高速數(shù)據(jù)采集與任意傳感器功能結(jié)合多普勒效應(yīng)的應(yīng)用

在上篇文章中，大家共同體驗(yàn)了RIGOL DM3064臺式數(shù)字萬用表豐富的功能與人性化的設(shè)計(jì)，本文中將繼續(xù)與它的高速數(shù)據(jù)采集、任意傳感器測量功能親密接觸。
高速數(shù)據(jù)采集、任意傳感器，這些新增且非常實(shí)用的功能對萬用表而言可謂具有劃時(shí)代意義，讓項(xiàng)目測試開發(fā)工作更加得心應(yīng)手。為了體會(huì)首款國產(chǎn)高性能六位半數(shù)字萬用表的魅力，筆者把DM3064應(yīng)用到了多普勒測速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)中。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：
運(yùn)動(dòng)物體反射的超聲波信號經(jīng)模擬乘法器與原信號相乘，濾波得到差頻信息后采樣進(jìn)行信號處理，進(jìn)而得到可靠可用的信息，最終計(jì)算出移動(dòng)物體的速率。

系統(tǒng)中應(yīng)用多普勒效應(yīng)測量移動(dòng)物體速率，發(fā)射器與接受器全部靜止，運(yùn)動(dòng)物體反射聲波。由多普勒效應(yīng)公式推導(dǎo)并簡化得： 

其中 為實(shí)驗(yàn)中的待測量即移動(dòng)物體速率， 為多普勒頻移。 為聲速， 為聲波頻率。

為了快速開發(fā)這套系統(tǒng)，應(yīng)用RIGOL DM3064數(shù)字萬用表進(jìn)行可行性驗(yàn)證。

預(yù)期項(xiàng)目待測信息：
1．    環(huán)境溫度。因?yàn)槁曀俸蜏囟认⑾⑾嚓P(guān)，所以這里要測得準(zhǔn)確的溫度信息計(jì)算出聲速，即 的大小。
2．    經(jīng)乘法器后的差頻信息。即多普勒頻移值 的大小。
3．    光電門觸發(fā)檢測。為了把多普勒測速值與經(jīng)典光電門測速值進(jìn)行比對，需要
在物體通過光電門測速的同時(shí)啟動(dòng)萬用表，捕獲此刻的測速信息。即用光電門作為測量的外部觸發(fā)源。

系統(tǒng)的搭建與測量
系統(tǒng)框架如圖： 
 
圖1. 多普勒測速系統(tǒng)
 
圖2. 引入DM3064的多普勒測速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1．聲速測量
在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用鉑金電阻溫度探頭作為溫度傳感器。應(yīng)用DM3064的任意傳感器功能，結(jié)合鉑金電阻溫度探頭的阻值溫度對照表配置溫度傳感器功能：
進(jìn)入任意傳感器菜單，命名后選擇類型為兩線電阻（2WR），單位為 。之后添加參考值。 
 
圖3. 任意傳感器設(shè)置

添加完畢后進(jìn)行清零操作。開始測量。

這種測量方式在獲得溫度信息后還需要計(jì)算得出聲速，故改進(jìn)為電阻->聲速映射的傳感器，只需要在DM3064上簡單的更新參考值對應(yīng)即可，方便、快捷。

2．差頻信息測量
本系統(tǒng)測速的關(guān)鍵是得到準(zhǔn)確的差頻信息 ，而且為了繪制連續(xù)的速度曲線，需要對差頻信息連續(xù)快速采集。

RIGOL DM3064數(shù)字萬用表巡檢軟件Ultralogger提供2個(gè)測量功能選擇，分別為多通道多測量任務(wù)巡檢(Scan)和高速單通道大批量數(shù)據(jù)采集 (Data Log)。針對當(dāng)前監(jiān)測需求，采用后者。

首先建立一個(gè)任務(wù)工程，在工程建立的同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)建立一個(gè)對應(yīng)于該工程的數(shù)據(jù)庫，用于存放用戶定制的任務(wù)項(xiàng)目和測量數(shù)據(jù)。
 
圖4. DataLog 設(shè)置 

 
圖5. DataLog差頻波形

通過USB連接RIGOL DM3064數(shù)字萬用表到PC，單擊下載按鈕，將上面步驟中制定好的任務(wù)表下載到RIGOL DM3064數(shù)字萬用表中保存，單擊開始按鈕后任務(wù)開始。（在第一次連接時(shí)，如果萬用表的狀態(tài)為空閑，PC將自動(dòng)同步萬用表中的RTC時(shí)間，以防兩者時(shí)間不一樣出現(xiàn)誤差。）

任務(wù)保存在RIGOL DM3064數(shù)字萬用表中，如果不需要當(dāng)前PC執(zhí)行操作或顯示采集數(shù)據(jù)，可以斷開連接，對萬用表的操作不會(huì)產(chǎn)生影響。

RIGOL DM3064數(shù)字萬用表按照制定的任務(wù)去采集測量值，PC能夠通過USB或LAN讀取測量值，保存到PC中，同時(shí)萬用表中的FLASH也能保存測量值，不過其存儲空間相對于自然要比PC小很多。

PC讀取數(shù)據(jù)后保存到數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫在建立工程的同時(shí)自動(dòng)建立，所以不需要額外去開發(fā)數(shù)據(jù)庫。對于讀取的數(shù)據(jù)，軟件提供表格和圖像兩種顯示方式，如果軟件處于監(jiān)視狀態(tài)，表格和圖像都會(huì)自動(dòng)刷新。出現(xiàn)報(bào)警情況將會(huì)有顯示和聲音的報(bào)警提示。

按照上述方法，可測得連續(xù)的高精度差頻波形，同時(shí)整個(gè)過程數(shù)據(jù)被記錄在數(shù)據(jù)文件中，便于分析、處理。

這樣，應(yīng)用高速數(shù)據(jù)采集得到的結(jié)果可以為各種處理算法提供原始數(shù)據(jù)，比如直接傅立葉變換、快速傅立葉變換以及等效濾波法等等。但是，不能應(yīng)用其直接繪出差頻量曲線。這時(shí)，如果想要得到直觀的速度曲線，可以繼續(xù)應(yīng)用DM3064強(qiáng)大的任意傳感器功能，建立頻率-速度型傳感器，進(jìn)而可得到速度曲線。 
 
圖6. 頻率-速度傳感器曲線

3．光電門觸發(fā)檢測
為了比對速度，這里測量通過光電門時(shí)多普勒頻移。把DM3064表筆接到多普勒系統(tǒng)的差頻輸出端，按照任意傳感器的設(shè)置方法設(shè)置好頻率->速度對應(yīng)關(guān)系。選擇觸發(fā)源為外部觸發(fā)，并把觸發(fā)電纜引到光電門的整形輸出端。

配置好后，每經(jīng)過光電門一次，DM3064顯示此刻的速度值，可與光電門測速值進(jìn)行比對。

系統(tǒng)中的問題分析
按照上述方案搭建的系統(tǒng)符合預(yù)期要求，能夠較好的完成精準(zhǔn)的多普勒測速功能。但在測量中發(fā)現(xiàn)速度曲線的起始段發(fā)生畸變。借助DM3064強(qiáng)大的高速采集功能分析初始段波形。發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的是尖峰干擾。分析得知是啟動(dòng)有刷電機(jī)瞬間所致的干擾，調(diào)整電刷兩線與地間電容后，使用Data Log功能再次查看，干擾有效的得到解決。

總結(jié)
RIGOL RIGOL DM3064的引入大大加快了系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程，更便于系統(tǒng)各部分功能模塊的測試與故障分析。任意傳感器與高速數(shù)據(jù)采集功能使臺式數(shù)字萬用表與系統(tǒng)融為一體，承擔(dān)起系統(tǒng)的功能，在可行性驗(yàn)證以及系統(tǒng)調(diào)試時(shí)是十分必要的。