單軸系陀螺儀組測(cè)量系統(tǒng)

李曉君，楊農(nóng)合，張家斌，郭廣軍，程 慧

（1.中國(guó)人民解放軍63963部隊(duì)，北京100072；2.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安710048；3.北京理工大學(xué) 飛行器動(dòng)力學(xué)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

單軸系陀螺儀組是由若干個(gè)陀螺儀組成的一個(gè)軸系方向（X）角運(yùn)動(dòng)位置檢測(cè)裝置。檢測(cè)單軸系陀螺儀組的傳統(tǒng)方法是通過一定數(shù)量的控制開關(guān)、指示燈，電壓表、電流表來(lái)測(cè)試其靜態(tài)的工作狀態(tài)與性能。單軸系陀螺儀組的動(dòng)態(tài)特性是非常重要的技術(shù)指標(biāo)[1]，反映了陀螺儀組的性能和實(shí)際工作的特性。通過由上下位機(jī)構(gòu)成的陀螺儀測(cè)試系統(tǒng)可以完成單軸系陀螺儀組的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的多項(xiàng)測(cè)試，對(duì)陀螺儀組做出正確的功能分析和質(zhì)量評(píng)價(jià)[2]。

1 測(cè)試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

單軸系陀螺儀測(cè)試系統(tǒng)由ARM Cortex-M3單片機(jī)作為中心主體，通過16路DI、DO數(shù)字輸入、數(shù)字輸出模塊和16位A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理電路、電源等構(gòu)成。測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

陀螺儀組通過信號(hào)調(diào)理電路接入測(cè)試系統(tǒng)，信號(hào)調(diào)理電路由DO控制轉(zhuǎn)換電路和陀螺儀組的輸出轉(zhuǎn)換電路組成，完成ARM Cortex-M3單片機(jī)發(fā)出的DO控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合陀螺儀組的要求的控制信號(hào)，并將陀螺儀組的輸出轉(zhuǎn)換為符合A/D模塊采集要求的信號(hào)。

16位的并行高速A/D轉(zhuǎn)換芯片及16通道的多路模擬開關(guān)構(gòu)成A/D采集模塊，保證了數(shù)據(jù)采集精度和分辨率，并保證了信號(hào)的速率，降低了相位誤差。

上位機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)的USB端口，以HID通信模式和下位機(jī)交換數(shù)據(jù)和發(fā)出功能指令。下位機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)通過USB端口送到上位機(jī)，由上位機(jī)的測(cè)試程序進(jìn)行處理和顯示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成框圖

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件

上位機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件完成7類12項(xiàng)檢測(cè)功能，采用模塊化設(shè)計(jì)，按照測(cè)試功能分類。對(duì)陀螺儀組的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定其該項(xiàng)指標(biāo)是否超限（并顯示指標(biāo)上、下限）。各種操作均有彈出向?qū)дf明操作步驟和陀螺儀連接方法。由系統(tǒng)時(shí)鐘作為基礎(chǔ)時(shí)間切片，時(shí)鐘中斷作為USB端口的掃描控制。USB接口程序使用HID模式實(shí)現(xiàn)熱插拔功能，以命令組的包模式對(duì)下位機(jī)通信。

下位機(jī)采用C語(yǔ)言編程，控制DO、DI、AD模塊，AD采集模塊采用實(shí)時(shí)的修改后中值濾波算法，降低了噪聲影響，保證信號(hào)的可靠性。修改后中值濾波算法數(shù)學(xué)公式為：

其中，Vmax是區(qū)間的最大值，Vmin是區(qū)間的最小值。在保證具有較高的采樣速度情況下，采用長(zhǎng)度為7的環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。濾波處理對(duì)于Vi的數(shù)據(jù)是中心對(duì)稱，相位偏移最小，7個(gè)數(shù)據(jù)中的最大和最小被剔除，剩余5個(gè)數(shù)據(jù)做平均。在保證高采樣率的情況下，經(jīng)過濾波可以消除粗大和隨機(jī)尖峰脈沖干擾。

常用的中值濾波算法不能剔除粗大誤差和瞬時(shí)的脈沖尖峰干擾，經(jīng)過修改加上剔除粗大干擾的算法，既保證了最小波形相位延遲，又不會(huì)損傷信號(hào)。圖2為測(cè)試系統(tǒng)軟件圖。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)軟件框圖

3 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

陀螺儀組特性測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)測(cè)試軟件按照測(cè)試項(xiàng)目和流程，通過USB端口對(duì)下位機(jī)發(fā)出相應(yīng)的命令組控制包，ARM Cortex-M3單片機(jī)收到命令組控制包后，按照測(cè)試要求輸出控制狀態(tài)，經(jīng)調(diào)理電路中的DO控制轉(zhuǎn)換電路變換為符合陀螺儀組的控制信號(hào)，送到陀螺儀組。控制陀螺儀組進(jìn)入工作狀態(tài)，陀螺儀組的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)變換驅(qū)動(dòng)后，送入A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)行中值濾波，將數(shù)據(jù)組合為數(shù)據(jù)包通過USB端口送至上位機(jī)，由測(cè)量程序按照設(shè)定的流程進(jìn)行處理和圖形顯示。

4 測(cè)試應(yīng)用效果

測(cè)試系統(tǒng)除了數(shù)字顯示以外，圖形顯示功能也很強(qiáng)大[3]，可對(duì)陀螺儀組動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行直觀地描述，直接可以顯示出陀螺儀組性能優(yōu)劣。

圖3是采集的陀螺儀組的動(dòng)態(tài)工作電流波形，從波形圖上可以清楚反映陀螺儀組中各陀螺儀及其附件的組合、分離與各種工作狀態(tài)加載特性以及控制響應(yīng)時(shí)間特性。

圖3 陀螺儀組動(dòng)態(tài)電流特性圖

圖4是陀螺儀組的差動(dòng)輸出的波形之一，通過圖形反映了陀螺儀的輸出性能、穩(wěn)定性以及信號(hào)放大的綜合性能，及其輸出幅度、偏移和對(duì)稱性。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)和波形評(píng)價(jià)陀螺儀組的單項(xiàng)和綜合特性。

圖4 陀螺儀組差動(dòng)信號(hào)輸出

圖5是檢測(cè)陀螺儀組的自動(dòng)校正性能測(cè)試，對(duì)其漂移和自動(dòng)校正的測(cè)試進(jìn)行圖形顯示。使用鼠標(biāo)選取坐標(biāo)，可由測(cè)試程序計(jì)算出精確的校正動(dòng)作持續(xù)時(shí)間和校正間隔時(shí)間。

圖5 陀螺儀組自動(dòng)校正波形

由上下位機(jī)構(gòu)成的單軸系陀螺儀組測(cè)試系統(tǒng)，ARM Cortex-M3單片機(jī)作為下位機(jī)，其性能優(yōu)良，運(yùn)算速度快，內(nèi)部存儲(chǔ)器大，USB接口，外加16位的并行接口的A/D轉(zhuǎn)換模塊，DO、DI模塊和調(diào)理電路，使得下位機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，使用USB端口的HID模式通信，速度快，接口電纜標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上位機(jī)的要求大大降低，不僅可以使用一般計(jì)算機(jī)完成測(cè)試，也可以使用筆記本電腦作為上位機(jī)。由于采用USB-HID模式，上位機(jī)不用安裝驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別通信端口，極大簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)連接方式，降低了結(jié)構(gòu)成本且維護(hù)簡(jiǎn)單。

[1]顧正華，王帆，韓杰，等.基于光纖陀螺側(cè)滑角動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集和處理[J].測(cè)控技術(shù)，2011，36（6）：33-35.

[2]馮智勇，曾瀚，張力，等.基于陀螺儀及加速度計(jì)信號(hào)融合的姿態(tài)角度測(cè)量[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，36（4）：137-141.

[3]高琴，陳樹君，王續(xù)明，等.多功能虛擬示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù)，2010，43（4）：217-219.