李曉君，楊農合，張家斌，郭廣軍，程 慧

（1.中國人民解放軍63963部隊，北京100072；2.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，陜西 西安710048；3.北京理工大學 飛行器動力學與控制教育部重點實驗室，北京100081）

單軸系陀螺儀組是由若干個陀螺儀組成的一個軸系方向（X）角運動位置檢測裝置。檢測單軸系陀螺儀組的傳統(tǒng)方法是通過一定數(shù)量的控制開關、指示燈，電壓表、電流表來測試其靜態(tài)的工作狀態(tài)與性能。單軸系陀螺儀組的動態(tài)特性是非常重要的技術指標[1]，反映了陀螺儀組的性能和實際工作的特性。通過由上下位機構成的陀螺儀測試系統(tǒng)可以完成單軸系陀螺儀組的靜態(tài)、動態(tài)特性的多項測試，對陀螺儀組做出正確的功能分析和質量評價[2]。

1 測試系統(tǒng)的基本結構

單軸系陀螺儀測試系統(tǒng)由ARM Cortex-M3單片機作為中心主體，通過16路DI、DO數(shù)字輸入、數(shù)字輸出模塊和16位A/D轉換模塊、信號調理電路、電源等構成。測試系統(tǒng)構成如圖1所示。

陀螺儀組通過信號調理電路接入測試系統(tǒng)，信號調理電路由DO控制轉換電路和陀螺儀組的輸出轉換電路組成，完成ARM Cortex-M3單片機發(fā)出的DO控制信號轉換為符合陀螺儀組的要求的控制信號，并將陀螺儀組的輸出轉換為符合A/D模塊采集要求的信號。

16位的并行高速A/D轉換芯片及16通道的多路模擬開關構成A/D采集模塊，保證了數(shù)據(jù)采集精度和分辨率，并保證了信號的速率，降低了相位誤差。

上位機通過標準的USB端口，以HID通信模式和下位機交換數(shù)據(jù)和發(fā)出功能指令。下位機的測試數(shù)據(jù)通過USB端口送到上位機，由上位機的測試程序進行處理和顯示。

圖1 測試系統(tǒng)構成框圖

2 測試系統(tǒng)軟件

上位機測試系統(tǒng)軟件完成7類12項檢測功能，采用模塊化設計，按照測試功能分類。對陀螺儀組的檢測數(shù)據(jù)進行分析，判定其該項指標是否超限（并顯示指標上、下限）。各種操作均有彈出向導說明操作步驟和陀螺儀連接方法。由系統(tǒng)時鐘作為基礎時間切片，時鐘中斷作為USB端口的掃描控制。USB接口程序使用HID模式實現(xiàn)熱插拔功能，以命令組的包模式對下位機通信。

下位機采用C語言編程，控制DO、DI、AD模塊，AD采集模塊采用實時的修改后中值濾波算法，降低了噪聲影響，保證信號的可靠性。修改后中值濾波算法數(shù)學公式為：

其中，Vmax是區(qū)間的最大值，Vmin是區(qū)間的最小值。在保證具有較高的采樣速度情況下，采用長度為7的環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。濾波處理對于Vi的數(shù)據(jù)是中心對稱，相位偏移最小，7個數(shù)據(jù)中的最大和最小被剔除，剩余5個數(shù)據(jù)做平均。在保證高采樣率的情況下，經(jīng)過濾波可以消除粗大和隨機尖峰脈沖干擾。

常用的中值濾波算法不能剔除粗大誤差和瞬時的脈沖尖峰干擾，經(jīng)過修改加上剔除粗大干擾的算法，既保證了最小波形相位延遲，又不會損傷信號。圖2為測試系統(tǒng)軟件圖。

圖2 測試系統(tǒng)軟件框圖

3 測試系統(tǒng)工作原理

陀螺儀組特性測試系統(tǒng)上位機測試軟件按照測試項目和流程，通過USB端口對下位機發(fā)出相應的命令組控制包，ARM Cortex-M3單片機收到命令組控制包后，按照測試要求輸出控制狀態(tài)，經(jīng)調理電路中的DO控制轉換電路變換為符合陀螺儀組的控制信號，送到陀螺儀組。控制陀螺儀組進入工作狀態(tài)，陀螺儀組的輸出信號經(jīng)信號變換驅動后，送入A/D轉換模塊輸入端。經(jīng)A/D轉換為數(shù)字量，進行中值濾波，將數(shù)據(jù)組合為數(shù)據(jù)包通過USB端口送至上位機，由測量程序按照設定的流程進行處理和圖形顯示。

4 測試應用效果

測試系統(tǒng)除了數(shù)字顯示以外，圖形顯示功能也很強大[3]，可對陀螺儀組動態(tài)性能進行直觀地描述，直接可以顯示出陀螺儀組性能優(yōu)劣。

圖3是采集的陀螺儀組的動態(tài)工作電流波形，從波形圖上可以清楚反映陀螺儀組中各陀螺儀及其附件的組合、分離與各種工作狀態(tài)加載特性以及控制響應時間特性。

圖3 陀螺儀組動態(tài)電流特性圖

圖4是陀螺儀組的差動輸出的波形之一，通過圖形反映了陀螺儀的輸出性能、穩(wěn)定性以及信號放大的綜合性能，及其輸出幅度、偏移和對稱性。根據(jù)測試數(shù)據(jù)和波形評價陀螺儀組的單項和綜合特性。

圖4 陀螺儀組差動信號輸出

圖5是檢測陀螺儀組的自動校正性能測試，對其漂移和自動校正的測試進行圖形顯示。使用鼠標選取坐標，可由測試程序計算出精確的校正動作持續(xù)時間和校正間隔時間。

圖5 陀螺儀組自動校正波形

由上下位機構成的單軸系陀螺儀組測試系統(tǒng)，ARM Cortex-M3單片機作為下位機，其性能優(yōu)良，運算速度快，內部存儲器大，USB接口，外加16位的并行接口的A/D轉換模塊，DO、DI模塊和調理電路，使得下位機結構緊湊，可靠性高，使用USB端口的HID模式通信，速度快，接口電纜標準，對上位機的要求大大降低，不僅可以使用一般計算機完成測試，也可以使用筆記本電腦作為上位機。由于采用USB-HID模式，上位機不用安裝驅動，系統(tǒng)可自動識別通信端口，極大簡化了測試系統(tǒng)連接方式，降低了結構成本且維護簡單。

[1]顧正華，王帆，韓杰，等.基于光纖陀螺側滑角動態(tài)數(shù)據(jù)采集和處理[J].測控技術，2011，36（6）：33-35.

[2]馮智勇，曾瀚，張力，等.基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態(tài)角度測量[J].西南師范大學學報，2011，36（4）：137-141.

[3]高琴，陳樹君，王續(xù)明，等.多功能虛擬示波器的設計與實現(xiàn)[J].通信技術，2010，43（4）：217-219.