陀螺尋北方位儀的軟硬件改進(jìn)方法?

何永前 申傳俊 黃澤漪

（1.海軍湛江航保修理廠 湛江 524002）（2.湖北三江航天紅林探控有限公司 孝感 432000）

1 引言

高精度尋北技術(shù)是陸基武器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，它對武器的命中精度、部隊(duì)的戰(zhàn)備反應(yīng)時(shí)間及部隊(duì)的隱蔽性和生存能力具有重要影響。研究快速高精度尋北技術(shù)對武器系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

隨著微處理器和大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字技術(shù)開始應(yīng)用到慣性技術(shù)中，用基于微處理器的數(shù)字控制系統(tǒng)取代原來的模擬電子系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用軟件編程實(shí)現(xiàn)算法，修改簡便，更容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法；計(jì)算機(jī)可同時(shí)控制幾條回路，性價(jià)比高；計(jì)算機(jī)不易受器件老化等模擬電路中常見問題的影響，性能優(yōu)越，但功耗、體積和工作環(huán)境等方面的缺陷影響了其在高精度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。32位字長的ARM芯片具有低功耗、體積小、接口方便、程序編寫調(diào)試方便的特點(diǎn)，完全可取代由PC/104計(jì)算機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)。因此，為進(jìn)一步提高陀螺尋北方位儀的性能，利用ARM對其進(jìn)行數(shù)字化的研究與改造是很有意義的［1～2］。

2 尋北儀嵌入式控制系統(tǒng)硬件及軟件

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及信號流程

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

尋北儀嵌入式控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2.1示，系統(tǒng)以LPC2292為核心，由ADS8364和ADG508構(gòu)成的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，在LPC2292的控制下對輸入模擬量（旋變信號、陀螺信號、加速度計(jì)信號及力矩器信號）進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，并計(jì)算出偏北角γ。

圖1 尋北儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2 尋北狀態(tài)下信號流程［6］

尋北狀態(tài)下，陀螺工作在穩(wěn)定回路下，計(jì)算機(jī)通過計(jì)算輸出指定電流給陀螺方位軸力矩器，陀螺開始進(jìn)動后通過穩(wěn)定回路帶動方位軸轉(zhuǎn)動。平臺轉(zhuǎn)到位后陀螺轉(zhuǎn)為力反饋狀態(tài)，這時(shí)力反饋回路輸出到力矩器的電流值反映了陀螺敏感的角速率（正比關(guān)系），電流流過采樣電阻，通過采集采樣電阻兩端電壓信號就可求得力矩器上的電流大小。計(jì)算機(jī)通過在0°和180°這兩個(gè)位置所采集到的信號就可以解算出當(dāng)前的航向角。圖2為計(jì)算機(jī)控制板與力反饋板之間的引腳連接示意圖。

圖2 計(jì)算機(jī)控制板接口圖示

在計(jì)算機(jī)控制板上引出這幾個(gè)引腳：LX、LY、LX*、LY*，相對應(yīng)的有 LJQX、LJQY、LJQX*、LJQY*。

2.2 慣性導(dǎo)航姿態(tài)角-數(shù)字轉(zhuǎn)換［3］

本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集部分主要采集加速度計(jì)信號、陀螺信號以及來自旋轉(zhuǎn)變壓器的電壓信號。其中自旋轉(zhuǎn)變壓器的電壓信號為交流信號，用來計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，判斷是否在轉(zhuǎn)到0°和180°位置處采樣；其他為直流信號，用來計(jì)算偏北角γ。

2.2.1 雙峰采樣旋轉(zhuǎn)變壓器

1）旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，對航向和縱橫搖姿態(tài)角的模擬和數(shù)字發(fā)送精度要求通常都很高。通常，平臺羅經(jīng)的姿態(tài)角模擬發(fā)送精度要求2'，數(shù)字轉(zhuǎn)換精度要求30''，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)要求則更高。因此，它們的測角元件大都采用粗精結(jié)合的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，粗精比通常為1：16和1：30等。本文的尋北系統(tǒng)采用的是粗精比1：16的多極旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器給出平臺坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系之間的夾角，力矩電機(jī)是伺服平臺的執(zhí)行元件使得平臺坐標(biāo)系跟蹤陀螺坐標(biāo)系［11］。

正-余弦旋轉(zhuǎn)變壓器包括轉(zhuǎn)子和定子，其輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的函數(shù)成正弦或余弦函數(shù)關(guān)系。定子一個(gè)繞組產(chǎn)生一個(gè)具有參考頻率的電壓，其幅值正比于軸角的正弦，另一個(gè)繞組產(chǎn)生一個(gè)幅值正比于軸角余弦的電壓。激磁電壓

輸出正余弦電壓

其中θ為轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)角。輸出電壓波形如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)變壓器波形

2）雙峰采樣脈沖的獲得

系統(tǒng)所采用的激磁信號頻率為400Hz，為了獲得角度信號，采用雙峰采樣電路，就是要在激磁電壓的正負(fù)兩個(gè)峰值上都要采樣并啟動轉(zhuǎn)換，這樣可以減小因等待峰值時(shí)間過長造成的時(shí)滯誤差，電路圖見圖4。由輸出波形圖可知，激磁信號經(jīng)過移項(xiàng)比較之后產(chǎn)生的正負(fù)脈沖在時(shí)間上正好對準(zhǔn)正余弦輸入信號的正負(fù)峰值。用這兩個(gè)脈沖來控制采樣保持器并啟動ADC開始轉(zhuǎn)換，就可以實(shí)現(xiàn)雙峰值采樣［5］。

2.2.2 采集電路設(shè)計(jì)

1）采集電路硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分采用可6通道16位并行輸出同步采樣的AD轉(zhuǎn)換器ADS8364。該芯片自身帶有片選（CS）、輸入時(shí)鐘（CLK）、并行數(shù)據(jù)輸出（［0：15］）以及靈活的控制信號，因此可以直接與ARM7系列微控制器進(jìn)行連接，具有高速、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，其6路模擬輸入分為3組（A，B，C），每個(gè)輸入端都有一個(gè)ADC保持信號用以保證幾個(gè)通道能同時(shí)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。ADS8364的差分輸入可在-VREF到 +VREF之間變化［7］。

圖4 雙峰采樣電路

圖5 采樣脈沖電路輸出波形

圖6 為LPC2292與ADS8364之間的引腳連接示意圖。

圖6 LPC22292與ADS8364連接示意圖

AD轉(zhuǎn)換的工作過程為：4路交流信號通過采樣保持器轉(zhuǎn)換為直流信號，通過模擬開關(guān)切換，與直流信號一起送到ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。4路旋變信號通過一個(gè)模擬開關(guān)ADG508，在LPC2292片選控制下依次選通作為ADS8364的一組輸入信號，其他4路直流信號（包括2路陀螺信號和2路加速度計(jì)信號）分別單獨(dú)作為一組與旋變信號一起送到AD中。通過MCU（LPC2292）的程序控制ADS8364的時(shí)序，對輸入的5路直流信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，克服了以往的8路信號通過模擬開關(guān)依次選通而不能同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的弊端，達(dá)到數(shù)據(jù)采集和提高精度的目的［8］。

2）采集電路軟件設(shè)計(jì)

（2）工作流程

圖7 AD轉(zhuǎn)換時(shí)序圖

3）程序流程圖

根據(jù)芯片的AD轉(zhuǎn)換時(shí)序和電路要求，設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換的流程圖如8所示。

圖8 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

2.2.3 電機(jī)驅(qū)動部分硬件設(shè)計(jì)［10，12］

系統(tǒng)需要在0°和180°兩個(gè)位置采樣來消除漂移誤差，需要對電機(jī)做兩件事：一是給電機(jī)提供±15V的電源電壓；二是給電機(jī)提供大電流，使電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。

給電機(jī)提供電源，只需要一個(gè)繼電器作開關(guān)，將計(jì)±15V電源與電機(jī)電源相連就可以了。

給電機(jī)提供正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)電流，本系統(tǒng)采用LMD18200實(shí)現(xiàn)。LMD18200的PWM輸入端始終為高電平，如圖9所示，把LPC2292的一個(gè)PWM引腳輸出與LMD18200的DIR引腳相連來不斷切換電流輸出方向，LMD18200的兩個(gè)輸出端DJ_O和DJ*_O分別接到電機(jī)的兩端。這樣就解決了以往不斷切換繼電器來改變電流方向的弊端。圖10是輸入端DIR和PWM引腳的信號變化與輸出OUT1、OUT2的關(guān)系。

圖9 LMD18200電流方向控制示意圖

根據(jù)圖9可知，DIR引腳的電平?jīng)Q定了輸出電流方向與PWM引腳電壓的關(guān)系。高電平時(shí)，輸出與PWM同相；低電平時(shí)，輸出與PWM反相。所以，使PWM引腳一直處于高電平狀態(tài)，不斷改變DIR的電平就達(dá)到了控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的目的。連接情況如圖10所示。

1.體驗(yàn)式教育實(shí)踐課程體系設(shè)計(jì)思路。體驗(yàn)式教育實(shí)踐模式的構(gòu)建，對人才培養(yǎng)方案中課程設(shè)置的種類、數(shù)量、比例等都有一定的要求。課程設(shè)置應(yīng)該遵循理論學(xué)習(xí)與教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合的原則，理念上強(qiáng)調(diào)“一體化”，達(dá)到“夯實(shí)基礎(chǔ)課程、整合專業(yè)課程、強(qiáng)化教育實(shí)踐課程”的目標(biāo)，突出課程設(shè)計(jì)的師范性、實(shí)踐性。比如專業(yè)必修理論課程應(yīng)適當(dāng)降低難度，增設(shè)興趣選修課程，拓寬知識領(lǐng)域；教育實(shí)踐課程強(qiáng)化專業(yè)技能訓(xùn)練，重視實(shí)踐體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)特長發(fā)展。一體化的教育過程中，專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)與教學(xué)技能訓(xùn)練既相對分離又相互滲透，最終實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)的要求。

圖10 電機(jī)驅(qū)動連接圖

2.2.4 軟件部分［4，9］

1）應(yīng)用軟件的總體設(shè)計(jì)

尋北儀控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用了標(biāo)準(zhǔn)的C語言，采用的是面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程相結(jié)合編程思想。ARM所提供的ANSI C語言庫是利用ARM提供的semihost運(yùn)行環(huán)境實(shí)現(xiàn)輸入/輸出功能的。所謂semihost是利用主機(jī)資源，實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的程序所需要的輸入/輸出功能的一些技術(shù)。C應(yīng)用程序可以使用C運(yùn)行時(shí)庫中的函數(shù)，這時(shí)C運(yùn)行時(shí)庫完成下面的功能：

（1）建立C應(yīng)用程序運(yùn)行環(huán)境，它包括：建立數(shù)據(jù)棧；如果需要，建立數(shù)據(jù)堆；初始化需要使用的C運(yùn)行時(shí)庫。

（2）運(yùn)行主程序main（）。

（3）提供對ISOC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的函數(shù)的支持。

當(dāng)C源程序代碼經(jīng)過ARM編譯器編譯后生成ELF格式的目標(biāo)文件。這些目標(biāo)文件和相應(yīng)的C運(yùn)行時(shí)庫經(jīng)過ARM連接器處理后，生成ELF格式的映像文件（image）。這種ELF格式的映像文件被燒寫到嵌入式設(shè)備的ROM中，ARM中C運(yùn)行時(shí)庫就是一些ELF格式的目標(biāo)文件的集合。

2接口軟件的實(shí)現(xiàn)

尋北儀系統(tǒng)，一方面要完成快速尋北和方位保持，并向主控計(jì)算機(jī)發(fā)送相關(guān)尋北信息；另一方面需要從外界獲得速度、緯度信息，從而實(shí)現(xiàn)方位儀的速度、緯度補(bǔ)償。系統(tǒng)通過一些功能模塊與通用微處理器的接口實(shí)現(xiàn)信息的交換，通過通用微處理器的調(diào)度實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)及各個(gè)模塊工作的協(xié)調(diào)［10］。

主控計(jì)算機(jī)和導(dǎo)航儀的接口采用RS-422接口標(biāo)準(zhǔn)，串行、異步通訊方式。

尋北儀與主控計(jì)算機(jī)之間不可避免地需要進(jìn)行信息通訊。例如，尋北儀每定時(shí)10s向主控計(jì)算機(jī)發(fā)送尋北儀狀態(tài)信息，或要接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送的緯度和速度信息，或響應(yīng)主控計(jì)算發(fā)送來的詢問命令或狀態(tài)查詢命令等。尋北儀與主控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行交換的信息都有自己的報(bào)文格式，報(bào)文的開頭結(jié)尾以及每個(gè)字節(jié)都有特定的意義。

例如在實(shí)驗(yàn)中，由主控計(jì)算機(jī)發(fā)送字符串，LPC2292接收到數(shù)據(jù)后，判斷接收到的是什么信息，挑選出其中的有效信息，再發(fā)送回主機(jī)。圖11為串口通信的收發(fā)軟件流程。

圖11 串口軟件實(shí)現(xiàn)流程

3 結(jié)語

介紹了尋北儀計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，以及相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)過程。將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于陀螺尋北儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，克服了一般的導(dǎo)航方法難以提供這種快速而高精度的方位基準(zhǔn)的缺點(diǎn)，提高了陀螺尋北儀的性能。