本发明属于测量轴系扭振应力及振动测量仪器的电信号校准领域；其他类目中不包括的结构部件或设备的测试领域，具体涉及一种电子标定器及其标定扭振测量仪的方法。
背景技术
扭振是弹性体绕其纵轴产生扭转变形的振动，反映了系统是否存在谐振(共振)的危险程度，主要与系统各组成件的转动惯量和扭转刚度有关,即与设备的结构尺寸有关.并非实际运转中的振动。产生扭转振动的根本原因是旋转机械的主动力矩与负荷反力矩之间失去平衡，致使合成扭矩的方向来回变化。扭振具有极大的破坏性，轻者使作用在轴上的扭振应力发生变化，增加轴的疲劳损伤，降低使用寿命，严重扭振会导致机组轴系损坏或断裂，影响机组安全可靠运行。
具有代表性的电子标定器是美国亚特兰大的2512型电子标定器和东南大学的tvc-1电子标定器，但是上述几类扭振电子标定器均通过模拟轴的扭转角的不均匀变换，利用电子标定器产生与实际振动状况相似的扭振信号，但是由于其本身设计的局限性导致输出频率或转速可调范围有限，不能进行扭振信号的整个转速范围的标定；同时由于这类扭振标定的方法属于一种间接式的标定，会受到环境或机械本身等因素的影响，导致扭振信号的输出精度不够以及适用性较小等问题。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供一种电子标定器及其标定扭振测量仪的方法，所述电子标定器利用直接数字频率合成(dds)技术以及谐波叠加的原理，内部采用fpga芯片来实现扭振波形的模拟还原输出。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种电子标定器，所述电子标定器包括：
一处理信号的主控器；
一处理直流电信号的直流装置；
一处理交流电信号的交流装置；
一整合所述直流装置和所述交流装置电信号并输出的模拟加法器；
所述主控器分别与所述交流装置和直流装置连接；所述模拟加法器分别与所述交流装置和直流装置相反于所述主控器连接；
所述交流装置包括一实现谐波叠加的fpga芯片；所述fpga芯片上包括15个谐波处理单元和一谐波加法器；
15个所述谐波处理单元之间为并联关系，每个所述谐波处理单元两端分别与所述主控器和所述谐波加法器连接。
进一步地，所述谐波加法器用于将所述处理后的谐波频率系数和相应的谐波幅值数据乘积后的结果做累加运算后输出。
进一步地，所述电子标定器还包括一显示模拟信号的显示屏；所述显示屏与所述主控器连接，所述显示屏显示所述电子标定器当前的标定电压信号、被测轴扭矩以及被测轴的功率值。
进一步地，所述电子标定器还包括一usb通信端口；所述usb通信端口设置在所述主控器上，与pc端连接；所述usb通信端口用于将pc端已知的实船扭振信号的频域数据输入所述主控器中，模拟实船扭振信号对相关轴系测量仪器进行仿真测量。
进一步地，所述主控器为nxp公司推出的基于armcortex-m3内核的微控制器主控器lpc1768芯片。
进一步地，所述fpga芯片还包括一按键输入模块；所述按键输入模块包括按键寄存器和一与按键寄存器连接的按键单元；所述按键寄存器与所述主控器连接。
进一步地，所述按键单元包含数字0按键至数字9按键、小数点按键、负号按键、上按键、下按键、左按键、右按键以及输出开关键。
进一步地，所述直流装置包括一第一dac转换模块和一第一低通滤波器；
所述第一dac转换模块一端与所述主控器连接，另一端与所述第一低通滤波器一端连接；所述第一低通滤波器另一端与所述模拟加法器连接。
进一步地，所述交流装置还包括一第二dac转换模块和一第二低通滤波器；
所述fpga芯片一端与所述主控器连接，另一端与所述第二dac转换模块一端连接；所述第二dac转换模块另一端与所述第二低通滤波器一端连接；所述第二低通滤波器另一端与模拟加法器连接。
进一步地，所述谐波处理单元包含用于存储频率系数的频率寄存器、用于存储谐波幅值数据的幅值寄存器、处理频率系数的直接数字频率合成模块(dds模块)和乘法器；
所述频率寄存器一端与所述主控器连接，另一端与所述直接数字频率合成模块的一端连接；所述直接数字频率合成模块另一端与所述乘法器连接；
所述幅值寄存器一端与所述主控器连接，另一端与所述乘法器一端连接；所述乘法器另一端与所述谐波加法器连接；
所述乘法器用于将经所述直接数字频率合成模块处理后的频率系数和相应的谐波幅值数据进行乘积。
进一步地，所述频率寄存器与所述主控器向外部连接，与所述直接数字频率合成模块在所述fpga芯片内部连接；所述直接数字频率合成模块与所述乘法器在fpga内部连接；所述幅值寄存器分别与所述主控器和所述乘法器在所述fpga芯片内部连接；所述乘法器另一端与所述谐波加法器在所述fpga芯片内部连接。
进一步地，所述频率寄存器为16位的寄存器，所述频率系数为谐波频率数据的32位二进制表达形式，故所述谐波处理单元中包含两个频率寄存器；
进一步地，所述幅值寄存器为16位的寄存器，所述幅值数据为16位二进制表达式，故所述谐波处理单元中包含一个幅值寄存器。
进一步地，所述第一dac转换模块为analogdevices生产的型号为ad5760芯片和texasinstrumentsti生产的型号为dac8820芯片的双dac转换模块。
进一步地，所述第二dac转换模块为型号为analogdevices生产的型号为ad5760芯片和texasinstrumentsti生产的型号为dac8820芯片的双dac转换模块。
进一步地，所述型号为ad5760芯片为16位输入的电压输出型dac芯片。
进一步地，所述型号为dac8820芯片为16位并行乘法dac芯片。
进一步地，所述fpga芯片与所述主控器之间采用spi通信接口连接。
进一步地，所述电子标定器还包括一给所述电子标定器提供电量的电源。
进一步地，所述电子标定器可以产生一种具有高精度标准的电压信号，用于标定以应变片方式测量扭振应力的测量分析仪器的测量精度。
进一步地，电子标定器也可以根据从实船测量和分析得到的扭振应力频谱数据(在pc端的)，通过pc端电脑的usb口传送给本电子标定器，然后由本标定器内部的fpga芯片以直接数字频率合成(dds)技术方式，在标定器内部合成出一个模拟实船的实时扭振应力的信号(在0-1khz范围)输出出来，可以为扭振应力测量系统提供一个虚拟的实船测试环境。该信号输出波形的直流幅值、频率和各频率的幅值精度较高。
本发明还提出一种电子标定器及其标定扭振测量仪的方法，所述方法是主控器将接收到的电压信号处理后分成直流信号和谐波数据信号；所述直流部分和所述谐波数据信号分别经过所述电子标定器中的直流装置和交流装置进行信号处理后，再采用模拟加法器将处理后的直流信号和谐波数据信号进行叠加后输出一个模拟电阻应变片测量轴系时的实时电压信号，将所述标定电压信号输入扭振测量仪进行标定或仿真。
进一步地，所述方法具体内容如下：
步骤1，主控器对信号进行初步处理：主控器将操作者设定的轴系参数和扭振数据对应的电压信号处理后分成直流信号和谐波数据信号，直流信号传输给直流装置、谐波数据信号传输给交流装置；
步骤2，所述直流信号和所述谐波数据信号分别处理：
所述直流信号经过第一dac转换模块和第一低通滤波器后滤去数字噪声，留下设定范围内的直流信号；
所述谐波数据信号依次经过fpga芯片对所述谐波数据信号处理、第二dac转换模块转换和第二低通滤波器处理滤去量化噪声，得到处理后的谐波数据信号；
步骤3，处理后的直流信号和谐波数据信号的叠加输出：由经所述步骤2处理后的直流信号和谐波数据信号经模拟加法器叠加后得到的标定电压信号，将所述标定电压信号输出用于扭振测量仪的标定。
进一步地，步骤1中所述谐波数据信号包括多组不同频率的频率系数和相应的幅值数据，分别存储在谐波处理单元中。
进一步地，所述频率系数存储在所述谐波处理单元中的频率寄存器、所述相应的幅值数据存储在所述谐波处理单元中的幅值寄存器。
进一步地，步骤3中所述扭振测量仪采用电阻应变片测量扭振信号。
进一步地，所述主控器完成整个所述电子标定器的控制和数据处理工作，其中的数据信号通过usb端口输入所述主控器中的flash或通过所述fpga芯片的中的按键输入至按键寄存器中，再由所述主控器读取后再进行处理。
进一步地，通过usb端口输入所述主控器中的flash的方式时，所述主控器处理的具体内容为：主控器将flash中的数据通过mosi接口写入fpga的数据寄存器中，以频率和幅值数据为主；其中频率数据freq0-freq14为32位数据，而fpga的数据寄存器为16位寄存器，于是需要使用两个寄存器来存储一个频率数据，例如reg10和reg11寄存器存储freq0，利用reg10～reg19、reg1a～reg1f、reg20～reg29和reg2a～reg2d共30个寄存器来存储freq0-freq14这15种频率值；对于谐波的幅值数据acamp0-acamp14为16位数据，因此只需利用fpga中reg30～reg39和reg3a～reg3e共15个寄存器来存储15种幅值数据。
进一步地，通过所述fpga芯片的中的按键输入的方式时，所述主控器处理的具体内容为：fpga实时监控是否有按键按下，当发现有按键输入时，将去抖后的按键值保存至按键寄存器中，同时引发中断；所述主控器通过中断读取fpga寄存器中的按键值为了保证系统输出的数据在设计指标所规定的范围中，在将谐波数据发送给所述fpga芯片之前，需要对主控器接收的数据进行上下限判断，若数据超限，则会根据不同的错误发出不同错误提示，若未超限，则将该数据中的频率数据转换为频率系数，幅值数据转换为16位二进制表达形式；最后将所述频率系数和所述幅值数据通过spi通信接口写入所述fpga芯片中。
进一步地，所述mosi接口为spi通信接口的一种。
进一步地，所述按键值用于改变波形结构体(waveinfostruct)，所述波形结构体包括幅值(acamp)、频率(freq)、偏置(dcoffset)、增益(gmxt)、内径(di)、外径(do)、应变参数、桥臂数、电桥电压、泊松比和弹性模量。
进一步地，所述数据中除幅值和频率又重新回写入fpga的寄存器外，其余数据保存于主控器中。
进一步地，所述fpga芯片采用谐波叠加的原理将所述主控器写入的所述频率系数和所述幅值数据进行处理并叠加后输出；fpga芯片对所述谐波数据信号处理具体内容为：首先对目标信号进行离散傅里叶变换，得到一组信号的频率及其幅值数据，得到的数据为信号1-15谐次频率及其对应的幅值数据；其次在pc端利用串口助手将得到的数据间接写入fpga的寄存器中(pc端数据先写入主控器的flash，主控器再将flash中的数据写入fpga寄存器)。在fpga芯片中利用dds原理设计了15个直接数字频率合成(dds)模块，分别对各个谐次的频率系数进行数字频率合成，因此信号频率数据经过15个直接数字频率合成模块之后，会得到15种不同频率的正弦波，再将各个幅值寄存器中的数据与对应频率的直接数字频率合成模块的输出做乘积，最后利用fpga中的加法器将15种乘积的结果做累加运算。
进一步地，所述标定器还能实现标定三角波的输出，具体内容为：
考虑到三角波的幅值与频率呈线性变换关系，所述fpga芯片采用直接采取按键输入信号的频率值作为三角波的幅值输出的设计；对于前1/2周期，直接取其频率值作为三角波的幅值数据，而对于后半周期取信号半周期频率与当前输出半频率的差值作为最终的幅值数据，因此当频率完成一周期的累加时，即完成了整周期的三角波的输出。
进一步地，所述目标信号为pc端通过usb端口输入的被测轴系的扭振信号或通过按键输入的被测轴系的扭振信号、正弦信号或三角信号。
进一步地，所述pc端通过usb端口将所述扭振信号各次谐波的频率和幅值写入主控器flash，fpga从主控器flash读取谐波数据，保存至fpga数据寄存器，然后合成与输出扭振信号。
进一步地，所述按键用于设置所述正弦信号和所述三角信号这两种信号的频率、幅值、偏置等参数，设置成功后，所述fpga芯片会读取这些参数，用于信号波形合成。
进一步地，为保证输出的直流分量与交流分量都有各自独立的精度，所述第一dac转换模块和所述第二dac转换模块均采用ad5760和dac8820的双dac来承担直流和交流的输出，再通过精密增益控制所述模拟加法器在模拟输出端进行叠加，因此需要多通道的dac来实现电路的设计。
进一步地，所述ad5760芯片和dac8820芯片对信号的分辨率及误差范围接近，区别在于两者的输出电压范围和信号转换速率；例如，本发明所述的电子标定器中，需要输出的电压范围为x，如所述直流装置和所述交流装置均采用ad5760芯片作为dac转换模块，虽然可以保证x范围的电压输出，但是由于所述ad5760芯片的数据输入方式是串行输入，对于所述交流装置来说，所述fpga芯片中输出的高速信号无法进行快速以及有效的转换；如所述直流装置和所述交流装置均采用dac8820担当系统全部的dac转换工作，在实现快速数模转换同时采用外部放大电路将输出电压放大至x的范围内，但是这样又无法保证标定器输出电压的精度，因此发明中的所述直流装置和所述交流装置均采用了ad5760芯片和dac8820芯片的双dac的数模转换模块，既能保证标定器输出电压的精度，又能进行高速信号的快速及有效的转换。
进一步地，所述第一低通滤波器为巴特沃斯低通滤波器。
进一步地，所述第二低通滤波器为巴特沃斯低通滤波器。
进一步地，所述巴特沃斯低通滤波器的设计指标主要有：
截止频率：fc＝1khz；
通带内电压放大倍数：a0＝2；
在输出滤波器电路的信号频率f＝10fc时，幅度衰减大于30db；
进一步地，所述模拟加法器的工作原理为：所述电子标定器的最终输出信号是主控器输出的直流信号和所述fpga芯片输出的交流信号分别经第一低通滤波器和第二低通滤波器后的叠加；所述交流信号表示了信号在整个周期的时域变化情况，所述直流信号主要用于对交流信号进行偏置设置，且他们均为电压信号，因此可以使用电阻和放大器组成同向输入加法电路对他们的输出信号进行叠加；其中dac端口的信号为主控器经da转换电路之后输出的直流信号，dac1端口的信号为fpga输出经da转换的交流信号，经out端口输出最终的叠加信号。
进一步地，所述模拟加法器处理后的标定电压信号为模拟被测轴系扭振应力，采用电压信号表现出来。
进一步地，所述fpga芯片还可直接向扭振测量仪直接转标输出被测轴系的转速脉冲信号，同时，所述主控器通过spi通信端口从所述fpga芯片中提取所述转速脉冲信号。
进一步地，所述spi通信端口的数据传输原理是：完成所述电子标定器的spi的通信配置之后，所述主控器和所述fpga芯片之间便可实现数据的相互传输，分别是所述主控器向所述fpga芯片中的寄存器中写入数据，fpga将按键数据寄存器中的值发送至主控器。
进一步地，所述spi的通信配置包括信号传输方向、主从模式、数据位数、波特率、高低位前后等属性的配置。
进一步地，所述主控器中的当前标定电压信号与对应的轴径及其他参数乘积得到被测轴系的扭矩，所述扭矩与所述转速脉冲信号的乘积得到所述被测轴系的输出功率。
进一步地，所述其他参数为式(1)中除轴内径和轴外径之外的所有参数。
进一步地，所述主控器芯片不仅用于系统进程处理，同时可对扭振信号计算，显示输出，用于对当前转速下的扭振信号进行标定，其计算公式如下：
式中：me--输出扭矩，n*m；
mfs--满量程扭矩，n*m；
vfs--满量程电压，v；
e--被测轴弹性模量；
di--轴内径，mm；
d0--轴外径，mm；
vexc--电桥激励电压，v；
kgf--应变片灵敏系数；
n--电桥桥臂数；
μ--被测轴材料泊松比；
gxmt--发射装置的放大增益；
v输出--接收机输出电压。
进一步地，式(1)中的物理量均为定值，加之所述电子标定器模拟出来的电阻应变测量的电压信号后，所述电子标定器才能标定扭振信号。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的电子标定器用于标定扭振信号，即标定器需输出精确的扭振信号，本发明利用了标准扭振信号的谐波数据去反合成信号，用于对其他测量仪器的标定。
(2)本发明的电子标定器模拟电阻应变片测量的电压信号，并采用直接数字频率合成(dds)技术以及谐波叠加的原理设计，内部采用fpga(现场可编程门阵列)芯片实现了扭振波形的还原输出，能够产生0-1khz范围中的任意频率扭振信号，且输出波形的幅值和频率精度较高。
(3)本发明的电子标定器不仅能够输出0-1khz范围幅值可调的三角信号，并在内部采用处理器对输出三角信号的扭振应力值进行计算并显示，使扭振的标定更加直接方便，精确。
(4)本发明的电子标定器所产生的扭振信号可用于标定传动轴表面因剪切应力而产生的扭振信号，本发明的扭振原始数据是基于电阻应变片的直接采集和实船扭振信号的频域数据分析，利用直接数字频率合成(dds)技术以及谐波叠加的原理设计一种新型的电子标定器，内部采用fpga芯片实现了扭振波形的还原输出扭振信号，能够产生0-1khz范围中的任意频率信号，且输出波形的幅值和频率精度较高，这种扭振标定方法模拟的信号是轴系转动过程中产生的扭曲形变信号，其在国内外的扭振标定研究中无法溯源。
附图说明
图1为本发明实施例中电子标定器的结构示意图。
图2为本发明实施例中fpga芯片实现谐波叠加的寄存器转换级电路(rtl)示意图。
图3为本发明实施例中fpga芯片实现直接数字频率合成技术原理示意图。
图4为本发明实施例中usb串口通信流程示意图。
图5为本发明实施例中标定器实现三角波的模块设计rtl示意图。
附图标记说明：1-主控器；21-第一dac转换模块；22-第一低通滤波器；31-fpga芯片；32-第二dac转换模块；33-第二低通滤波器；34-按键输入模块；4-模拟加法器；5-电源；6-显示屏；7-pc端。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
本实施例提出一种电子标定器，如图1所示，所述电子标定器包括：
一处理信号的主控器1；
一处理直流电信号的直流装置；
一处理交流电信号的交流装置；
一整合所述直流装置和所述交流装置电信号并输出的模拟加法器4；
所述主控器1分别与所述交流装置和直流装置连接；所述模拟加法器4分别与所述交流装置和直流装置相反于所述主控器1连接。
所述主控器1为nxp公司推出的基于armcortex-m3内核的微控制器主控器1lpc1768芯片。
所述交流装置包括一实现谐波叠加的fpga芯片31；所述fpga芯片31还包括一按键输入模块34；所述按键输入模块34包括按键寄存器和一与按键寄存器连接的按键单元；所述按键寄存器与所述主控器1连接。
所述按键单元包含数字0按键至数字9按键、小数点按键、负号按键、上按键、下按键、左按键、右按键以及输出开关键。
所述按键单元的按键与对应的保存值如下表1所示：
表1fpga芯片中按键寄存器的按键值
表1中所述保存值为按键对应的16进制字符。
所述直流装置包括一第一dac转换模块21和一第一低通滤波器22；
所述第一dac转换模块21一端与所述主控器1连接，另一端与所述第一低通滤波器22连接；所述第一低通滤波器22一端与所述第一dac转换模块21连接，另一端与所述模拟加法器4连接。
所述交流装置还包括一第二dac转换模块32和一第二低通滤波器33；
所述fpga芯片31一端与所述主控器1连接，另一端与所述第二dac转换模块32连接；所述第二dac转换模块32一端与所述fpga芯片31连接，另一端与所述第二低通滤波器33连接；所述第二低通滤波器33一端与所述第二dac转换模块32连接，另一端与模拟加法器4连接。
所述fpga芯片31上包括15个谐波处理单元和谐波加法器；
所述15个谐波处理单元之间为并联关系，并联后分别与所述主控器1和所述谐波加法器连接；
所述谐波加法器用于将所述处理后的谐波频率系数和相应的谐波幅值数据乘积后的结果做累加运算后输出。
所述谐波处理单元包含用于存储频率系数的频率寄存器、用于存储谐波幅值数据的幅值寄存器、处理频率系数的直接数字频率合成模块(直接数字频率合成模块)和乘法器；
所述频率寄存器一端与所述主控器1连接，另一端与所述直接数字频率合成模块的一端连接；所述直接数字频率合成模块另一端与所述乘法器连接；
所述幅值寄存器一端与所述主控器1连接，另一端与所述乘法器一端连接；所述乘法器另一端与所述谐波加法器连接；所述乘法器用于将经所述直接数字频率合成模块处理后的频率系数和相应的谐波幅值数据进行乘积。
所述频率寄存器为16位的寄存器，所述频率系数为谐波频率数据的32位二进制表达形式，故所述谐波处理单元中包含两个频率寄存器；
所述幅值寄存器为16位的寄存器，所述幅值数据为16位二进制表达式，故所述谐波处理单元中包含一个幅值寄存器。
所述第一dac转换模块21为analogdevices生产的型号为ad5760芯片和texasinstrumentsti生产的型号为dac8820芯片的双dac转换模块。
所述第二dac转换模块32为型号为analogdevices生产的型号为ad5760芯片和texasinstrumentsti生产的型号为dac8820芯片的双dac转换模块。
所述型号为ad5760芯片为16位输入的电压输出型dac芯片。
所述型号为dac8820芯片为16位并行乘法dac芯片。
所述fpga芯片31与所述主控器1之间采用spi通信接口连接。
所述电子标定器还包括一显示模拟信号的显示屏6；所述显示屏6与所述主控器1连接，所述显示屏6显示所述电子标定器当前的标定电压信号、被测轴扭矩以及被测轴的功率值。
所述电子标定器还包括一usb通信端口；所述usb通信端口设置在所述主控器1上，与pc端7连接；所述usb通信端口用于将pc端7已知的实船扭振信号的频域数据输入所述主控器1中，对实船扭振信号进行标定。
所述电子标定器还包括一给所述电子标定器提供电量的电源5。
本实施例还提出一种电子标定器及其标定扭振测量仪的方法，所述方法是主控器1将接收到的电压信号处理后分成直流信号和谐波数据信号；所述直流部分和所述谐波数据信号分别经过所述电子标定器中的直流装置和交流装置进行信号处理后，再采用模拟加法器4将处理后的直流信号和谐波数据信号进行叠加后输出一个模拟电阻应变片测量时的标定电压信号，将所述标定电压信号输入扭振测量仪进行标定。
所述方法具体内容如下：
步骤1，主控器1对信号进行初步处理：主控器1将接收到的电压信号处理后分成直流信号和谐波数据信号，直流信号传输给直流装置、谐波数据信号传输给交流装置；
步骤2，所述直流信号和所述谐波数据信号分别处理：
所述直流信号经过第一dac转换模块21和第一低通滤波器22后滤去不必要的直流信号，留下设定范围内的直流信号；
所述谐波数据信号依次经过fpga芯片31对所述谐波数据信号处理、第二dac转换模块32转换和第二低通滤波器33处理滤去不必要的波长，得到处理后的谐波数据信号；
步骤3，处理后的直流信号和谐波数据信号的叠加输出：由经所述步骤2处理后的直流信号和谐波数据信号经模拟加法器4叠加后得到的标定电压信号，将所述标定电压信号输出用于扭振测量仪的标定。
步骤1中所述谐波数据信号包括多组不同频率的频率系数和相应的幅值数据，分别存储在谐波处理单元中。
所述频率系数存储在所述谐波处理单元中的频率寄存器、所述相应的幅值数据存储在所述谐波处理单元中的幅值寄存器。
步骤3中所述扭振测量仪采用电阻应变片测量扭振信号。
所述主控器1完成整个所述电子标定器的控制和数据处理工作，其中的数据信号通过usb端口输入所述主控器1中的flash或通过所述fpga芯片31的中的按键输入。
通过usb端口输入所述主控器1中的flash的方式时，所述主控器1处理的具体内容为：主控器1将flash中的数据通过mosi接口写入fpga的数据寄存器中，以频率和幅值数据为主；其中频率数据freq0-freq14为32位数据，而fpga的数据寄存器为16位寄存器，于是需要使用两个寄存器来存储一个频率数据，例如reg10和reg11寄存器存储freq0，利用reg10～reg19、reg1a～reg1f、reg20～reg29和reg2a～reg2d共30个寄存器来存储freq0-freq14这15种频率值；对于谐波的幅值数据acamp0-acamp14为16位数据，因此只需利用fpga中reg30～reg39和reg3a～reg3e共15个寄存器来存储15种幅值数据。
所述fpga芯片31中所述频率寄存器和信号频率值对应如下表2所示：
表2频率寄存器值和信号频率值对应表
所述fpga芯片31中所述幅值寄存器和信号幅值对应如下表3所示：
表3幅值寄存器和信号幅值对应表
通过所述fpga芯片31的中的按键输入的方式时，所述主控器1处理的具体内容为：fpga实时监控是否有按键按下，当发现有按键输入时，将去抖后的按键值保存至按键寄存器中，同时引发中断；所述主控器1通过中断读取fpga寄存器中的按键值为了保证系统输出的数据在设计指标所规定的范围中，在将谐波数据发送给所述fpga芯片31之前，需要对主控器1接收的数据进行上下限判断，若数据超限，则会根据不同的错误发出不同错误提示，若未超限，则将该数据中的频率数据转换为频率系数，幅值数据转换为16位二进制表达形式；最后将所述频率系数和所述幅值数据通过spi通信接口写入所述fpga芯片31中。
所述按键值用于改变波形结构体(waveinfostruct)，所述波形结构体包括幅值(acamp)、频率(freq)、偏置(dcoffset)、增益(gmxt)、内径(di)、外径(do)、应变参数、桥臂数、电桥电压、泊松比和弹性模量。所述数据中除幅值和频率又重新回写入fpga的寄存器外，其余数据保存于主控器1中。
所述fpga芯片31采用谐波叠加的原理将所述主控器1写入的所述频率系数和所述幅值数据进行处理并叠加后输出；fpga芯片31对所述谐波数据信号处理具体内容为：如图2所示，首先对目标信号进行离散傅里叶变换，得到一组信号的频率及其幅值数据，得到的数据为信号1-15谐次频率及其对应的幅值数据；其次在pc端7利用串口助手将得到的数据间接写入fpga的寄存器中(pc端7数据先写入主控器1的flash，主控器1再将flash中的数据写入fpga寄存器)。在fpga中利用dds原理设计了15个直接数字频率合成模块，分别对各个谐次的频率系数进行数字频率合成，因此信号频率数据经过15个直接数字频率合成模块之后，会得到15中不同频率的正弦波，再将各个幅值寄存器中的数据与对应频率的直接数字频率合成模块的输出做乘积，最后利用fpga中的加法器将15种乘积的结果做累加运算。
利用fpga芯片31实现dds原理，单个直接数字频率合成模块的rtl视图如图3所示，其中freq[31:0]为频率系数k，该频率系数即为fpga存储的15种频率系数的一种，加法器adder与32位的相位寄存器构成相位累加器，相位寄存器的输出phase[31:0]又反馈到加法器的输入端进行下个时钟周期的累积，截取相位寄存器phase[29:20]位作为正弦波rom的地址romaddr[9:0]，因此，地址的可变范围为1～1023，调用ip核形成波形存储器时需要加载rom初始化数据文件(sinrom.mif文件)即为对一个周期正弦波1024点的量化存储。本系统fpga部分设计了15个直接数字频率合成模块，能够同时进行最多15种频率的合成，对于一些幅值为零的谐波，通过程序控制失能(enable＝0)其直接数字频率合成模块转换，只进行部分谐波的合成，各个模块的输出分别为
dds0_dataout-dds14_dataout；将dds0_dataout-dds14_dataout乘以其对应的幅值reg30_out0-reg3e_out0(保存acamp0～acamp14的二进制值)，再将所得结果输入加法器进行累加，最后输出所需波形幅值量化数据。其fpga实现的原理图如图3所示，这里使用dds0和dds1作为示意原理图，其余模块的实现采用相同的原理进行叠加，因此，在fpga能够实现15个模块同时叠加。
fpga采用32bit宽度的频率系数，时钟fc采用12mhz，其实际的信号输出频率为：
fout＝k*fc/232(2)
频率精度为：
fc/232＝0.00279(3)
所述目标信号为pc端7通过usb端口输入的被测轴系的扭振信号或通过按键输入的被测轴系的扭振信号、正弦信号或三角信号。
为保证输出的直流分量与交流分量都有各自独立的精度，所述第一dac转换模块21和所述第二dac转换模块32均采用ad5760和dac8820的双dac来承担直流和交流的输出，再通过精密增益控制所述模拟加法器4在模拟输出端进行叠加，因此需要多通道的dac来实现电路的设计。
所述ad5760芯片和dac8820芯片对信号的分辨率及误差范围接近(如表4所示)，区别在于两者的输出电压范围和信号转换速率；例如，本发明所述的电子标定器中，需要输出的电压范围为x，如所述直流装置和所述交流装置均采用ad5760芯片作为dac转换模块，虽然可以保证x范围的电压输出，但是由于所述ad5760芯片的数据输入方式是串行输入，对于所述交流装置来说，所述fpga芯片31中输出的高速信号无法进行快速以及有效的转换；如所述直流装置和所述交流装置均采用dac8820担当系统全部的dac转换工作，在实现快速数模转换同时采用外部放大电路将输出电压放大至x的范围内，但是这样又无法保证标定器输出电压的精度，因此发明中的所述直流装置和所述交流装置均采用了ad5760芯片和dac8820芯片的双dac的数模转换模块，既能保证标定器输出电压的精度，又能进行高速信号的快速及有效的转换。
表4dac转换模块功能对比
所述第一低通滤波器22为巴特沃斯低通滤波器。
所述第二低通滤波器33为巴特沃斯低通滤波器。
所述巴特沃斯低通滤波器的设计指标主要有：
截止频率：fc＝1khz；
通带内电压放大倍数：a0＝2；
在输出滤波器电路的信号频率f＝10fc时，幅度衰减大于30db；
所述截止频率的选取机理如下：
所述电子标定器主要针对的是船舶发动机为5、6缸机输出的扭振信号进行标定，其最大极限转速为6000r/min，根据频率和转速的关系：
1hz＝60r/min(4)
通过(4)式转换可得扭振信号的最大频率为100hz，实际船舶轴系扭振信号的功率信息主要集中在其10谐波以内，所述电子标定器输出的波形是多次谐波叠加之后的结果，因此对于所述fpga芯片31输出波形的第二低通滤波器33设计的截止频率选择的是1khz。
所述模拟加法器4的工作原理为：所述电子标定器的最终输出信号是主控器1输出的直流信号和所述fpga芯片31输出的交流信号(谐波信号)分别经第一低通滤波器22和第二低通滤波器33后的叠加；所述交流信号表示了信号在整个周期的时域变化情况，所述直流信号主要用于对交流信号进行偏置设置，且他们均为电压信号，因此可以使用电阻和放大器组成同向输入加法电路对他们的输出信号进行叠加；其中dac端口的信号为主控器1经da转换电路之后输出的直流信号，dac1端口的信号为fpga输出经da转换的交流信号，经out端口输出最终的叠加信号。
所述模拟加法器4是根据信号叠加电路原理设计，根据叠加原理可以求得输出电压u0
由于r16＝r17＝r19＝r21，于是可得
u0＝u1+u2(6)
由式(6)可知，该电路实现了直流信号u1与交流信号u2的叠加输出，并且通过对上述电路的分析过程可知，该电路只是对输入信号进行线性叠加，并未引入电压放大因数，保证了信号的真实性。
所述模拟加法器4处理后的标定电压信号为模拟被测轴系扭振应力，采用电压信号表现出来。
所述fpga芯片31还可直接向扭振测量仪直接输出被测轴系的转速脉冲信号，同时，所述主控器1通过spi通信端口从所述fpga芯片31中提取所述转速脉冲信号。
所述主控器1中的当前标定电压信号与对应的轴径及其他参数乘积得到被测轴系的扭矩，所述扭矩与所述转速脉冲信号的乘积得到所述被测轴系的功率。
所述电子标定器还包括一显示模拟信号的显示屏6；所述显示屏6与所述主控器1连接，所述显示屏6显示所述电子标定器当前的标定电压信号、被测轴扭矩以及被测轴的功率值。
所述电子标定器还包括一usb通信端口；所述usb通信端口设置在所述主控器1上，与pc端7连接；所述usb通信端口用于将pc端7已知的实船扭振信号的频域数据输入所述主控器1中，对实船扭振信号进行标定。
所述usb通信端口虚拟串口通信的原理如图4所示：上电复位后，首先对usb通信模块进行初始化配置，接着系统循环扫描pc端7是否发来指令，如未收到指令则继续扫描；如收到指令则将指令写入临时数据寄存器中，并且引发usb中断。在usb中断中，系统通过判断临时数据寄存器(commrxdata.tmpdata)中的数据类型执行相应的中断操作：如为下传数据中断，系统使能数据接收寄存器，并且向flash中写入数据；如为数据上传中断，系统会从指定的地址空间读取已经写入的数据返回到pc端7；其他的中断如写入或读取数据的地址范围超出系统定义的地址均为错误指令，对于错误指令的处理，在系统设计了相应的错误提示信息；除此之外还可能是一些系统指令，返回usb的中断执行系统指令操作，主控器1针对usb通信中不同文件的操作设计了对应通信指令，如下表5所示：
表5usb通信指令
实施例2
本实施例的电子标定器与实施例1基本相同，唯不同的是：
所述fpga芯片31实现标定三角波输出，具体内容为：
考虑到三角波的幅值与频率呈线性变换关系，所述fpga芯片31采用直接取输入信号的频率值作为三角波的幅值输出的设计；对于前1/2周期，直接取其频率值作为三角波的幅值数据，而对于后半周期取信号半周期频率与当前输出半频率的差值作为最终的幅值数据，因此当频率完成一周期的累加时，即完成了整周期的三角波的输出。fpga中实现三角波输出的rtl视图如图5所示。其中add0与phase[31:0]构成相位累加器，累加器的输出经过两次相位选择，最终输出ddsout[15:0]为16位的数据，即截取了频率信号高16位作为输出，这样既可以保证频率的精度，又不会使信号失真。由于频率输出值为16位的数据，因此其最大值为65536，设三角波的输出频率为freq，幅值为amp；当freq小于32768时，取amp＝freq，当频率大于32768时，取amp＝32768-freq/2。在输出三角扫频波时，要求其输出的频率可变，并且变换的步进可调，系统的频率步进可以精确到0.002hz，同时模块中的频率的输入接口freq[31:0]本身就是作为输出频率变换的接口，因此该模块同样适用三角扫频波。