光纖陀螺自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李芃博

(西安電子科技大學(xué) CAD研究所,陜西 西安 710071)

光纖陀螺自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李芃博

(西安電子科技大學(xué) CAD研究所,陜西 西安 710071)

采用虛擬儀器技術(shù),設(shè)計(jì)了一種光纖陀螺自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),以判斷其性能指標(biāo)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。闡述了測(cè)試系統(tǒng)的硬件單元設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。其硬件單元包括信號(hào)隔離電路、存儲(chǔ)電路、以太網(wǎng)模塊、電源模塊等,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括基于SOPC的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和LabWindows/CVI的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。該測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試,表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,完成了所有的測(cè)試功能,用戶界面操作簡(jiǎn)單,測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確,能夠滿足光纖陀螺科研生產(chǎn)的需求。

光纖陀螺;虛擬儀器;以太網(wǎng);數(shù)據(jù)采集

目前,我國(guó)中、低精度的光纖陀螺研究已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平并進(jìn)入批量生產(chǎn)階段,在軍事和民用方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,研究人員正在努力攻克高精度光纖陀螺的相關(guān)技術(shù)[1]。光纖陀螺的性能優(yōu)劣取決于其性能指標(biāo)是否符合要求,為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)每個(gè)光纖陀螺的性能,確保其精度和穩(wěn)定性,完善的測(cè)試方法和高精度的測(cè)試系統(tǒng)是必不可少的。光纖陀螺的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)是指由工控機(jī)控制若干設(shè)備,通過(guò)專用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集及處理,并給出測(cè)試結(jié)果[2-5]。

因此,本文提出一種基于虛擬儀器架構(gòu)的光纖陀螺性能參數(shù)自動(dòng)化試測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,通過(guò)專用的控制采集測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)四路光纖陀螺信號(hào)采集并通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)及處理,通過(guò)工控機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)溫箱進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,通過(guò)電壓電流表測(cè)試產(chǎn)品電流,自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并生成相關(guān)報(bào)表。

1 光纖陀螺自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)方案

光纖陀螺自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)適用于對(duì)3種不同類型的三軸光纖陀螺進(jìn)行標(biāo)定、驗(yàn)證及性能測(cè)試,確定其性能參數(shù)是否符合產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的要求。其主要功能要求:(1)可同時(shí)進(jìn)行四路三軸光纖陀螺的測(cè)試,支持3種不同協(xié)議類型的產(chǎn)品性能測(cè)試。(2)可對(duì)高速數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。(3)提供三軸光纖陀螺測(cè)試所需的電壓信號(hào),并且實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品通電的自動(dòng)通斷。(4)實(shí)現(xiàn)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)能與三軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行通信,可以按照測(cè)試規(guī)范加載不同的轉(zhuǎn)速,控制轉(zhuǎn)臺(tái)按照既定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)、停止。(5)實(shí)現(xiàn)溫箱的遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)能與ACS溫箱進(jìn)行通信,以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,可以設(shè)定溫箱溫度,啟動(dòng)溫箱升/降溫,停止溫箱,讀取溫箱溫度等。(6)實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置?？梢酝ㄟ^(guò)上位機(jī)測(cè)試界面自由切換產(chǎn)品類型,選擇測(cè)試項(xiàng)目,設(shè)置通信協(xié)議、產(chǎn)品名、溫度因子、脈沖寬度等。能夠?qū)崟r(shí)采集四路光纖陀螺的RS422信號(hào)、脈沖信號(hào),并能實(shí)時(shí)顯示X軸、Y軸和Z軸的曲線圖。(7)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理。按照測(cè)試規(guī)范要求,實(shí)現(xiàn)對(duì)各路采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理,并顯示處理結(jié)果,生成相應(yīng)的報(bào)表,計(jì)算參數(shù)包括:零偏、零偏穩(wěn)定性、零偏重復(fù)性、刻度因數(shù)、刻度因數(shù)非線性度、刻度因數(shù)重復(fù)性以及不正交角等[9]。(8)測(cè)試過(guò)程中記錄測(cè)試日志,方便工作人員查看測(cè)試流程。

圖1 光纖陀螺自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

光纖陀螺自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)中,系統(tǒng)硬件主要包括計(jì)算機(jī)、溫箱轉(zhuǎn)臺(tái)、電壓電流表以及控制采集測(cè)試儀等,其中計(jì)算機(jī)、溫箱轉(zhuǎn)臺(tái)和電壓電流表都采用成熟的模塊?？刂撇杉瘻y(cè)試儀作為整個(gè)系統(tǒng)的核心,主要完成光纖陀螺的數(shù)據(jù)采集和供電控制,是系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn),因此本章主要介紹控制采集測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)?？刂撇杉瘻y(cè)試儀的主要構(gòu)成部分包括:存儲(chǔ)模塊、以太網(wǎng)模塊、信號(hào)處理模塊、FPGA模塊、電源模塊以及基于SOPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等6個(gè)部分,如圖2所示。

圖2 控制采集儀系統(tǒng)

內(nèi)存在系統(tǒng)運(yùn)行中起到了重要的作用,它提供了操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境,緩存應(yīng)用程序代碼。本系統(tǒng)選用兩片Micron公司生產(chǎn)的MT47H16M16芯片,一片用作數(shù)據(jù)總線高16位,一片用作數(shù)據(jù)總線的低16位,構(gòu)建了數(shù)據(jù)總線為32位,大小為64 MB的內(nèi)存系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)中的以太網(wǎng)模塊主要完成光纖陀螺數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)傳輸,其接口電路通常由MAC控制器和物理層接口電路這兩大部分組成。文中選用Marvell88E1111實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)物理層,FPGA內(nèi)部集成的三態(tài)以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器實(shí)現(xiàn)外部物理層芯片的控制,構(gòu)建基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)高速傳輸模塊。DP83865的工作狀況可由配置信息決定,可通過(guò)MDIO接口訪問(wèn)其內(nèi)部寄存器。

該系統(tǒng)應(yīng)用于溫濕度及電磁環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)測(cè)試中,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,光纖陀螺的輸出信號(hào)連接電纜應(yīng)采用屏蔽雙絞線,這樣不僅可以抵御外界的電磁干擾,同時(shí)也可以降低自身信號(hào)的對(duì)外干擾;同時(shí)為保證系統(tǒng)工作的可靠性,光纖陀螺RS422信號(hào)的地線與芯片地線需要通過(guò)屏蔽層連接起來(lái)。

系統(tǒng)需要提供6種不同的電壓,分別是27 V、3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.0 V以及0.9 V。其中光纖陀螺供電所需的27 V電壓直接從外部電壓源提供,不需要單獨(dú)設(shè)計(jì);FPGA需要I/O電壓3.3 V,電壓穩(wěn)定在3.3 V±10%即可正常工作,內(nèi)核電壓采用1.0 V,同時(shí)還需要2.5 V的供電電壓;DDR2 SDRAM采用了SSTL_18的電平標(biāo)準(zhǔn),需要1.8 V的I/O電壓和核電壓VDDQ,同時(shí)SSTL_18電平標(biāo)準(zhǔn)需要高精度的0.9 V電平作為參考電壓VREF以及0.9 V的終結(jié)電壓VTT。根據(jù)以上分析,最終確定的電源模塊設(shè)計(jì)方案為:外部提供27 V和5 V的直流電壓,將5 V直流電源輸入轉(zhuǎn)換為滿足系統(tǒng)要求的3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.0 V和0.9 V電壓。

系統(tǒng)選用Xilinx公司Virtex-5系列的XC5VFX30T作為控制采集測(cè)試儀的核心處理芯片它內(nèi)部嵌入了PowerPC440硬核處理器,4個(gè)10/100/1 000 Mbit·s-1以太網(wǎng)MAC模塊,能夠快速方便的解決數(shù)據(jù)的高速傳輸問(wèn)題。同時(shí)它支持360個(gè)可配置I/O端口,2 448 kB的BRAM,能夠?qū)崿F(xiàn)各種外部設(shè)備的并行控制和數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及處理。XC5VFX30T采用3.3 V供電,內(nèi)核供電電壓僅為1.0 V,具有超低功耗[8]。

Xilinx公司各系列的FPGA支持功能強(qiáng)大的EDK(Embedded Development Kit)嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái),將微處理器(PowerPC、Microblaze)與各種外設(shè)控制器通過(guò)系統(tǒng)總線進(jìn)行互聯(lián),從而構(gòu)建基于SOPC的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)[6],如圖3所示。

圖3 SOPC系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)中,通過(guò)Xilinx公司的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)EDK建立滿足要求的嵌入式系統(tǒng),組件面板如圖4所示。

圖4 SOPC系統(tǒng)總線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Xilinx公司開(kāi)發(fā)的SDK軟件能夠與XPS形成的硬件系統(tǒng)緊密聯(lián)合,操作簡(jiǎn)單,能夠方便地進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)[7]。在系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)設(shè)置完畢后,將自動(dòng)生成工程所需的庫(kù)文件和板級(jí)支持包,此時(shí)就可以編寫下位機(jī)數(shù)據(jù)采集及高速傳輸?shù)膽?yīng)用程序。該應(yīng)用程序的主要功能是從FIFO中讀取1 s的光纖陀螺數(shù)據(jù)并通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給上位機(jī),其具體流程圖如圖5所示。

圖5 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖

在搭建的SOPC系統(tǒng)為設(shè)計(jì)提供了硬件基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了MAC層以下的網(wǎng)絡(luò)功能,但是系統(tǒng)的運(yùn)行、設(shè)備的控制以及以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)需要由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文使用EDK下集成的軟件編譯環(huán)境SDK,用于實(shí)現(xiàn)LWIP TCP/IP協(xié)議,其中應(yīng)用程序部分要求實(shí)現(xiàn)整個(gè)TCP/IP協(xié)議棧的內(nèi)容,在設(shè)置好系統(tǒng)的軟件平臺(tái)后,需要編寫各種關(guān)于網(wǎng)絡(luò)傳輸控制的應(yīng)用程序。本文使用LWIP協(xié)議庫(kù)的功能并采取RAW模式實(shí)現(xiàn)方式。系統(tǒng)使用Marvell88E1111實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)物理層,而SOPC系統(tǒng)中XPS_LL_TEMAC核實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的數(shù)據(jù)鏈路測(cè)MAC功能,為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與上層的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層進(jìn)行通信,需要為L(zhǎng)WIP的接口編寫驅(qū)動(dòng)程序,Xilinx公司為用戶提供了豐富的API 函數(shù),lwip_init()函數(shù)實(shí)現(xiàn)了LWIP協(xié)議棧的初始化,xemac_add()函數(shù)完成了MAC地址IP地址和網(wǎng)關(guān)信息的設(shè)置,tcp_new()創(chuàng)建了一個(gè)新的TCP連接,tcp_bind()函數(shù)綁定這個(gè)tcp服務(wù)的端口,tcp_listen()函數(shù)對(duì)遠(yuǎn)程連接進(jìn)行監(jiān)聽(tīng),tcp_accept()函數(shù)正式接受連接,用戶可以在tcp_recv()函數(shù)和tcp_sent()函數(shù)中設(shè)置相應(yīng)的回調(diào)函數(shù),當(dāng)發(fā)送和接收完數(shù)據(jù)和命令后執(zhí)行相應(yīng)的操作。

由圖可知,下位機(jī)首先完成以太網(wǎng)的連接,然后等待上位機(jī)命令,根據(jù)上位機(jī)命令類型,執(zhí)行相關(guān)操作,這些操作包括產(chǎn)品斷電、產(chǎn)品上電以及數(shù)據(jù)采集等。進(jìn)行光纖陀螺數(shù)據(jù)采集前,上位機(jī)需先發(fā)送產(chǎn)品上電命令,檢測(cè)產(chǎn)品電流是否正常,若不正常則產(chǎn)品斷電,并提醒工作人員查看,否則根據(jù)數(shù)據(jù)采集命令,設(shè)置產(chǎn)品通信協(xié)議、允許中斷,各個(gè)FIFO清零等。此時(shí),FPGA開(kāi)始采集陀螺數(shù)據(jù),等待1 s定時(shí)到,從FIFO中讀取各路光纖陀螺的1 s和數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機(jī)處理。

由于LabWindows/CVI提供了豐富的函數(shù)庫(kù)和強(qiáng)大的接口功能,因此用戶可以根據(jù)不同的需求方便的在平臺(tái)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件程序,光纖陀螺自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括溫箱轉(zhuǎn)臺(tái)的控制、數(shù)據(jù)采集與處理、顯示這兩大部分組成,全部在LabWindows/CVI軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。

測(cè)試系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu),軟件功能主要包括文件、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、外圍設(shè)備自動(dòng)化控制及產(chǎn)品性能參數(shù)測(cè)試項(xiàng)目等5個(gè)部分。其整體功能框圖如圖6所示。

圖6 軟件整體框圖

本著界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)了光纖陀螺性能參數(shù)自動(dòng)化測(cè)試軟件。根據(jù)測(cè)試規(guī)范要求,不同型號(hào)和工作狀態(tài)的光纖陀螺,其輸出也不同,因此設(shè)計(jì)了主界面,用戶對(duì)光纖陀螺的型號(hào)和工作狀態(tài)進(jìn)行選擇。主界面如圖7和圖8所示。

圖7 軟件界面1

圖8 軟件界面2

光纖陀螺的數(shù)據(jù)采集主要包括光纖陀螺的電流數(shù)據(jù)采集、光纖陀螺的溫度數(shù)據(jù)采集、光纖陀螺的零偏數(shù)據(jù)采集和光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù)數(shù)據(jù)采集。

在這4種數(shù)據(jù)采集中,電流數(shù)據(jù)時(shí)先通過(guò)電流傳感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓,然后通過(guò)電流表進(jìn)行采集;溫度數(shù)據(jù)是FPGA采集光纖陀螺輸出的RS422數(shù)據(jù)得到的;零偏測(cè)試時(shí),首先通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)陀螺的X軸指地,采集角速度為零時(shí)陀螺的輸出;標(biāo)度因數(shù)是光纖陀螺輸出值與輸入值之間的比值,輸入角速度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)同時(shí)采集輸出值,然后通過(guò)最小二乘擬合求得標(biāo)度因數(shù)。系統(tǒng)總的測(cè)試流程如圖9所示。

圖9 采集流程圖

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)光纖陀螺的性能,需要在多個(gè)溫度點(diǎn)下進(jìn)行產(chǎn)品性能測(cè)試,每個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)試流程一致,如圖10所示。

圖10 速率測(cè)試流程

如圖10所示,在每個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)試前,需要設(shè)置溫箱溫度并保溫,溫箱保溫結(jié)束后開(kāi)始數(shù)據(jù)采集,此時(shí)能夠正確反映產(chǎn)品在該溫度下的性能。轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)品上電,發(fā)送開(kāi)始采集命令,完成靜態(tài)采集,計(jì)算產(chǎn)品的零偏及零偏穩(wěn)定性;靜態(tài)測(cè)試完畢,設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)速率,完成X軸速率測(cè)試,計(jì)算X軸的刻度因數(shù)及刻度因數(shù)非線性度;X軸速率測(cè)試完畢,依次完成Y軸和Z軸速率測(cè)試。三軸速率測(cè)試完畢后,產(chǎn)品斷電,發(fā)送停止采集命令,計(jì)算產(chǎn)品的不正交角。此時(shí),已完成了該溫度下的產(chǎn)品性能評(píng)估。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試與分析

在脈沖測(cè)試前,需要用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,確定自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的性能指標(biāo)。測(cè)試信號(hào)選用方波,測(cè)試頻率與測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 脈沖標(biāo)定測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指標(biāo)完全可以滿足脈沖測(cè)試的要求。實(shí)際功能測(cè)試時(shí),選擇工作在驗(yàn)收狀態(tài)的光纖陀螺,此時(shí)其輸出為脈沖信號(hào)。打開(kāi)測(cè)試軟件,主界面選擇驗(yàn)收,4個(gè)通道全部選中,設(shè)定工作路徑,分別測(cè)試常溫、-40°、+65°下的光纖陀螺性能。

圖11 常溫靜態(tài)測(cè)試顯示界面

圖12 常溫X速率測(cè)試顯示界面

將光纖陀螺固定在轉(zhuǎn)臺(tái)夾具后,選擇工作在標(biāo)定狀態(tài)的光纖陀螺,此時(shí),其輸出為RS422信號(hào)。

圖13 +65°靜態(tài)測(cè)試顯示界面

打開(kāi)測(cè)試軟件,主界面選擇標(biāo)定,4個(gè)通道全部選擇,設(shè)定工作路徑,分別測(cè)試常溫、-45°、-15°、+15°、+40°、+65°下光纖陀螺性能。圖13顯示為+65°靜態(tài)測(cè)試顯示界面,圖14顯示為+65°X軸速率測(cè)試顯示界面。

圖14 +65°X軸速率測(cè)試顯示界面

從圖中可以看到,界面實(shí)時(shí)顯示了X軸、Y軸和Z軸的數(shù)據(jù)波形和當(dāng)前的輸出值,功能指示燈顯示當(dāng)前的測(cè)試溫度,可查看光纖陀螺的編號(hào),測(cè)試時(shí)間、存盤路徑、已測(cè)點(diǎn)數(shù)、當(dāng)前測(cè)試溫度以及狀態(tài)信息等。所有溫度點(diǎn)測(cè)試完畢后,系統(tǒng)將自動(dòng)生成報(bào)表,計(jì)算光纖陀螺的各種參數(shù),包括零偏,零偏穩(wěn)定性、零偏重復(fù)性、刻度因數(shù)、刻度因數(shù)非線性度等。

5 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)建立了一套完備、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)光纖陀螺性能的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性,完成了所有的測(cè)試功能,用戶界面操作簡(jiǎn)單,測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。

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Design of a Fiber-optic Gyroscope Auto-testing System

LI Pengbo

(Research Institute of Electronic CAD,Xidian University,Xi’an 710071,China)

Due to its significant characteristics of high precision,simple structure,long lifespan and low cost,the FOG(fiber-optic gyroscope) has been widely used in areas such as aviation,aerospace and navigation.Based on virtual instrument technology,this paper implements a fiber optic gyroscope auto-testing system,which can be used to determine whether the performance of FOG can meet the standards.The hardware unit design and system software design of this system are discussed in detail.The hardware unit circuit contains the signal isolation circuit,memory circuit,Ethernet circuit and power supply circuit etc.The design of the system software is mainly about the embedded software design based on SOPC and the PC software design based on LabWindows/CVI.It is easy to operate and the result is more precise.The test system can fully meet the requirements of research and production of FOG.

fiber-optic gyroscope;virtual instrument;ethernet;data acquisition

2014- 08- 29

李芃博(1990—),男,碩士研究生。研究方向:電子系統(tǒng)集成。E-mail:xidianlipengbo@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.043

TN219;TM151+.3

A

1007-7820(2015)04-160-06