基于DGUS屏控制器的嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)

余 臻，秦朝俊

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 引言

傳統(tǒng)的線加速度計(jì)離心試驗(yàn)一般都需要離心機(jī)作為檢測(cè)設(shè)備。離心機(jī)是利用高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)向心加速度，對(duì)線加速度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)的一種慣性器件校準(zhǔn)設(shè)備。離心機(jī)是一種大型試驗(yàn)設(shè)備，通常需要專門的地基、主機(jī)設(shè)備間、操作控制室、控制機(jī)柜等，試驗(yàn)場(chǎng)地占地面積較大，設(shè)施及儀器設(shè)備比較復(fù)雜，因此它的造價(jià)昂貴，離心試驗(yàn)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，試驗(yàn)過(guò)程也不夠高效?；诖耍O(shè)計(jì)一套既滿足大多數(shù)離心試驗(yàn)要求，又能簡(jiǎn)化試驗(yàn)場(chǎng)地建設(shè)，提高離心試驗(yàn)效率的離心機(jī)設(shè)備，成為該領(lǐng)域研發(fā)人員的新任務(wù)；嵌入式離心試驗(yàn)臺(tái)主要是針對(duì)傳統(tǒng)離心機(jī)的不足，為了適應(yīng)人們對(duì)離心機(jī)小型化、集成化、簡(jiǎn)易化的需求而專門設(shè)計(jì)的。本文介紹一種以DGUS屏（DWIN Graphic Utilized Software） 為控制器的嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)。

1 嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)組成及工作過(guò)程

該嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)分為兩個(gè)部分，一是機(jī)械臺(tái)體，二是控制系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械臺(tái)體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了小型化、輕型化的設(shè)計(jì)，便于安裝調(diào)試，同時(shí)能節(jié)省安裝空間和設(shè)備成本。試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)采用基于DGUS屏控制器的嵌入式系統(tǒng)，替代了大型控制機(jī)柜和工控計(jì)算機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)框圖

嵌入式控制器按照用戶設(shè)定或輸入信息將控制指令發(fā)送至通信模塊，通信模塊將指令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制信號(hào)，控制信號(hào)再通過(guò)功放轉(zhuǎn)換為大電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)定子與離心試驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)體底座相連，而伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子與離心試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)臂相連。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)離心試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)臂，兩者以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。編碼器與離心試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸固連，其作用是采集反饋信號(hào)，輸送至反饋轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)通信模塊將信號(hào)輸入嵌入式控制器形成閉環(huán)反饋。

嵌入式控制器的引入，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)離心機(jī)的控制系統(tǒng)；成為該離心試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的核心。

1.1 基于輕型材料和新型結(jié)構(gòu)的機(jī)械臺(tái)體

嵌入式離心試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械臺(tái)體為立式單軸轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，相比大型離心機(jī)的轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)可以有效地降低旋轉(zhuǎn)部分的重量。主軸采用精密機(jī)械軸承，轉(zhuǎn)臂材料選用優(yōu)質(zhì)的超硬鋁合金，不同于傳統(tǒng)離心機(jī)的鑄鐵或不銹鋼材料。這種設(shè)計(jì)減輕了旋轉(zhuǎn)部分的重量，對(duì)由此產(chǎn)生的剛度薄弱部位做了加強(qiáng)處理，使結(jié)構(gòu)更加合理，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)的小型化和輕型化設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)臂設(shè)置螺紋孔用于安裝線加速度計(jì)等測(cè)試件工裝。機(jī)械臺(tái)體固定在鑄鐵底座上，這種方式可以將底座放置在普通地基地面上，在一定程度上減少了對(duì)地基的要求。旋轉(zhuǎn)主軸外部設(shè)置了安全防護(hù)罩，當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，防護(hù)罩能有效地保障與離心試驗(yàn)臺(tái)在同一房間的操作人員的安全，同時(shí)減少了離心試驗(yàn)臺(tái)的安裝使用面積。

1.2 基于DGUS屏控制器的嵌入式控制系統(tǒng)

整個(gè)控制系統(tǒng)由嵌入式觸摸屏控制器、無(wú)刷直流電機(jī)、正弦編碼器和功率放大器組成。該控制方式為全數(shù)字閉環(huán)的控制系統(tǒng)，以正弦編碼器為反饋元件，通過(guò)軟件的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)高精度的角速率控制，該閉環(huán)系統(tǒng)能對(duì)負(fù)載進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，響應(yīng)速度較快。以上控制過(guò)程為全自動(dòng)數(shù)字控制過(guò)程，在調(diào)試完成后，不需要人工進(jìn)行調(diào)整。

嵌入式觸摸屏控制器采用DGUS觸摸屏，不是使用傳統(tǒng)的工控計(jì)算機(jī)，使整個(gè)控制系統(tǒng)體積大大縮小，設(shè)備成本也大大降低。該控制系統(tǒng)將嵌入式觸摸屏控制器、通信模塊及電源和功放都集成于一個(gè)小型的控制箱內(nèi)，使設(shè)備的占地面積縮小，操作也更加簡(jiǎn)便。

DGUS觸摸屏是由北京迪文科技有限公司（簡(jiǎn)稱迪文公司）自主研發(fā)的一款基于K600+內(nèi)核的高可靠性、操作靈活的圖形用戶接口GUI（Graphical User Interface），它的主要特點(diǎn)是將傳統(tǒng)的GUI分解為單個(gè)的控件，并按照用戶的要求配置并組合這些控件用于完成界面的開(kāi)發(fā)。這與傳統(tǒng)控制軟件開(kāi)發(fā)主要依靠編寫代碼的方式有較大的區(qū)別。用戶對(duì)控制軟件的開(kāi)發(fā)是組態(tài)式的，也就是說(shuō)，開(kāi)發(fā)過(guò)程更像Photoshop畫圖或是編寫PPT文檔，大幅降低了用戶的代碼編寫量。

迪文公司已經(jīng)將很多系統(tǒng)底層關(guān)于GUI的驅(qū)動(dòng)代碼封裝成專用程序包，燒錄到DGUS屏中專用的T5L芯片內(nèi)核中。用戶在做項(xiàng)目的時(shí)候可以直接以控件形式調(diào)用。用戶將開(kāi)發(fā)要用到的一些素材（如字庫(kù)、圖標(biāo)庫(kù)、界面等）導(dǎo)入迪文公司專門的開(kāi)發(fā)環(huán)境當(dāng)中，并與相應(yīng)的控件結(jié)合，編譯形成系統(tǒng)配置文件，然后導(dǎo)入DGUS屏的存儲(chǔ)器。

DGUS觸摸屏采用了豐富的顯示控件和觸控控件。通過(guò)這些控件可以完成人機(jī)交互。用戶在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)需操作界面控件和其中的數(shù)據(jù)。這些操作都是通過(guò)訪問(wèn)控件和數(shù)據(jù)的變量地址完成的。DGUS觸摸屏的程序開(kāi)發(fā)完成后，要先經(jīng)過(guò)編譯，再通過(guò)SD卡下載到觸摸屏的存儲(chǔ)器中。DGUS觸摸屏與操作者的交互主要通過(guò)觸摸屏和通信接口實(shí)現(xiàn)。觸摸屏可直接調(diào)用相應(yīng)控件功能，并通過(guò)自動(dòng)切換模式實(shí)現(xiàn)觸控屏的用戶免干預(yù)。DGUS屏與外界的通信接口一般采用RS232通信接口。

DGUS屏除了可以進(jìn)行方便快捷的界面設(shè)計(jì)，還提供了用戶二次開(kāi)發(fā)的接口（DWIN-OS軟件）。系統(tǒng)中復(fù)雜的功能界面控件較難開(kāi)發(fā)，對(duì)于此問(wèn)題，迪文公司也有相應(yīng)的解決方案，即DWIN-OS軟件，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行快速可靠的二次開(kāi)發(fā)。DWIN-OS軟件起到一般系統(tǒng)中工控計(jì)算機(jī)的作用，相當(dāng)于外掛一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)。這樣既可以降低設(shè)計(jì)成本，又能提高接口的可靠性（標(biāo)準(zhǔn)HMI人機(jī)接口多是基于PC架構(gòu)，軟件在Windows CE等通用操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)）。DWINOS內(nèi)置的指令集類似于匯編語(yǔ)言，通俗易懂，開(kāi)發(fā)周期較短，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

1.3 嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)的工作過(guò)程

用戶啟動(dòng)嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)后，嵌入式控制器會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后進(jìn)入操作主界面。操作人員安裝好被測(cè)加速度計(jì)后，點(diǎn)擊按鍵即可進(jìn)行啟動(dòng)、設(shè)置速度、停止等操作，主界面將實(shí)時(shí)顯示設(shè)置的指令速度和編碼器的反饋速度。整個(gè)系統(tǒng)的操作非常簡(jiǎn)單，并且效率和可靠性都很高。

2 DGUS控制屏在離心試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用及效果2.1DGUS控制屏主界面和轉(zhuǎn)速輸入界面

嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)的DGUS控制屏操作界面主要有兩個(gè)，分別是主界面和轉(zhuǎn)速輸入界面，圖2（a）為主界面，圖2（b）為轉(zhuǎn)速輸入界面。

圖2 嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)主界面和轉(zhuǎn)速輸入界面

主界面分為轉(zhuǎn)速控制和顯示區(qū)、快捷轉(zhuǎn)速設(shè)置區(qū)和功能按鍵區(qū)。轉(zhuǎn)速控制和顯示區(qū)位于界面的上部，包含“指令速度”框和“反饋速度”框。“指令速度”框中可以輸入用戶需要的轉(zhuǎn)速，點(diǎn)擊“指令速度”框即可彈出如圖2（b）所示的轉(zhuǎn)速輸入界面。在輸入界面中點(diǎn)擊相應(yīng)數(shù)字按鍵可以輸入轉(zhuǎn)速值，按“確認(rèn)鍵”返回主界面，同時(shí)輸入的速度值顯示在指令速度輸入框中。“反饋速度”框可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的離心試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速。

快捷轉(zhuǎn)速設(shè)置區(qū)為中間的6個(gè)按鍵。這些按鍵為方便輸入常用的6個(gè)轉(zhuǎn)速而設(shè)計(jì)，只需一鍵即可將事先計(jì)算好的轉(zhuǎn)速輸入“指令速度”框中，不需要調(diào)出輸入界面。這一設(shè)計(jì)可以較大地提高批量化重復(fù)試驗(yàn)效率。功能按鍵區(qū)為主界面底部的3個(gè)按鍵，“使能”按鍵的功能是使離心試驗(yàn)臺(tái)上電，“啟動(dòng)”按鍵的功能是使上電后的離心試驗(yàn)臺(tái)按照“指令速度”框中的數(shù)值旋轉(zhuǎn)，“停止”按鍵的功能是控制離心試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)臂去電停止旋轉(zhuǎn)。“使能”按鍵和“啟動(dòng)”按鍵必須組合使用才能使離心試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，而“停止”按鍵只需一個(gè)按鍵就可以使離心試驗(yàn)臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這種設(shè)計(jì)一個(gè)按鍵使其停止運(yùn)動(dòng)的目的是出于安全考慮。兩個(gè)按鍵組合控制旋轉(zhuǎn)可以降低試驗(yàn)中誤觸發(fā)而造成轉(zhuǎn)臂突然旋轉(zhuǎn)的可能性，而一個(gè)按鍵停止轉(zhuǎn)動(dòng)可以在出現(xiàn)異常時(shí)快速急停設(shè)備。這樣的設(shè)計(jì)既能有效保護(hù)操作者的人身安全，又能保護(hù)設(shè)備和被測(cè)傳感器不受損害。

2.2 DGUS控制屏的DWIN-OS應(yīng)用

在嵌入式離心試驗(yàn)臺(tái)中，除了響應(yīng)界面按鍵的操作，系統(tǒng)還需要進(jìn)行底層的控制操作和后臺(tái)的數(shù)據(jù)處理（比如控制信息的發(fā)送和接收、反饋信息的計(jì)算和存儲(chǔ)等）。界面控件功能較單一，無(wú)法勝任更復(fù)雜的任務(wù)，這時(shí)需要采用上面提到的DWIN-OS系統(tǒng)軟件。用戶在該系統(tǒng)中編寫代碼，比如按鍵中的功能鍵“使能”“啟動(dòng)”“停止”的功能代碼、反饋速度的計(jì)算和存儲(chǔ)、反饋速度與指令速度差值計(jì)算和轉(zhuǎn)換都放在DWIN-OS軟件中。

DWIN-OS軟件代碼的運(yùn)行方式為定時(shí)刷新（80 ms），無(wú)限次循環(huán)。軟件系統(tǒng)工作過(guò)程為首先自檢整個(gè)離心試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)，然后將編碼器傳回的反饋值進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果發(fā)送至屏幕顯示，同時(shí)掃描功能鍵數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，查看是否有按鍵按下，如有則轉(zhuǎn)入按鍵處理程序，如無(wú)則返回轉(zhuǎn)入下一個(gè)循環(huán)等待。各個(gè)環(huán)節(jié)均有異常處理程序，一旦某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常，DWIN-OS軟件系統(tǒng)將向顯示屏發(fā)送異常代碼提示并進(jìn)行異常處理。由于DWIN-OS的軟件代碼運(yùn)行方式為無(wú)限次循環(huán)，所以異常處理代碼不能進(jìn)行死循環(huán)操作，否則系統(tǒng)會(huì)死機(jī)。

2.3 嵌入式加速度計(jì)離心式試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際運(yùn)行效果

基于DGUS屏控制器的加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)研制完成后，可進(jìn)行批量化的線加速度計(jì)離心試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)調(diào)試，該套設(shè)備現(xiàn)達(dá)到的加速度最大值為500 g（4.9×103m/s2），角速率穩(wěn)定性和精度達(dá)到1×10-5（相對(duì)值），每小時(shí)測(cè)試的加速度計(jì)數(shù)量約100只，整套設(shè)備的占地面積約1.5m2。大型離心機(jī)的量程一般為200 g（1.96×103m/s2），角速率穩(wěn)定性和精度為5×10-6（相對(duì)值），每小時(shí)測(cè)試的加速度計(jì)數(shù)量約20只，整套設(shè)備的占地面積約30m2。

對(duì)比嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)及大型離心機(jī)的技術(shù)指標(biāo)和使用情況，可知大型離心機(jī)的角速率穩(wěn)定性和精度相對(duì)較高，適合高精度、單個(gè)或小批量產(chǎn)品的試驗(yàn)；小型的嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)角速率穩(wěn)定性和精度等技術(shù)指標(biāo)略低于大型離心機(jī)，但由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，量程較大，因此可以滿足大部分的試驗(yàn)要求，適合中等精度、大批量產(chǎn)品的測(cè)試。大型離心機(jī)由于旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，其啟動(dòng)、停止及加速度計(jì)安裝過(guò)程較長(zhǎng)，造成其效率較低，同時(shí)由于設(shè)備較大，所以占地面積也較大。在批量化測(cè)試時(shí)小型離心試驗(yàn)臺(tái)的效率是大型離心機(jī)的5倍，而設(shè)備的占地面積只有大型離心機(jī)的1/20。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于DGUS屏控制器的嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足大多數(shù)線加速度計(jì)試驗(yàn)的要求。該設(shè)備已經(jīng)研制成功并穩(wěn)定運(yùn)行，其小型化的、基于DGUS屏控制器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了離心機(jī)的安裝過(guò)程，降低了研制成本，減少了離心機(jī)設(shè)備的占地面積，在批量化測(cè)試任務(wù)中極大地提高了測(cè)試效率。DGUS屏的采用保證了嵌入式加速度計(jì)離心試驗(yàn)臺(tái)研制的過(guò)程的簡(jiǎn)便和快捷。因此，該裝置在小型化、批量化加速度計(jì)離心測(cè)試中具有廣闊的應(yīng)用前景。