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      基于FPGA動態(tài)測頻的轉(zhuǎn)臺動態(tài)角速度校準(zhǔn)系統(tǒng)

      2018-04-13 03:47:49何俊波賀忠江
      數(shù)字通信世界 2018年2期
      關(guān)鍵詞:測頻角速度光柵

      常 歡,何俊波,余 臻,賀忠江,孫 浩

      (北京長城計量測試技術(shù)研究所,北京 100095)

      1 引言

      目前,角速度校準(zhǔn)一直采用定角測時或定時測角方法,以及一定時間域內(nèi)精確測量轉(zhuǎn)過確定角度的準(zhǔn)確時間的“定時測角測時”法,實質(zhì)上都是采用長時間求平均值的方法進(jìn)行校準(zhǔn)[1][2]。長時間求平均值的方法的采樣時間比較長,得到的轉(zhuǎn)速值是在一段時間內(nèi)的平均值,因此無法校準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺在采樣時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速動態(tài)值,不能對轉(zhuǎn)速的動態(tài)特性進(jìn)行很好的評價。本文通過FPGA動態(tài)測頻模塊搭建轉(zhuǎn)臺動態(tài)角速度校準(zhǔn)系統(tǒng),實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺角速度的動態(tài)校準(zhǔn),從而評測轉(zhuǎn)臺的動態(tài)角速度。

      2 系統(tǒng)組成

      轉(zhuǎn)臺動態(tài)角速度校準(zhǔn)系統(tǒng)包括被測轉(zhuǎn)臺、標(biāo)準(zhǔn)圓光柵、信號調(diào)理模塊,F(xiàn)PGA動態(tài)測頻模塊、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理等部分,系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

      圖1 轉(zhuǎn)臺動態(tài)角速度校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖

      在轉(zhuǎn)臺上安裝外置標(biāo)準(zhǔn)圓光柵,則校準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺的動態(tài)角速度,實際上是校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)圓光柵輸出正弦信號的周期。通過信號調(diào)理將圓光柵輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路易于識別的TTL脈沖波信號,完成信號的放大和整形。輸入信號經(jīng)信號調(diào)理后輸出到FPGA 的脈沖計數(shù)管腳。經(jīng)過FPGA 頻率采集模塊將采集的結(jié)果上傳到上位機(jī)。動態(tài)角速度的數(shù)據(jù)處理要在完成數(shù)據(jù)采集和直接硬盤存儲的基礎(chǔ)上,用數(shù)據(jù)處理軟件對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,推導(dǎo)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,進(jìn)而得到動態(tài)角速度的評測數(shù)據(jù)。

      3 轉(zhuǎn)臺動態(tài)角速度校準(zhǔn)算法

      本文采用基于FPGA的動態(tài)測頻方法,實現(xiàn)被測信號的實時采集。首先給出預(yù)置閘門信號(預(yù)置閘門周期要保證小于被測信號周期),此時計數(shù)器并不開始計數(shù),而是等到被測信號的上升沿到來時,計數(shù)器才真正開始計數(shù)。然后預(yù)置閘門關(guān)閉信號到時,計數(shù)器并不立即停止計數(shù),而是等到被測信號的上升沿到來時才結(jié)束計數(shù),完成一次測量過程。本方法實際上是將被測信號的相臨兩個上升沿做為閘門信號,閘門起點和終點均與被測脈沖正沿同步,在閘門時間內(nèi)計數(shù)標(biāo)準(zhǔn)脈沖個數(shù)。FPGA動態(tài)測頻原理波形圖如圖2所示。

      使用一個計數(shù)器對時基脈沖進(jìn)行計數(shù),設(shè)在一次實際閘門時間τ中計數(shù)器對被測信號的計數(shù)值為Nx,對標(biāo)準(zhǔn)信號的計數(shù)值為Ns。標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為fs,則被測信號的頻率為

      圖2 FPGA動態(tài)測頻波形圖

      4 FPGA測頻模塊的實現(xiàn)

      在動態(tài)測量的要求下,要保證較高精度的測頻,必須采用較高的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號。FPGA可以滿足超高速、實時測控方面的使用要求。本系統(tǒng)的測頻基本電路基于FPGA完成,利用 FPGA測量頻率的原理如圖3所示。使能信號為高時表示測頻結(jié)束,可以輸出數(shù)據(jù),此時頻率模塊停止工作,等待上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)。上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)結(jié)束后,數(shù)據(jù)輸出模塊將輸出使能信號放低,同時將計數(shù)器模塊清零,測頻模塊重新開始工作。測頻模塊頻率測試完畢,產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)鎖存信號,將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖器中,同時將輸出使能信號置高,通知上位機(jī)數(shù)據(jù)可讀[3]。

      圖3 FPGA頻率測量原理

      5 試驗結(jié)果及不確定度分析

      利用圓光柵為角度傳感器,當(dāng)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時,圓光柵信號細(xì)分后頻率f與角速度ω的關(guān)系可用式(2)表示[4][5]。

      式中,N為圓光柵刻線數(shù);m為圓光柵信號細(xì)分?jǐn)?shù)。

      要實現(xiàn)角速度的動態(tài)測量,要連續(xù)測量圓光柵信號細(xì)分后每個脈沖的周期T,得到圓光柵信號細(xì)分后每個脈沖的周期T(即為被測脈沖周期),即可換算成角速度的瞬時值,可用式(3)表示。

      FPGA測頻模塊標(biāo)準(zhǔn)晶振脈沖周期為T0,CB為被測脈沖周期理論值TB為TB=T0CB。

      CTi為被測脈沖周期測量值,則被測脈沖角速度及標(biāo)準(zhǔn)偏差是s(k)分別為:

      再根據(jù)文獻(xiàn)[6],得到測量不確定度為

      圓光柵線數(shù)為2500線,圓光柵信號細(xì)分?jǐn)?shù)為4。FPGA測頻模塊標(biāo)準(zhǔn)晶振為25M。轉(zhuǎn)臺動態(tài)角速度校準(zhǔn)系統(tǒng)的測試結(jié)果如下。

      ?

      5 結(jié)束語

      本文通過FPGA動態(tài)測頻模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺角速度的動態(tài)校準(zhǔn),搭建了轉(zhuǎn)臺動態(tài)角速度校準(zhǔn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的采用長時間求平均值的角速度測量方法的局限性,本系統(tǒng)采用的FPGA動態(tài)測頻方法是一種值得參考的動態(tài)角速度測量方法。

      [1] 董雪明.龍祖洪等.角速度波動率校準(zhǔn)方法初探[J].航空計測技術(shù).2004.24(5):4-7.

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