光纖陀螺多通道并行自動測試工藝技術(shù)

李梅娟，馬 瑞，時東海

（北京航天時代光電科技有限公司，北京100094）

0 引言

隨著光纖陀螺應(yīng)用的逐步推廣，產(chǎn)品的需求量正在穩(wěn)步增長，一些型號已經(jīng)進入批產(chǎn)階段。如何提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，適應(yīng)批產(chǎn)需求，就成為急需解決的問題。在陀螺儀生產(chǎn)工序中，測試是一個耗時較長的過程。目前對批量生產(chǎn)的陀螺儀，測試的相關(guān)工藝技術(shù)仍缺少可以借鑒的成熟技術(shù)。因此，要立足自主研究，積極探索、創(chuàng)新陀螺測試工藝，減少測試時間，提高生產(chǎn)效率，為批產(chǎn)順利進行提供有力的技術(shù)支持。

本文針對光纖陀螺測試工藝過程及其體積小的特點，提出多通道并行自動測試方法。通過開發(fā)自動化測試軟件、設(shè)計測試工裝、測試電路等硬件系統(tǒng)，可快速提高測試效率，減少測試時間。

1 總體設(shè)計

光纖陀螺多通道自動測試技術(shù)是指通過設(shè)計多陀螺并行測試的軟硬件系統(tǒng)，依據(jù)陀螺儀產(chǎn)品實際測試工藝流程，研究能在轉(zhuǎn)臺上一鍵式觸發(fā)、同時自動測試8只光纖陀螺，且能自動分析處理測試數(shù)據(jù)、自動生成測試報告的測試工藝技術(shù)。

1.1 測試內(nèi)容

單光纖陀螺測試系統(tǒng)圖如圖1所示。其中，1為轉(zhuǎn)臺下測試電纜，2為轉(zhuǎn)臺上轉(zhuǎn)接電纜。電源及測試電路均在轉(zhuǎn)臺外面，測試軟件通過232?USB轉(zhuǎn)接線獲取測試數(shù)據(jù)。

光纖陀螺在轉(zhuǎn)臺上的測試，主要包括角速率試驗和 “地西南”位置測試。其中，角速率試驗和位置測試各進行6遍。試驗時將光纖陀螺安裝在測試工裝內(nèi)，測試系統(tǒng)連接好后，光纖陀螺通電開始測試。靜態(tài)測試完成后，再進行速率測試。

角速率試驗的目的是測試常溫及高、低溫下光纖陀螺指標。角速率試驗需進行6遍常溫角速率試驗，在0℃、 ＋15℃、 ＋30℃、 ＋40℃、 ＋50℃、＋60℃各進行1遍速率和位置試驗。光纖陀螺的測試過程中共涉及12次轉(zhuǎn)速率，速率試驗需要轉(zhuǎn)26個速率點。

由位置試驗和角速率試驗過程可以看出，測試過程要經(jīng)過多個輪次的高、低溫循環(huán)，轉(zhuǎn)速率試驗也十分耗時。在產(chǎn)品研制階段采用的一個工裝安裝一個光纖陀螺，即在溫箱內(nèi)采用單套測試設(shè)備的方式，試驗時間長，效率低。

1.2 多通道并行自動測試方案

根據(jù)對光纖陀螺測試流程和測試過程中存在問題的研究分析，采用多套并行的自動化測試方案，對測試系統(tǒng)進行重新設(shè)計和配置，采用在轉(zhuǎn)臺上同時安裝8只光纖陀螺進行測試的方案，如圖2所示。在設(shè)計測試工裝時，考慮轉(zhuǎn)臺尺寸有限、安裝產(chǎn)品多、便于光纖陀螺安裝盒拆卸操作，設(shè)計時采用花瓣形內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)方案，外層用來安裝固定8只光纖陀螺，內(nèi)層用來安裝固定測試電路和二次電源模塊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)的硬件主要包括工裝、測試電路、供電電源、測試電纜和測試工裝。測試電路由采集1路陀螺數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿胁杉?路陀螺數(shù)據(jù)，需要對電路進行重新設(shè)計；為了使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，將供電模式由一次電源供電改為二次電源供電；測試工裝設(shè)計為圓形，使其在做速率試驗時所受向心力相同。

2.1 工裝設(shè)計

轉(zhuǎn)臺尺寸有限，承重有限，為實現(xiàn)8只陀螺儀并行測試，設(shè)計工裝時兼顧結(jié)構(gòu)的強度和質(zhì)量，既要保證陀螺儀安裝測試的安全性，又不能超過轉(zhuǎn)臺的承載能力。因此，工裝設(shè)計為兩層，以增加有效使用的面積，上層用來安裝固定8只光纖陀螺儀，如圖1所示；下層用來固定測試電路、供電電源、并有走線設(shè)計，如圖3所示。將陀螺儀、電源和測試電路都安裝在測試工裝中，優(yōu)點在于避免將電源放置在轉(zhuǎn)臺下面而使用長距離的電纜，測試電路和二次電源模塊距離很近，電信號經(jīng)過路徑短，可以減少電磁干擾。工裝設(shè)計了6個安裝孔，其中一個為定位孔，公差要求更為嚴格，完全模擬了陀螺儀在慣組應(yīng)用中的實際安裝情況。

2.2 電氣設(shè)計

相對原有單套產(chǎn)品的測試系統(tǒng)，由于測試系統(tǒng)電氣接口的變化，需要重新設(shè)計測試電纜，使1套電纜滿足8只陀螺儀的并行測試要求。為提高電連接器的使用效率和插拔操作的可靠性，要重新選擇電連接器。

測試系統(tǒng)電氣連接如圖4所示。其中，a為RS422轉(zhuǎn)接線，b為轉(zhuǎn)臺下轉(zhuǎn)接電纜，電纜b與轉(zhuǎn)臺配套的電連接器型號為JY27467?T23B32PN和JY27467T23B34SN，與一次電源配套的電連接器為DB25針，與RS422配套的電連接器是DB9插頭；c為轉(zhuǎn)臺上轉(zhuǎn)接電纜（兩種插頭兩種電纜），電纜c與轉(zhuǎn)臺配套的電連接器是JY27467T23B32PN和JY27467T23B34SN，目的是專纜專用，使其明顯地區(qū)別于其他電纜，防止電纜的誤接錯用。工裝上電纜接口設(shè)計為DB25針和DB25孔，防止電纜插錯引起陀螺儀芯片燒壞。電纜線均采用屏蔽線以避免信號線的電磁干擾，另外考慮測試電纜上的壓降對陀螺儀內(nèi)電路板的影響，采用多點多線，布線長度盡量短。

在單陀螺儀測試系統(tǒng)中，測試電源放置于轉(zhuǎn)臺下面，通過滑環(huán)給陀螺儀供電。為縮短陀螺儀到電源之間的距離，測試電路需要安裝在離電源模塊和陀螺儀都比較近的位置上。因此，需要在工裝上設(shè)計測試電路板、二次電源的安裝位置。根據(jù)測試系統(tǒng)的配置、電源模塊和測試電路的外形尺寸，將測試電路、電源模塊安裝在測試工裝的背面。電路板的安裝方式占用空間小，有利于測試工裝整體尺寸的控制。

測試盒的核心是高速數(shù)據(jù)采集單元，高速數(shù)據(jù)采集單元通過RS232接口實現(xiàn)與陀螺儀通信，高速數(shù)據(jù)采集單元采用基于ARM＋FPGA的高性能嵌入式系統(tǒng)。

為實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)采集單元的實時性以及應(yīng)用任務(wù)的方便編寫，數(shù)據(jù)采集單元采用嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）。RTOS有效保證了系統(tǒng)對相應(yīng)事件處理的實時性，并且對應(yīng)用任務(wù)提供了統(tǒng)一的任務(wù)擴展、調(diào)度接口函數(shù)，以方便應(yīng)用任務(wù)的開發(fā)及調(diào)試。數(shù)據(jù)采集單元采用FPGA技術(shù)實現(xiàn)各種接口協(xié)議，并實現(xiàn)對各種通信數(shù)據(jù)的硬件時標，如圖5所示。

3 測試軟件設(shè)計

本測試系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio開發(fā)測試軟件，軟件具有轉(zhuǎn)臺控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、判斷的功能。設(shè)計充分考慮測試過程中容易出錯的部分，在軟件中增加自動建立文件夾、數(shù)據(jù)實時保存功能；為減少數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜步驟，在軟件中增加數(shù)據(jù)自動處理、判斷的功能。為使軟件能兼容不同型號陀螺儀的自動化測試，在軟件中增加模式設(shè)置（用于固定不同型號的速率點），增加Matlab服務(wù)器動態(tài)鏈接（用于變換不同型號的數(shù)據(jù)處理程序）。在菜單欄中設(shè)計有速率標定和開始兩種模式的測試方式，速率標定用于速率試驗的自動化測試，開始按鈕用于零位、溫度循環(huán)、老煉等不需要控制設(shè)備的測試。軟件設(shè)計中還設(shè)有轉(zhuǎn)臺速度顯示窗口，測試開始時間和結(jié)束時間，Matlab命令輸入窗口等。同時，軟件還可以根據(jù)測試陀螺儀的個數(shù)變換窗口顯示的數(shù)量。

測試軟件的運行流程如圖6所示，以常溫速率試驗為例，啟動測試軟件后，選擇轉(zhuǎn)臺型號，選擇產(chǎn)品型號，填寫產(chǎn)品編號并選擇串口號，程序?qū)⒆詣优袛嘁恢换蚨嘀坏臏y試模式；自動建立數(shù)據(jù)保存路徑與名稱，接收數(shù)據(jù)串口、控制設(shè)備串口、讀取面板上的控件參數(shù)，向轉(zhuǎn)臺發(fā)送命令，若轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定，檢查數(shù)據(jù)接收標志，進行數(shù)據(jù)的讀取、翻譯、顯示，測試完成后進行數(shù)據(jù)的處理、判斷并生成測試報告。測試軟件的工作界面如圖7所示，包括8通道測試數(shù)據(jù)顯示區(qū)、輸出數(shù)據(jù)區(qū)、菜單設(shè)置區(qū)。

測試軟件收到的數(shù)據(jù)是從測試電路中發(fā)送出來的422串口信號，其發(fā)送周期為100ms/幀，32位數(shù)據(jù)位，采取和校驗，幀長12字節(jié)，每幀數(shù)據(jù)包含幀頭、通道數(shù)、陀螺數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、校驗位和幀尾等一系列信息，波特率為115200。

測試軟件運行具有高度的自動化，如測試參數(shù)均由軟件自動設(shè)置，轉(zhuǎn)臺的啟動、轉(zhuǎn)動狀態(tài)也由軟件控制、判斷等。因此，可以減輕操作員操作、監(jiān)視轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的重復(fù)勞動，減少在操控轉(zhuǎn)臺過程中可能出現(xiàn)的人為誤操作現(xiàn)象，從而提高測試的準確性、一致性。

對比單陀螺測試和8陀螺并行測試的效率，某型號光纖陀螺進行測試的時間比較結(jié)果如表1所示。一方面，采用開發(fā)的測試軟件可以減少人為判斷轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定、控制轉(zhuǎn)臺的操作時間；另一方面，8只陀螺并行測試可以將整體測試效率提高7倍以上，大大提高生產(chǎn)效率。

表1 單陀螺與8只陀螺測試時間比較Table 1 Test time comparison between single FOG and 8?FOG

4 結(jié)論

本文針對光纖陀螺測試過程的項目多、耗費時間長、產(chǎn)品生產(chǎn)效率低的問題，提出8只陀螺并行測試方法，構(gòu)建測試系統(tǒng)，設(shè)計了工裝及電纜等硬件，開發(fā)了相應(yīng)的測試軟件。自動化的軟件操作，減少誤操作機率，降低工人的勞動強度，提高了測試的準確性。多組合測試方法提高產(chǎn)品的測試效率7倍以上，降低了測試成本，適合于光纖陀螺產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，為光纖陀螺的廣泛應(yīng)用提供可靠保障。