陀螺和加速度計(jì)微慣性測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 慧，范錦彪

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

微慣性測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于現(xiàn)代武器系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)能力、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等的技術(shù)性指標(biāo)具有決定性影響。它的精度在很大程度上決定了衛(wèi)星、導(dǎo)彈、航天器的姿態(tài)精度，對(duì)各類(lèi)飛行器的定位、定向及姿態(tài)的確定具有重大作用。為此，設(shè)計(jì)了陀螺和加速度計(jì)微慣性測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行體姿態(tài)的高速度、高精度采樣存儲(chǔ)。

1 微慣性測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)記錄彈體內(nèi)通過(guò)測(cè)量的加速度和角速度是慣性測(cè)量系統(tǒng)硬件部分的主要任務(wù)，微慣性測(cè)量單元的硬件部分主要由電源控制器、中心控制器、Flash 存儲(chǔ)器、三軸陀螺、三軸加速度計(jì)、適配放大濾波電路和接口電路組成，如圖1 所示。

圖1 微慣性測(cè)量單元硬件框圖

由于A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入范圍為0 V～2.5 V，但是傳感器的輸出范圍在0 V～5 V，所以在信號(hào)從傳感器輸出以后，需要將信號(hào)縮小到A/D 轉(zhuǎn)換器可接受的范圍。本文采取了電阻分壓的方式進(jìn)行信號(hào)縮小，縮小到0 V～2.5 V 的信號(hào)被輸入A/D 轉(zhuǎn)換器，信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并存入Flash 存儲(chǔ)器。實(shí)驗(yàn)完成后裝置從彈體中取出，并經(jīng)過(guò)上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)行信號(hào)處理、解算和輸出［1-3］。

本文中微慣性測(cè)量單元的性能指標(biāo)要求工作溫度在－40 ℃～60 ℃，角速度測(cè)量范圍:X，Y，Z:±2 000 °/s，加速度測(cè)量范圍:±50 g，分辨率為12 bit，采樣頻率50 kSa/s，技術(shù)實(shí)踐60 s 記錄通道為8 通道，存儲(chǔ)容量48Mbyte，陀螺傳感器精度≤0.5%FR;加速度傳感器精度≤0.5FR，USB 接口為上位機(jī)接口方式，數(shù)據(jù)保持時(shí)間≥72 h。

1.2 微慣性測(cè)量系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)計(jì)

介于設(shè)備使用的要求和條件，以及電路設(shè)計(jì)的原理，通常在進(jìn)行設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)要先完成功能設(shè)計(jì)，而后進(jìn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行整體電路設(shè)計(jì)［4，5］。圖2 為微慣性測(cè)量單元狀態(tài)設(shè)計(jì)圖，狀態(tài)設(shè)計(jì)分為待上電、初始化、順序記錄、等待讀數(shù)、讀數(shù)、擦除六種狀態(tài)。

圖2 微慣性測(cè)量單元狀態(tài)設(shè)計(jì)圖

1)待上電:電池開(kāi)始為電源控制芯片供電，等待上電信號(hào)。此狀態(tài)下，電流標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為20 μA 左右，為達(dá)到低功耗要求，只有MAX894L 和CPLD 電源管理芯片接通電源，裝置的上電方式為斷線上電。

2)初始化:復(fù)位信號(hào)會(huì)在斷線上電后在電路中產(chǎn)生，對(duì)CPLD 進(jìn)行復(fù)位操作。系統(tǒng)設(shè)定為保持上電信號(hào)1 s 以上電路才進(jìn)行上電，主要原因是為了避免電路中產(chǎn)生的毛刺使電路誤上電。

3)順序記錄:時(shí)間60 s，長(zhǎng)度48Mbyte，此狀態(tài)需保證Flash 存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)已被擦除過(guò)，且電路進(jìn)行斷電上電，數(shù)據(jù)記錄成功后，進(jìn)入低功耗狀態(tài)，自動(dòng)關(guān)閉傳感器電源，等待讀數(shù)。

4)等待讀數(shù):等待與上位機(jī)相連，此時(shí)系統(tǒng)不再進(jìn)行任何數(shù)據(jù)的記錄和存儲(chǔ)。

5)讀數(shù):裝置在與上位機(jī)連接后，發(fā)出讀數(shù)指令，喚醒單片機(jī)，設(shè)備接收指令后，AD 總線進(jìn)入高阻態(tài)，CPLD 總線同步進(jìn)入到輸出狀態(tài)，讀出存儲(chǔ)設(shè)備中數(shù)據(jù)。讀數(shù)完成后，既可以進(jìn)入擦除狀態(tài)，也可以直接下電。

6)擦除:上位機(jī)對(duì)Flash 存儲(chǔ)器發(fā)擦除命令，進(jìn)行按塊擦除。此狀態(tài)需要在數(shù)據(jù)讀出后進(jìn)行。

2 傳感器的選擇

2.1 陀螺傳感器的選擇

由于相比于傳統(tǒng)陀螺儀，MEMS 陀螺具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、抗沖擊強(qiáng)等特點(diǎn)，故本文選擇MEMS 陀螺作為微慣性測(cè)量單元的傳感器。

MEMS 陀螺的工作原理是隨著三個(gè)軸角速度的變化而輸出不同的電壓信號(hào)，此信號(hào)在經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器后以數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在Flash 存儲(chǔ)器中，之后通過(guò)上位機(jī)軟件將信號(hào)讀取到計(jì)算機(jī)并解算成需要的參數(shù)值。

由于成本、體積、速度等方面的考慮，且要求設(shè)備在隨著時(shí)間和溫度變化的條件下依然能夠保持較好的穩(wěn)定性和可靠性，本文選擇采用MEMS 技術(shù)芯片的西安精準(zhǔn)測(cè)控公司生產(chǎn)的PA－3ARG 系列固態(tài)角速率陀螺，其是一種具有高可靠性和高封裝堅(jiān)固性的三軸角速度傳感器。

2.2 加速度傳感器的選擇

由于:a=f/m，即:加速度=慣性力/質(zhì)量，可知加速度可以通過(guò)測(cè)量慣性力的方式被計(jì)算出來(lái)。而慣性力可以通過(guò)電磁力來(lái)平衡，電磁力和電流又存在著比例關(guān)系，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出慣性力和電流的關(guān)系，信號(hào)處理電路記錄電流便可通過(guò)慣性力得出加速度［6］。

由于功耗、體積、穩(wěn)定性和精度方面的考慮，本文選用Analog Device 公司的ADXL 系列的加速度傳感器［7］。

3 微慣性測(cè)量系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW 軟件是一款提供直覺(jué)式開(kāi)發(fā)環(huán)境的軟件，且其擁有豐富的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)等相關(guān)函數(shù)。本文選用LabVIEW 軟件作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)軟件。

3.1 軟件主界面

在充分考慮人機(jī)界面要與以往軟件風(fēng)格的銜接及人們實(shí)際操作習(xí)慣等因素的條件下，本系統(tǒng)軟件界面如圖3。

圖3 軟件主界面

軟件圖形界面的左邊是波形圖空間，用來(lái)顯示數(shù)據(jù)得出的波形，可以通過(guò)LabVIEW 軟件的波形顯示控件直接顯示多種波形，“采樣長(zhǎng)度”控件記錄采集的數(shù)據(jù)量，以MB 為單位，“采樣讀數(shù)”控件對(duì)設(shè)備內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，“打開(kāi)文件”控件用于打開(kāi)以前的數(shù)據(jù)，“通道選擇”控件查看不同通道中的數(shù)據(jù)波形。

3.2 程序各部分功能

主程序主要由程序初始化部分，主體部分和程序退出部分三部分組成。主體部分是用來(lái)響應(yīng)用戶(hù)各種操作的一個(gè)帶While 循環(huán)的事件結(jié)構(gòu)。

根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集子程序、讀取二進(jìn)制文件子程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序和通道選擇子程序。

通過(guò)數(shù)據(jù)采集子程序及讀取二進(jìn)制文件子程序發(fā)送讀數(shù)指令和讀取二進(jìn)制文件(.dat 文件)，并輸出成為一維數(shù)據(jù)。再用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序?qū)?dat 文件從8 位轉(zhuǎn)換為16 位，并處理得到12 位A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

通道選擇子程序能夠?qū)⒌玫綌?shù)據(jù)的一維數(shù)組，按照8 個(gè)通道分成8 個(gè)數(shù)組，并且按照用戶(hù)選擇的通道進(jìn)行輸出。

3.3 模塊化程序設(shè)計(jì)

為了使主程序能夠簡(jiǎn)單易讀的同時(shí)又方便分開(kāi)調(diào)試，且不容易出錯(cuò)，采用了子VI 的方法。采樣讀數(shù)、讀取文件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、通道選擇的程序分別封裝成子VI，分別調(diào)用不同的子VI，就能分別實(shí)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)功能。節(jié)省了工作路徑的同時(shí)，也提高了運(yùn)行速度和穩(wěn)定性。

3.4 事件結(jié)構(gòu)

事件結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)用戶(hù)的不同動(dòng)作去執(zhí)行不同的程序，是當(dāng)今主要的人機(jī)界面設(shè)計(jì)方法之一。由于事件通常需要多次執(zhí)行，而不是只執(zhí)行一次，所以通常情況下事件結(jié)構(gòu)需要配合While 循環(huán)一同使用。相比于不斷循環(huán)判斷觸發(fā)條件的輪詢(xún)結(jié)構(gòu)，事件結(jié)構(gòu)等待觸發(fā)的特點(diǎn)能夠節(jié)省大量的系統(tǒng)資源。

3.5 錯(cuò)誤處理

軟件設(shè)計(jì)人員需要對(duì)軟件有全面的了解，在軟件發(fā)生問(wèn)題的時(shí)候，能夠迅速找到問(wèn)題發(fā)生的地方，作為L(zhǎng)abVIEW 編程中重要的一環(huán)，軟件本身提供了錯(cuò)誤輸入和錯(cuò)誤輸出控件，通過(guò)這兩個(gè)控件，可以方便地進(jìn)行錯(cuò)誤處理。

如圖4 所示，本次軟件設(shè)計(jì)中，使用了錯(cuò)誤輸入簇和錯(cuò)誤輸出簇，程序框圖最左邊是錯(cuò)誤輸入簇，之后數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)程序初始化部分、主循環(huán)事件結(jié)構(gòu)部分、程序結(jié)束部分，最后在錯(cuò)誤輸出簇部分結(jié)束。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的程序，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)流編程的思想，不但能夠使程序按照數(shù)據(jù)流的方向執(zhí)行，而且能夠很好地處理程序各個(gè)部分產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證微慣性測(cè)量系統(tǒng)的性能，利用三軸無(wú)磁性轉(zhuǎn)臺(tái)模擬彈體的飛行姿態(tài)。以X 軸為例:如圖4 為兩個(gè)傳感器采集到的X 軸信號(hào)。將采集到的三軸信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的解算即可得到需要的飛行參數(shù)。

圖4 X 軸陀螺角速度變化曲線及加速度曲線

5 結(jié)論討論

采用陀螺和加速度計(jì)的微慣性測(cè)量系統(tǒng)體積小、功耗低，能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行體姿態(tài)的數(shù)據(jù)采集，可以滿(mǎn)足測(cè)量單元性能指標(biāo)的要求。兩種傳感器信息的融合使得精度更高，誤差減小。該測(cè)試系統(tǒng)適用于很多場(chǎng)合，后續(xù)將采集到的數(shù)據(jù)利用算法軟件進(jìn)行處理分析，便可以解算出姿態(tài)測(cè)試所需要的參數(shù)，有進(jìn)一步研究的意義和必要性。同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)每一次信息的讀取都需要將測(cè)試裝置拆下來(lái)連接數(shù)據(jù)線讀取，若能在系統(tǒng)中集成小型無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，便可能解決這個(gè)問(wèn)題。這也是后續(xù)為提高工作效率需要改進(jìn)的。

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