，得到拟合公式和参数。

标定控制单元，根据标定软件界面用户的配置，进行任务分解，控制基准电压输出单元、基准电压测量单元、模拟量采集单元、标定算法单元相互配合执行指定AD采集通道的标定。

本发明提供的提供一种多通道AD采集设备的自动标定系统，以可视化的方式为AD采集设备的用户提供误差标定功能，在首次使用或者采集精度变差时，用户只需要简单的操作即可以完成AD采集设备的误差标定，使采集误差最小化。

本发明提供的一种多通道AD采集设备的自动标定系统，通过硬件测量软件分析的方式完成标定，图1为本系统的连接关系图，包括：

直流稳压电源，与多通道AD采集设备建立网络连接以后，工作于远程模式，在该模式下直流稳压电源实时监听多通道AD采集设备发送的SCPI电压输出命令，用于调节直流电压的输出。

高精度数字多用表，与多通道AD采集设备建立串口连接以后，工作于远程模式，在该模式下为高精度数字多用表实时监听多通道AD采集设备发送的SCPI电压查询命令，并将测量的电压值通过串口反馈给AD采集设备。

多通道AD采集设备，通过PCI/CPCI/PCIE总线集成一个或多个AD采集板卡。标定软件运行多通道AD采集设备上，通过以太网接口调节外部基准电压，通过串口精确地测量外部基准电压值，通过AD采集板卡驱动接口采集AD通道输入端的电压，通过分析和计算最终得到标定参数。

另外，本发明提供的一种多通道AD采集设备的标定方法，通过标定软件的自动化控制和测量方式完成，图2为标定软件的数据流向图。

具体的，本发明提供的自动标定方法主要分为五个单元，基准电压输出单元接受标定控制单元输入的基准电压指令，并将执行结果反馈标定控制单元；基准电压测量单元接受标定控制单元输入的开始测量指令，并将测量结果反馈标定控制单元；模拟量采集单元接受标定控制单元输入的开始采集指令，并将采集结果反馈标定控制单元；标定算法单元接受标定控制单元输入的电压变量对(基准电压测量单元的测量结果，模拟量采集单元采集结果)和开始标定指令，并将标定结果反馈给标定控制单元。如所示，详细流程如下：

步骤1，标定控制单元从用户界面输入测量区间计算最大电压和最小电压，记做Vmax和Vmin；从用户界面读取输入的电压调节次数，记做TCount；从用户界面读取输入的远程电压测量滤波窗口宽度，记做Fa；从用户界面读取输入的标定滤波窗口宽度，记做Fb；

其中，电压调节次数是指从最小电压Vmin逐步调节电压至最大电压Vmax所需要的调节次数；

步骤2，标定控制单元定义变量当前电压调节次数SmpCnt，表示当前已经进行电压调节的次数，设置初值为0，计算每次电压调节的步距Vdelta；

其中，标定控制单元使用线性调节的方式进行电压调节，因此每次电压调节的步距的计算公式如下：

Vdelta＝(Vmax-Vmin)/TCount

步骤3，标定控制单元计算出该次电压调节后应该输出的基准电压Vref，计算公式如下：

Vref＝Vmin+SmpCnt*Vdelta

步骤4，标定控制单元将Vref发送给基准电压输出单元，基准电压输出单元使用SCPI电压设置命令通知直流稳压电源输出基准电压Vref，然后使用SCPI电压查询命令确认直流稳压电源的当前输出电压已经稳定；

步骤5，标定控制单元通知基准电压测量单元进行电基准电压的测量，基准电压测量单元使用SCPI电压查询命令对基准电压进行进行Fa次电压测量，然后对测量数据进行均值滤波后得到该次测量值Vref_flt，最后发送给标定控制单元；

步骤6，标定控制单元收到基准电压测量单元的测量值Vref_flt后，通知模拟量采集单元进行输入电压的采集，模拟量采集单元使用驱动软件接口对AD通道输入电压进行Fb次的采集，然后对采集数据进行均值滤波后得到该次的采集值Vsmp_flt，最后发送给标定控制单元；

步骤7，标定控制单元收到模拟量采集单元的采集值Vsmp_flt后，将电压变量对(Vref_flt,Vsmp_flt)录入标定算法单元；

步骤8，标定控制单元对SmpCnt进行判定，如果SmpCnt<TCount，SmpCnt增加1，然后继续执行步骤3～步骤8；如果SmpCnt>＝TCount，则通知标定算法单元执行标定；

步骤9，标定算法单元使用最小二乘法进行标定；并将标定结果以线性公式Vcal＝K1*Vsmp+a的形式输出到用户界面；

其中，K1和a为表示标定后修正系数，Vcal表示标定后电压，Vsmp_flt为实际采集到的输入电压。

步骤10，查看标定效果，标定效果如图5所示，列表中包含输入电压采集值Vsmp_flt、基准电压测量值Vref_flt、标定后电压Vcalt、标定前误差Vdiff、标定后误差Vdiff共五列数据，通过标定前误差Vdiff与标定后误差Vdiff的比较可以看到使用标定公式Vcal＝K1*Vsmp+a公式处理后AD采集精度的提升效果。

具体的，如图3和图4所示，当用户使用本发明提供的自动标定系统时，需要执行以下步骤：

步骤1，打开直流稳压电源，进行网络配置界面，设置网络地址模式为手动，输入网络详细配置，本例中使用IP地址为192.168.0.100，子网掩码255.255.255.0，端口5025，网关不设置；

步骤2，打开高精度数字多用表，进入接口设置界面，设置接口为RS232，设定通信波特率，本例中使用115200bps；

步骤3，打开多通道AD采集设备，进行网络配置界面，设置网络地址模式为手动，输入网络详细配置，本例中使用IP地址为192.168.0.3，子网掩码255.255.255.0，网关不设置；

步骤4，在多通道AD采集设备上运行标定软件，如图4所示，在远程电源配置栏中输入网络接口配置信息，本例中使用IP地址192.168.0.100，端口5025；在远程电压采集栏输入采集接口配置信息，本例中使用串口1，通信波特率115200bps，滤波窗口宽度100；在标定配置栏中输入标定配置，本例中电压测量区间使用-10～+10V，标定方法选定为最小二乘法，测量点数为100，滤波窗口宽度为10000；

步骤5，点击执行标定，在进度条执行完成后，记录标定栏中输出的拟合公式，即为最终的标定结果；

步骤6，点击查看标定数据，在弹出的文档中可以查看到标定前和标定后的AD采集误差，如图5所示。

本发明，通过给测量设备增加标定系统，不仅在一定程度上提高测量设备精度，而且可以使得测量设备具备环境适应性、老化适应性。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多通道AD采集设备的自动标定系统，其特征在于，包括：

直流稳压电源，输出稳定的直流电压，用于AD采集设备的模拟量输入端的基准电压；

高精度数字多用表，采集直流稳压电源的输出，在进行AD采集设备标定时用做实际采集的基准电压；

多通道AD采集设备，通过PCI或者CPCI总线集成一块或者多块AD采集卡，能够提供多个模拟量的采集通道，每个采集通道的输入端与直流稳压电源进行连接，多通道AD采集设备的以太网口与直流稳压电源的远程网口使用以太网线相连接，多通道AD采集设备的通用RS232串口与高精度数字多用表的远程串口使用串口线相连接；

多通道AD采集设备通过调节直流稳压电源的输出，配合高精度数字多用表的采集值和多通道AD的测量值，通过计算出每个AD测量通道的标定参数。

2.如权利要求1所述的多通道AD采集设备的自动标定系统，其特征在于，多通道AD采集设备包括：

基准电压输出单元，使用SOCEKT编程与直流稳压电源建立连接，使用SCPI可编程仪器标准命令控制直流稳压电源输出指定的电压值；

基准电压测量单元，使用SOCEKT编程与高精度数字多用表建立连接，使用SCPI可编程仪器标准命令控制高精度数字多用表测量基准电压；

模拟量采集单元，通过AD采集卡驱动软件提供的接口直接进行通道输入端口电压的测量；

标定算法单元，通过电压测量区内多组数据的采集，使用最小二乘法或者增益误差法进行计算，得到拟合公式和参数；

标定控制单元，根据标定软件界面用户的配置，进行任务分解，控制基准电压输出单元、基准电压测量单元、模拟量采集单元以及标定算法单元相互配合执行指定AD采集通道的标定。

3.如权利要求1所述的多通道AD采集设备的自动标定系统，其特征在于，直流稳压电源与多通道AD采集设备建立网络连接以后，工作于远程模式，在该模式下直流稳压电源实时监听多通道AD采集设备发送的SCPI电压输出命令，用于调节直流电压的输出。

4.如权利要求1所述的多通道AD采集设备的自动标定系统，其特征在于，高精度数字多用表与多通道AD采集设备建立串口连接以后，工作于远程模式，在该模式下为高精度数字多用表实时监听多通道AD采集设备发送的SCPI电压查询命令，并将测量的电压值通过串口反馈给AD采集设备。

5.如权利要求1所述的多通道AD采集设备的自动标定系统，其特征在于，多通道AD采集设备通过PCI、CPCI和/或PCIE总线集成一个或多个AD采集板卡，通过以太网接口调节外部基准电压，通过串口精确地测量外部基准电压值，通过AD采集板卡驱动接口采集AD通道输入端的电压，通过分析和计算最终得到标定参数。

6.一种利用权利要求1-5任一的所述的自动标定系统的标定方法，其特征在于，包括：

步骤1，打开直流稳压电源，进行网络配置界面，设置网络地址模式为手动，输入网络详细配置；

步骤2，打开高精度数字多用表，进入接口设置界面，设置接口为RS232，设定通信波特率；

步骤3，打开多通道AD采集设备，进行网络配置界面，设置网络地址模式为手动，输入网络详细配置；

步骤4，输入网络接口配置信息，在远程电压采集栏输入采集接口配置信息；在标定配置栏中输入标定配置，标定方法选定为最小二乘法；

步骤5，记录拟合公式，为最终的标定结果。

7.一种多通道AD采集设备的标定方法，其特征在于，包括：

步骤1，计算最大电压和最小电压，记做Vmax和Vmin；输入的电压调节次数，记做TCount；输入的远程电压测量滤波窗口宽度，记做Fa；输入的标定滤波窗口宽度，记做Fb；

其中，电压调节次数是指从最小电压Vmin逐步调节电压至最大电压Vmax所需要的调节次数；

步骤2，定义变量当前电压调节次数SmpCnt，表示当前已经进行电压调节的次数，设置初值为0，计算每次电压调节的步距Vdelta；

其中，标定控制单元使用线性调节的方式进行电压调节，因此每次电压调节的步距的计算公式如下：

Vdelta＝(Vmax-Vmin)/Tcount；

步骤3，计算该次电压调节后应该输出的基准电压Vref，计算公式如下：

Vref＝Vmin+SmpCnt*Vdelta；

步骤4，输出基准电压Vref，确认直流稳压电源的当前输出电压已经稳定；

步骤5，进行电基准电压的测量，对基准电压进行Fa次电压测量，然后对测量数据进行均值滤波后得到该次测量值Vref_flt；

步骤6，对AD通道输入电压进行Fb次的采集，然后对采集数据进行均值滤波后得到该次的采集值Vsmp_flt；

步骤7，将电压变量对(Vref_flt,Vsmp_flt)录入；

步骤8，对SmpCnt进行判定，如果SmpCnt<TCount，SmpCnt增加1，然后继续执行步骤3～步骤8；如果SmpCnt>＝TCount，则通知标定算法单元执行标定；

步骤9，使用最小二乘法进行标定；并将标定结果以线性公式Vcal＝K1*Vsmp+a的形式输出；

其中，K1和a为表示标定后修正系数，Vcal表示标定后电压，Vsmp_flt为实际采集到的输入电压。

8.如权利要求1所述的一种多通道AD采集设备的标定方法，其特征在于，还包括：查看标定效果，列表中包含输入电压采集值Vsmp_flt、基准电压测量值Vref_flt、标定后电压Vcalt、标定前误差Vdiff以及标定后误差Vdiff共五列数据，通过标定前误差Vdiff与标定后误差Vdiff的比较看到使用标定公式Vcal＝K1*Vsmp+a公式处理后AD采集精度的提升效果。

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