基于PCI總線的陀螺儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

鄭玲玲　張　鋒　韓　瑋

(陸軍軍官學(xué)院　合肥　230031)

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基于PCI總線的陀螺儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

鄭玲玲張鋒韓瑋

(陸軍軍官學(xué)院合肥230031)

摘要在功能分析和需求分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和要求，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了基于PCI總線的陀螺儀校準(zhǔn)平臺，利用VC多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對陀螺儀各項(xiàng)參數(shù)的采集，完成了對陀螺儀的性能檢測，起到對飛機(jī)姿態(tài)校準(zhǔn)的作用。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)為陀螺儀校準(zhǔn)提供了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法和有效途徑。

關(guān)鍵詞PCI總線; 陀螺儀; 校準(zhǔn)

Class NumberTP206+.1

1引言

陀螺儀是慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的核心元件之一，是艦船、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天飛行器慣性控制系統(tǒng)的重要組成部分，用來測量基座(或運(yùn)載器)的轉(zhuǎn)角或角速度，其性能好壞直接影響慣性導(dǎo)航的精度。所以確保陀螺儀參數(shù)的量值準(zhǔn)確可靠是提高飛行器的導(dǎo)航精確度以及飛行安全性的重要手段[1～2]。

針對傳統(tǒng)的航空機(jī)載陀螺儀測試系統(tǒng)采用分立儀器搭建，具有成本高、自動(dòng)化程度低、擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)，本文提出了一種基于PCI 總線技術(shù)的測試系統(tǒng)。通過PCI 接口芯片與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，完成了數(shù)據(jù)的高速采集與連續(xù)穩(wěn)定數(shù)據(jù)流的輸出，實(shí)現(xiàn)了高精度、可擴(kuò)展并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試的校準(zhǔn)平臺，該平臺可完成對垂直陀螺的性能檢測，起到對飛機(jī)姿態(tài)校準(zhǔn)的作用。

2PCI總線技術(shù)

PCI 總線作為一種獨(dú)立于處理器的高性能局部總線，不依賴于CPU，因而具有較好的兼容性，同時(shí)能滿足外設(shè)間及外設(shè)與主機(jī)間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆２捎?PCI 總線來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以解決原有的標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行高速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸率低帶來的瓶頸問題[3～4]。

基于PCI總線的上述特點(diǎn)，本文采用阿爾泰公司提供的型號為PCI8302的數(shù)據(jù)采集卡對陀螺儀的信號進(jìn)行采集。該采集卡可對32路單端和16路雙端輸入的模擬信號并行采集，輸入信號幅度為±10V，AD分辨率為13b(第13位為符號位)，采樣速率為31Hz～180kHz(各通道實(shí)際采樣速率=采樣速率/采樣通道數(shù))；另外提供4路模擬信號的輸出功能，信號輸出幅度為±10V，DA分辨率為12b，單通道最高轉(zhuǎn)換速率為100kHz(±10V)[5～6]。實(shí)際應(yīng)用中使用了PCI8302的21個(gè)通道(通道7～通道27)的AD，分別對應(yīng)AI7～AI27。而對于垂直陀螺姿態(tài)角的信號采集使用了通道7和通道8，分別對應(yīng)的硬件引腳是PIT和ROL。

3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過對系統(tǒng)總體功能的需求分析，設(shè)計(jì)了一套由控制臺、回轉(zhuǎn)定位裝置和主控計(jì)算機(jī)組成的校準(zhǔn)平臺。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

控制臺采用松下AFP-XC30R型PLC作為控制器，該P(yáng)LC采用通用電源(100～240VAC)，輸入16點(diǎn)(24DC)，繼電器輸出14點(diǎn)(AC250V/2A)，程序容量32K步，可調(diào)電位器輸入2點(diǎn)，并配備USB通信端口?？刂婆_與回轉(zhuǎn)定位裝置之間通過RS-485進(jìn)行通信。主控計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)口與轉(zhuǎn)臺通訊，控制臺根據(jù)主控計(jì)算機(jī)發(fā)來的定位指令向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制命令，使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)到某一固定角度，主控計(jì)算機(jī)采集測量傳感器反饋的位置信號并進(jìn)行顯示。電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中根據(jù)絕對編碼器發(fā)送的實(shí)時(shí)編碼值與目標(biāo)編碼值進(jìn)行比較來判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)精確定位。

系統(tǒng)的工作過程為:在對陀螺進(jìn)行測試前，需要將陀螺固定在測試轉(zhuǎn)臺上，并將轉(zhuǎn)臺調(diào)整到水平位置。轉(zhuǎn)臺由X軸轉(zhuǎn)臺和Y軸轉(zhuǎn)臺兩個(gè)子系統(tǒng)組成，分別實(shí)現(xiàn)X、Y兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。各子系統(tǒng)由臺體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。選用交流伺服電機(jī)作為各子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置，經(jīng)蝸桿蝸輪減速后輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。將垂直陀螺放在無人機(jī)飛行姿態(tài)校準(zhǔn)臺上(固定于Y軸轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)盤上)，以校準(zhǔn)臺作為標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)源。在主控系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)作用下，使校準(zhǔn)臺旋轉(zhuǎn)一定的角度，由主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡直接采集陀螺儀感應(yīng)的角度值，將其與標(biāo)準(zhǔn)值比較，給出校準(zhǔn)結(jié)果。這樣，通過飛行姿態(tài)校準(zhǔn)臺模擬飛機(jī)飛行中的各種姿態(tài)，比較轉(zhuǎn)臺的姿態(tài)與無人機(jī)系統(tǒng)的輸出即可進(jìn)行飛行姿態(tài)校準(zhǔn)。

4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了確保平臺的穩(wěn)定性和可靠性性，設(shè)計(jì)了一臺雙軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺，其工作原理為:采用直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)件，光柵尺和高精度傾斜角傳感器作為反饋器件，直流電機(jī)通過直線長度的改變從而改變陀螺工作面的傾斜角。該校準(zhǔn)平臺實(shí)物圖如圖2所示。

圖2　校準(zhǔn)平臺實(shí)物圖

校準(zhǔn)平臺的設(shè)計(jì)采用的是一種基于PLC的回轉(zhuǎn)定位裝置，通過控制面板發(fā)送指令，由電機(jī)控制裝置的回轉(zhuǎn)，絕對編碼器通過發(fā)送實(shí)時(shí)編碼值實(shí)現(xiàn)精確定位。控制面板的鍵盤和顯示部分直接與PLC的I/O口相連，通過對I/O口的控制實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入和顯示功能。回轉(zhuǎn)裝置主要由回轉(zhuǎn)鏈條、回轉(zhuǎn)動(dòng)力和減速箱等組成?；剞D(zhuǎn)鏈條在回轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下按指令左右轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)選用三相交流電機(jī)通過變頻器與PLC相連，兩者之間通過485通信實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。絕對值編碼器與電機(jī)同軸安裝，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)[7～8]。

5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要采用Visual C++6.0進(jìn)行編程，基于VC功能強(qiáng)大，通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用了模塊化結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)方法。

系統(tǒng)軟件主要包括輸入/輸出功能模塊、校準(zhǔn)測量功能模塊和數(shù)據(jù)庫管理功能模塊。其主要功能是實(shí)現(xiàn)對垂直陀螺的全自動(dòng)校準(zhǔn)，能自動(dòng)完成校準(zhǔn)數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲功能。為了實(shí)現(xiàn)對校準(zhǔn)結(jié)果的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和顯示，利用VC同時(shí)創(chuàng)建兩個(gè)線程，即工作者線程和用戶界面線程。工作者線程用于計(jì)算函數(shù)程序的調(diào)用，用戶界面線程用于完成計(jì)算機(jī)結(jié)果的界面顯示。這樣，在主執(zhí)行程序運(yùn)行的同時(shí)，計(jì)算過程也在后臺同步進(jìn)行。通過兩個(gè)線程之間的通訊將工作者線程不斷變化的結(jié)果發(fā)送到主執(zhí)行程序，同時(shí)顯示在界面上，從而實(shí)現(xiàn)了對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控的目的[9～10]。另外系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)查詢模塊和報(bào)表生成模塊可以對所有保存在數(shù)據(jù)庫中的信息，根據(jù)用戶自定義的組合查詢條件，顯示查詢結(jié)果并自動(dòng)生成相應(yīng)的校準(zhǔn)證書。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件總體流程圖

軟件校準(zhǔn)步驟按如下方式進(jìn)行:將垂直陀螺安裝在轉(zhuǎn)臺上之后首先完成對轉(zhuǎn)臺的自校準(zhǔn)，再進(jìn)入主控計(jì)算機(jī)的校準(zhǔn)模塊，校準(zhǔn)界面如圖4所示。

圖4　垂直陀螺校準(zhǔn)界面

設(shè)定完測試間隔和角度值之后，轉(zhuǎn)臺則在程序的控制下以規(guī)定的間隔時(shí)間和角度值進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)通過模擬飛機(jī)在空中各種姿態(tài)來調(diào)整轉(zhuǎn)臺，進(jìn)行空間角度測試，主控計(jì)算機(jī)則實(shí)時(shí)采集并分析陀螺的輸出信號，中間狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，通過比對發(fā)送的轉(zhuǎn)臺姿態(tài)命令與陀螺儀測量值，分析出不同情況下的陀螺輸出性能，實(shí)現(xiàn)對陀螺儀的校準(zhǔn)測試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該陀螺儀校準(zhǔn)系統(tǒng)能準(zhǔn)確模擬飛機(jī)在空中的各種姿態(tài)，并能實(shí)時(shí)采集陀螺的輸出信號，很好地完成了對陀螺儀的性能檢測。

6結(jié)語

本文利用了PCI總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對陀螺儀的校準(zhǔn)，提出了一種低成本、高精度的陀螺儀校準(zhǔn)平臺的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)在硬件方面以PLC為核心設(shè)計(jì)了一臺雙軸校準(zhǔn)平臺，該平臺操作簡便、實(shí)用可靠；在軟件設(shè)計(jì)方面，基于VisualC++6.0的開發(fā)環(huán)境，利用多線程技術(shù)結(jié)合PCI8302數(shù)據(jù)采集卡的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對陀螺儀參數(shù)的高速采集和動(dòng)態(tài)顯示。該系統(tǒng)為陀螺儀的測試和校準(zhǔn)提供了一定的參考價(jià)值，具有較高的實(shí)用性和廣泛的應(yīng)用前景。

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Design and Realization of Gyroscope Calibrating System Based on PCI bus

ZHENG LinglingZHANG FengHAN Wei

(Army Officer Academy， Hefei230031)

AbstractBased on the functional and demand analysis, the paper introduces the whole scheme and designs the gyroscope calibrating system according to the principles and demands of system. By using multiple thread technology, the paper has realized the collection of several parameters of gyroscope and also completed the performance test of gyroscope which has a good use for the aircraft pose calibration. The test shows that the system has provided an economical solution and effective way for the calibration of gyroscope.

Key WordsPCI bus; gyroscope; calibrating

* 收稿日期:2015年11月7日,修回日期:2015年12月26日

基金項(xiàng)目:安徽省自然基金項(xiàng)目(編號：1308085ME80)；裝備預(yù)言基金項(xiàng)目(編號：914A17050312JB91202)資助。

作者簡介:鄭玲玲，女，碩士研究生，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)控制。張鋒，男，碩士研究生，講師，研究方向：電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和信息通信。韓瑋，女，碩士研究生，講師，研究方向：儀器與科學(xué)技術(shù)。

中圖分類號TP206+.1

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.012