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

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.