基于虛擬儀器的機(jī)載陀螺儀測(cè)試系統(tǒng)研究

王曙霞，梁洪潔，王小營(yíng)，劉 偉

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710089；2.西安威勝航空科技發(fā)展有限公司 陜西 西安 710089）

虛擬儀器技術(shù)是軟件代替部分硬件設(shè)計(jì)的技術(shù)，其中硬件模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)理、采集和輸出，而軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理、顯示和產(chǎn)生。利用軟件快速、靈活的運(yùn)算處理能力，簡(jiǎn)化硬件模塊功能，減少硬件模塊體積，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外，該技術(shù)只需更改軟件就能滿足大部分信號(hào)的測(cè)試，具有很強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性[1-2]。

目前，傳統(tǒng)的航空機(jī)載陀螺儀測(cè)試系統(tǒng)采用分立儀器搭建，具有成本高、自動(dòng)化程度低、擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)[3-5]，因此，這里提出一種基于虛擬儀器技術(shù)的航空機(jī)載陀螺儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 陀螺儀測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件主要是以C8051F005單片機(jī)為核心，結(jié)合相應(yīng)的外圍電路實(shí)現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換以及開(kāi)關(guān)量的控制，采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)RS-232總線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信?？紤]到該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊較多，且為了后續(xù)擴(kuò)展，選用標(biāo)準(zhǔn)的3U工業(yè)機(jī)箱。其系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

圖1 陀螺儀測(cè)試系統(tǒng)硬件原理圖

1.1 測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)

測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)用于標(biāo)校陀螺精度，每種型號(hào)的陀螺都有各自的測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)。在對(duì)陀螺進(jìn)行測(cè)試前，需要將陀螺固定在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上，并將轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整到水平位置。測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上有俯仰和傾斜指示刻度，可根據(jù)要求將陀螺調(diào)整到相應(yīng)位置。

1.2 陀螺儀和航空連接器

陀螺轉(zhuǎn)子是陀螺儀的基本部件，常采用同步電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)方法使陀螺轉(zhuǎn)子高速圍繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；內(nèi)、外框架（或稱內(nèi)、外環(huán)）是陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu)；附件是指力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指方向在不受外力影響時(shí)不改變的原理來(lái)保持方向，制造出來(lái)的陀螺裝置就叫陀螺儀。陀螺儀在工作時(shí)要給它一個(gè)力，使它能快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，一般能達(dá)到每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)，可以工作很長(zhǎng)時(shí)間，然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)[6]。

陀螺儀的種類(lèi)很多，按用途可分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器；指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。不同型號(hào)的陀螺儀通過(guò)不同的連接器與信號(hào)調(diào)理箱連接。因此，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)陀螺儀的連接情況，需要配備多個(gè)連接器。

1.3 電源部件

電源部件為航空機(jī)載陀螺儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)提供所需的直流和交流電源，直流輸出為+27 V，交流輸出為三相36 V 400 Hz和三相115 V 400 Hz。陀螺儀型號(hào)不同，其消耗功率也不同，交直流一般約0.5 A。

1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行圖像顯示，向操作人員提示及報(bào)警。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析記錄，以測(cè)試報(bào)表形式輸出。軟件采用全漢化處理，選用菜單對(duì)話形式，將每一步操作方法都顯示在顯示屏上。操作人員可以按照提示完成操作。

通信模塊實(shí)現(xiàn)板卡與計(jì)算機(jī)之間的通信[3-4]，計(jì)算機(jī)使用RS232總線，而智能板卡使用CAN總線，轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)的采集功能，如圖2所示。

圖2 CAN250的典型應(yīng)用

C8051F005單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器DAC714和A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543的控制，產(chǎn)生直流電壓信號(hào)，經(jīng)輸出采樣電路的電壓/電流轉(zhuǎn)換、放大，輸出穩(wěn)定的直流電流。使用D/A輸出、A/D采樣，與主控單片機(jī)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。可用鍵盤(pán)進(jìn)行電流數(shù)值設(shè)定，用LED（發(fā)光二極管）進(jìn)行顯示，智能板卡數(shù)據(jù)采集框圖如圖3所示。

圖3 智能板卡數(shù)據(jù)采集框圖

1.5 信號(hào)調(diào)理箱

信號(hào)調(diào)理箱實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)理、采集和輸出。通過(guò)分析不同型號(hào)陀螺的工作原理，其輸出信號(hào)有同步器、模擬量和開(kāi)關(guān)量等信號(hào)。根據(jù)信號(hào)性質(zhì)，信號(hào)調(diào)理箱包含S/D、A/D和繼電器等集成電路，能夠?qū)⑼狡餍盘?hào)、模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，達(dá)到與計(jì)算機(jī)通信的目的。

采用CJ24Y4L和CJ24W型航空智能板卡采集陀螺儀的輸出模擬量。CJ24W航空智能板卡可以滿足模擬信號(hào)的輸出，輸出電壓為0～23 V。模擬量采集為24路單端輸入和8路差分輸入，分辨率為24位，可以采集0～300 V的電壓，0～2 A的電流。采集數(shù)據(jù)精度高、速度快、穩(wěn)定性好。由于陀螺儀的信號(hào)輸出數(shù)量多，不可能將所有信號(hào)同時(shí)輸入到信號(hào)調(diào)理箱，必須經(jīng)過(guò)繼電器矩陣進(jìn)行切換，繼電器切換必須具有足夠快的響應(yīng)時(shí)間，能通斷較大的信號(hào)，因此選用型號(hào)為JDQ航空智能板卡，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的連接、斷開(kāi)和轉(zhuǎn)換。該航空智能板卡工作電壓為DC+27 V，信號(hào)的采集和模擬均符合航電設(shè)備的輸入輸出要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用美國(guó)NI公司的虛擬儀器軟件LabWindows/CVI進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[4-5]，CVI是在 C語(yǔ)言（ANSIC）的基礎(chǔ)上增加了儀器控制和工具函數(shù)庫(kù)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件，具有友好的圖形用戶界面，因此選用CVI可以加快測(cè)試程序開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)軟件原理圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件原理圖

為了方便和規(guī)范測(cè)試系統(tǒng)程序的編寫(xiě)，將各個(gè)硬件模塊的驅(qū)動(dòng)編譯生成動(dòng)態(tài)庫(kù)，由測(cè)試系統(tǒng)程序根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用。系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，硬件驅(qū)動(dòng)和虛擬儀器界面的開(kāi)發(fā)是重點(diǎn)。

硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)是對(duì)智能板卡進(jìn)行程控，方便測(cè)試系統(tǒng)程序的編寫(xiě)和集成。航空智能板卡驅(qū)動(dòng)程序是上位機(jī)與下位機(jī)程序通信的紐帶，通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)硬件的控制。虛擬儀器界面提供人機(jī)接口，操作員根據(jù)需要施加信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)。CVI提供了開(kāi)發(fā)虛擬儀器界面的用戶接口資源文件（*.uir）、各種控制和顯示控件，用于模擬實(shí)際儀表界面。分析完成航空電源智能采集板上位機(jī)采集功能所需的各種控件。根據(jù)CVI軟件編程，完成控件的編制，除了一些基本的控制顯示控件外，還有一個(gè)示波器顯示控件，它用于顯示采集數(shù)據(jù)的波形。機(jī)載陀螺進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

控制函數(shù)的編寫(xiě)過(guò)程中，由于在板卡功能設(shè)計(jì)中有交流和直流之分，因此在波形顯示界面設(shè)計(jì)時(shí)，也將其分為交流和直流2個(gè)波形顯示界面。而在運(yùn)行程序過(guò)程中，采集交流或直流，都需將另外一個(gè)隱藏起來(lái)，這就用到函數(shù)SetCtrlAtribute（panelHandle，PANEL_STRIPCHART，ATTR_VISIBLE，1）和函數(shù) SetCtrlAttribute（panelHandle，PANEL_GRAPH，ATTR_VISIBLE，0）。在控制函數(shù)中，繪制波形的函數(shù) Plot StripChart（panelHandle，PANEL_STRIPCHART，data，1，0，0，VAL_DOUBLE）；采用函數(shù)SetCtrlAttribute（panelHandle，PANEL_TIMER，ATTR_ENABLED，1）打開(kāi)時(shí)鐘，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 應(yīng)用設(shè)計(jì)

采用基于虛擬儀器技術(shù)的機(jī)載陀螺儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，成功構(gòu)建了多套航空測(cè)試設(shè)備，例如陀螺智能綜合測(cè)試設(shè)備（包括陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、垂直陀螺、航向陀螺等）、操縱臺(tái)智能測(cè)試儀、單相靜止變換器校驗(yàn)設(shè)備、飛參模擬器[6]等。機(jī)載陀螺自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目：準(zhǔn)備時(shí)間，垂直陀螺在傾斜和俯仰4°時(shí)，接通電源1 min后應(yīng)以±2°的精度輸出水平信號(hào)；鎖定時(shí)間，當(dāng)隨動(dòng)托架、外環(huán)架和陀螺組合件處于任何位置時(shí)，鎖定時(shí)間應(yīng)不超過(guò) 15 s；修正速度，橫向修正速度 2～8（°）/min，縱向修正速度 1～3（°）/min；陀螺漂移（轉(zhuǎn)動(dòng)），垂直陀螺以 1（°）/s的角速度旋轉(zhuǎn)360°后，在沿傾斜方向的漂移不大于±2.5°（實(shí)際為±3.5°）等。圖6為某型號(hào)陀螺的電位計(jì)零位測(cè)試界面。

圖6 陀螺的電位計(jì)零位測(cè)試界面

4 結(jié)論

基于虛擬儀器技術(shù)的機(jī)載陀螺儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)利用電子電路集成技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以及多總線設(shè)備互補(bǔ)的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種型號(hào)陀螺儀的自動(dòng)化測(cè)試，具有測(cè)試自動(dòng)化程度高、成本低、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用到航空航天、測(cè)控、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

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