基于LabVIEW的星用铷频标多通道时差数据自动采集系统

范凤军，杨 正，祁士青

（上海精密计量测试研究所，上海 201109）

0 引言

时间频率计量是研究周期运动或周期现象的特性和量的表征及测量的一门学科，时间和频率又是周期运动及其属性的不同侧面描述和表征［1］。近年来，基于时间间隔测量原理的时差法因其简便而在长期频率特性测量中的应用日趋普及和广泛。

星用铷频标是卫星飞行和测控的时间基准，它与导航定位、目标探测密切相关，是卫星的关键仪器设备［2］。日频率漂移率是星用铷频标长期运行工作的基本特性。随着卫星研制的发展，需要对多台星用铷频标同时进行测量。如采用单通道数据采集系统，每台每天需采集数据780个，连续测量16台铷频标则需要15d，采集数据187 200个，且两天间的测量间隔无法准确保证。采用多通道时差数据自动采集系统可实现多台星用铷频标的快速测量，该系统的关键是通过脉冲多路开关实现多路秒信号时差数据的自动定时采集，因测量时间持续15d，故对其可靠性提出了严格的要求。本文对利用计算机分析软件和测量仪器程控功能的星用铷频标多通道时差数据自动采集系统设计进行了研究。

1 硬件系统

该系统利用时频实验室已有的硬件设备，添置部分设备，编制一套时差数据自动化采集软件实现16台星用铷频标长期频率特性的同时测量。

星用铷频标多通道时差数据自动采集系统组成如图1所示。系统主要由标准参考源、被校星用铷频标秒信号脉冲多路开关和数据采集处理三部分组成。标准参考源为时间频率实验室已有的氢钟；分频钟输出被校星用铷频标产生1个秒信号；计算机程控分析软件程控脉冲多路开关和时差数据采集器，进行通道切换和时差数据的采集及处理。

图1 系统组成Fig.1 System block diagram

与单通道测试相比，多通道时差数据自动采集系统增加了脉冲多路开关和若干分频钟。时差数据采集器的一路信号是标准参考源产生的1个秒信号，另一路信号是被校星用铷频标通过脉冲多路开关提供的1个秒信号，计算机程控分析软件控制时差数据采集器进行时差数据的采集、处理和保存，每天可连续测量16台被校星用铷频标的时差数据。

2 数据处理与分析

本系统利用本地钟1个秒信号作为参考，时差数据采集器从设定的比对时刻开始，每秒测量1次与星用铷频标1个秒信号的时差值Y（ti），连续采集测量13min，得到测量值780个（i＝1，2，…，n，…，780），在用最小二乘法算法处理数据。

将780个测量值分为52组，每组15s的数据用最小二乘法进行二次项拟合（j＝1，2，…，m，…，15），拟合方程为

式中：a，b，c均为待定系数。用实验数据确定方程中的待定系数，可计算出该测量时间段中点的拟合值Y（t8），共得到52个时差拟合值Y（tk），再次进行最小二乘法线性拟合（k＝1，2，…，p，…，52）可得

经过上述对时差数据的处理，可获得被校铷频标某一天的时差测量结果。对被校铷频标连续测量15d，得到16个时差值Xi，相邻两个Xi的时间间隔τ＝1d，则被校铷频标日频率漂移率

｜r｜≥0.6时，表明该被校铷频标输出频率随时间具明显的单向性。

3 软件设计

选择 LabVIEW 作为开发平台［3－5］。软件流程如图2所示。

图2 软件流程Fig.2 Software flowchart

软件架构如图3所示。基于LabVIEW平台的程控软件采用模块化方式编写，将控制程序划分为7个模块，每个模块实现部分功能，由主控模块在高层管理并调度各子模块工作，实现参数控制与数据读取、显示、处理、保存等功能。

图3 软件架构Fig.3 Software frame

a）主控模块

完成仪器的初始化，通过与其他模块的通信触发各模块工作，调度各模块的执行，当程序运行结束后，释放资源，关闭设备。

b）参数控制模块

完成各种复杂的测量。参数控制模块在程序面板上提供各种设置选项替代仪器面板上的菜单设置。

c）数据读取模块

将仪器产生的测量数据读取到计算机，是完成程序与仪器数据交互的核心过程。

d）数据显示模块

通过LabVIEW的图形化功能实时显示采集到的时差数据。

e）数据处理模块

通过LabVIEW内置的数据处理子程序完成对测量结果的处理，并读取结果。

f）数据记录模块

对仪器功能进行扩展，将测量结果存储到计算机磁盘中，便于日后分析处理。

g）错误处理模块

确认仪器工作状态是否发生故障，当有错误发生时，返回仪器内置的错误编号和错误描述，从程序界面显示通知用户。

星用铷频标日频率漂移率测量流程如图4所示。

4 实验结果

为验证星用铷频标多通道时差数据自动采集系统的性能，选用一台铷钟作为被测对象，用本系统和传统手动测试同时进行两组测试实验，测量时间15d，时差测试结果见表1。

图4 日频率漂移率流程Fig.4 Daily frequency drift flowchart

表1 两组测试实验数据Tab.1 Two groups of experiment data

对自动和手动两种测试方法获得的数据进行处理，可得被校铷频标日频率漂移率分别为

由试验数据和计算结果可知：本自动测试系统与传统手动测量的结果一致，符合要求。自动测试系统的本底采用标准参考源的1个秒信号进行时差测量，连续测量28d的结果为－2.0×10－14。

5 结束语

本文利用LabVIEW平台搭建了一套多通道时差数据自动采集系统，实现了多台星用铷频标长期频率特性的同时测量。另外，该自动测量系统还用LabSQL数据库访问技术实现了时差数据的实时存储、分析与处理。实验表明：多通道时差数据自动采集系统自动化程度高，稳定可靠，完全满足卫星型号研制的需求。

［1］ 李宗扬.时间频率计量［M］.北京：原子能出版社，2002.

［2］ 张首刚.新型原子钟发展现状［J］.时间频率学报，2009，32（2）：81-89.

［3］ 杨乐平.LabVIEW程序设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2001.

［4］ 彭汉国，艾瑞东，王明方，等.基于LabVIEW的数据库访问技术［J］.舰船电子工程，2009，29（8）：151-154.

［5］ 胡立志，张树生，董 莲.LabVIEW在时间频率计量测试中的应用［J］.中国计量学院学报，2008，19（2）：133-136.