常歡,張靜靜,于豐源
(北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所,北京,100095)
轉(zhuǎn)臺是慣導(dǎo)系統(tǒng)測試校準(zhǔn)的主要設(shè)備,其技術(shù)指標(biāo)和性能對慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度起著十分重要的作用。而轉(zhuǎn)臺的重要指標(biāo)之一就是角速度,角速度測量精度是轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)精度的保證。角速度測試一直采用定角測時(shí)或定時(shí)測角方法,實(shí)質(zhì)上都是采用長時(shí)間求平均值的方法進(jìn)行測試,控制轉(zhuǎn)臺按規(guī)定的角速度運(yùn)行,穩(wěn)定后,用數(shù)字頻率計(jì)連續(xù)多次測量轉(zhuǎn)臺定角信號,再求出平均值。這種方法的采樣時(shí)間比較長,不能對轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)的評價(jià)。并且數(shù)字頻率計(jì)的體積較大,價(jià)格昂貴,且攜帶不便[1~2]。
目前,有基于單片機(jī)的改進(jìn)型變閘門測頻法,用被測信號的上升沿來控制實(shí)際的閘門時(shí)間,實(shí)際的測量時(shí)間為被測信號周期的整數(shù)倍,但由于單片機(jī)自身處理速度的局限性,無法完成高頻率的測量,不能滿足角速度測量的實(shí)時(shí)性要求[3]。利用CPLD 和FPGA 高速,靈活的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了較高頻率范圍內(nèi)數(shù)字頻率計(jì),驗(yàn)證了利用CPLD 或FPGA 實(shí)現(xiàn)快速測頻的可行性[4~6]。
本文設(shè)計(jì)的便攜式轉(zhuǎn)臺角速度測試系統(tǒng),采用改進(jìn)等精度法實(shí)時(shí)測試轉(zhuǎn)臺的角速度,并將測試結(jié)果實(shí)時(shí)地傳輸?shù)焦た貦C(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。鑒于FPGA 可以實(shí)現(xiàn)高速頻率測量,采用高集成度、高速的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 能夠滿足轉(zhuǎn)臺角速度的實(shí)時(shí)測試要求。此外,F(xiàn)PGA 集成度高,可以實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)。因此可以實(shí)現(xiàn)搭建更簡單,高效的測試系統(tǒng)的目標(biāo)。
通過對轉(zhuǎn)臺角速度測試方法的研究,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺角速度的實(shí)時(shí)測試,從而評測轉(zhuǎn)臺的實(shí)時(shí)角速度。研制便攜式轉(zhuǎn)臺角速度測試系統(tǒng),代替以往用來進(jìn)行角速度測試的大型數(shù)字頻率計(jì)等設(shè)備,并用虛擬儀器搭建人機(jī)交互平臺,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺角速度的實(shí)時(shí)處理,代替以往的人工錄入再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方法,從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的角速度現(xiàn)場測試。
便攜式轉(zhuǎn)臺角速度測試系統(tǒng)由FPGA 高速測頻模塊、信號調(diào)理模塊、便攜式工控機(jī)組成,如圖1 所示。信號調(diào)理模塊通過轉(zhuǎn)臺圓光柵將轉(zhuǎn)臺的實(shí)時(shí)角速度信號調(diào)理為TTL脈沖波信號。信號調(diào)理模塊的輸出信號連接FPGA 的脈沖計(jì)數(shù)管腳。經(jīng)過FPGA 測頻模塊將采集的結(jié)果上傳到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示、保存。
圖1 轉(zhuǎn)臺角速度測試系統(tǒng)框圖
轉(zhuǎn)臺角速度測試裝置主要指標(biāo)如下:
轉(zhuǎn)臺的角速度ω與圓光柵信號細(xì)分后頻率f的關(guān)系如式(1)。
式(1)中,N為圓光柵刻線數(shù);m為圓光柵信號細(xì)分?jǐn)?shù)。
測量轉(zhuǎn)臺角速度,實(shí)際上就是測量圓光柵信號細(xì)分后的脈沖周期T,用式(2)換算成角速度的瞬時(shí)值。
每個(gè)脈沖的周期T,用高精度測頻電路測量。
常用的直接測頻方法主要有測頻法和測周期法兩種[7~8]。
測頻法是在確定的時(shí)間TW內(nèi),測量被測信號的周期數(shù)NX,則被測信號的頻率為:
測頻法適合測高頻。
測周期法在被測信號一個(gè)周期TX內(nèi),測量時(shí)基脈沖(頻率為fS)個(gè)數(shù)NS,則被測信號的頻率為:
測周期法適合測低頻。
等精度測頻是設(shè)置兩個(gè)同步閘門,同時(shí)對被測信號和時(shí)基脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。其閘門時(shí)間是被測信號周期的整數(shù)倍,閘門起點(diǎn)和終點(diǎn)均與被測脈沖正沿同步。其測頻原理如圖2所示。
標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為fS。預(yù)置閘門時(shí)間為t1,在t1 開始時(shí),對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器均不開始工作。在實(shí)際閘門時(shí)間t中,對被測信號計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器值為Nx,對標(biāo)準(zhǔn)信號計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器值為NS。則被測信號的頻率為:
本文采用改進(jìn)等精度法,同步被測信號的相鄰兩個(gè)上升沿作為閘門信號,即保證預(yù)置閘門信號周期比被測信號周期短。即將等精度測頻方法被測信號整數(shù)倍周期明確為1 個(gè)周期,從而實(shí)現(xiàn)保證角速度測量的實(shí)時(shí)性。改進(jìn)后等精度法測頻原理波形圖如圖3 所示。
圖3 改進(jìn)后等精度法測頻原理波形圖
將本文提出的改進(jìn)等精度法應(yīng)用到在轉(zhuǎn)臺角速度測試過程中,由于將被測信號的上升沿作為計(jì)數(shù)器的閘門信號,因此計(jì)數(shù)器啟停與閘門信號的同步對角速度的測試至關(guān)重要,涉及計(jì)數(shù)器等計(jì)數(shù)單元的速度和延遲時(shí)間的準(zhǔn)確估計(jì),如果處理不好,都可能影響到測試的結(jié)果。
本文通過LabVIEW 軟件搭建人機(jī)交互平臺,LabVIEW可以快速高效地完成數(shù)據(jù)采集、分析、顯示、存儲等功能,利用LabVIEW 設(shè)計(jì)的程序具有較大的靈活性和開放性,給角速度的分析帶來極大的方便。將轉(zhuǎn)臺的角速度測試結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖銛y式工控機(jī)中,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲。
上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和顯示。其功能框圖如4、5所示。
圖4 上位機(jī)軟件功能框圖
圖5 上位機(jī)軟件界面
要實(shí)時(shí)測量轉(zhuǎn)臺角速度,要求測頻的精度高,速度快。單片機(jī)測頻速度較慢,無法滿足要求。FPGA 的時(shí)鐘延遲可達(dá)到ns 級,采用并行工作方式,在超高速、實(shí)時(shí)測控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景[9~10]。
FPGA 測頻模塊軟件功能框圖如圖6 所示?;l信號通過控制預(yù)制閘門信號和實(shí)際閘門信號,對送至計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。被測信號在同步閘門的控制下,通過實(shí)際閘門送至計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。兩者數(shù)據(jù)同時(shí)輸入計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理結(jié)果通過通訊模塊送入上位機(jī)。本系統(tǒng)使用的FPGA 芯片的時(shí)鐘輸入所使用的是100MHz,能夠滿足系統(tǒng)的測試需求。
圖6 FPGA 測頻模塊軟件功能框圖
標(biāo)準(zhǔn)圓光柵為5000 線,使用IBV6072 細(xì)分和數(shù)字化電子電路對圓光柵的輸出信號加2 細(xì)分,轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為1000°/s時(shí),圓光柵信號細(xì)分后頻率f可由式(6)計(jì)算得出。
采用信號發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率信號,對本文設(shè)計(jì)的FPGA 測頻模塊進(jìn)行驗(yàn)證(FPGA 時(shí)鐘基準(zhǔn)為100MHz),測試結(jié)果如表1 所示。
由表1 可得,F(xiàn)PGA 測頻模塊的測頻誤差在0.1‰以內(nèi)。
用本文設(shè)計(jì)的便攜式轉(zhuǎn)臺角速度測試系統(tǒng)對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行角速度測試和測量不確定度分析[11~12]。
轉(zhuǎn)臺角速度測量不確定度的來源主要考慮:測頻模塊引入的測量不確定度分量u1,以及圓光柵角度測量引起的測量不確定度分量u2。被測脈沖角速度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差是s(k)分別為:
式中T0為測頻模塊標(biāo)準(zhǔn)信號周期;CTi為被測脈沖周期測量值;CB為被測脈沖周期理論值。
得到角速度測量不確定度如式(9)。
圓光柵測角度測量引起的測量不確定度分量u2。
角度θ由于在轉(zhuǎn)動(dòng)中無法得到,故按B 類評定,假設(shè)為均勻分布,圓光柵的精度為eθ。不確定度分量u2按式(10)計(jì)算。
由于轉(zhuǎn)臺角速度測量不確定度分量u1、u2互不相關(guān),則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:
擴(kuò)展不確定度U(k=2):
轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速對應(yīng)的速率精度、分辨率和測量不確定度如表2 所示。
表2 轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速對應(yīng)的速率精度、分辨率和測量不確定度
表3 轉(zhuǎn)臺速率精度比對
使用數(shù)字頻率計(jì)對本系統(tǒng)測量得出的轉(zhuǎn)臺速率精度進(jìn)行比對。
由表可知本文設(shè)計(jì)的便攜式轉(zhuǎn)臺角速度測試系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在測量同一指標(biāo)時(shí),速率精度在同一數(shù)量級上。
(1)提出改進(jìn)等精度法,采用FPGA 測頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺角速度實(shí)時(shí)測量。
(2)采用LabVIEW 對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速高效的采集、分析、顯示、存儲,研制便攜式轉(zhuǎn)臺角速度測試裝置,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺角速度現(xiàn)場、快速測試。
本文介紹了基于改進(jìn)等精度法的轉(zhuǎn)臺角速度測試系統(tǒng),研究了轉(zhuǎn)臺角速度測試技術(shù),設(shè)計(jì)了便攜式轉(zhuǎn)臺角速度測試裝置。研究了FPGA 在轉(zhuǎn)臺角速度測試中的應(yīng)用技術(shù),編寫了轉(zhuǎn)臺角速度測試軟件,用于采集、處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過試驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺角速度現(xiàn)場、快速測試。