路景澤，劉亞斌，張秀磊

（北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191）

衛(wèi)星用慣性敏感器是衛(wèi)星姿態(tài)測量的主要部件，其精度、可靠性等對衛(wèi)星的正常運(yùn)行及其重要。因此，對陀螺儀進(jìn)行完善的室內(nèi)測試對提高陀螺儀研發(fā)生產(chǎn)進(jìn)度，保障陀螺儀生產(chǎn)質(zhì)量具有重要意義。為滿足衛(wèi)星用陀螺儀模擬仿真和全自動(dòng)測試的需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于PCI總線的自動(dòng)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)配合三軸轉(zhuǎn)臺(tái)對陀螺組件的準(zhǔn)確率、靈敏度等進(jìn)行測試[2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

測試設(shè)備的邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。測試系統(tǒng)大體分為4部分，系統(tǒng)控制單元，信息采集單元，轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元，電源管理單元。系統(tǒng)控制單元主要由一臺(tái)PCI接口的工控機(jī)組成，負(fù)責(zé)操作電源管理單元，給轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元發(fā)送控制信息，給信息采集單元發(fā)送采集命令并接收處理信息采集單元采集的轉(zhuǎn)臺(tái)和產(chǎn)品的速率位置等信息，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞[3]。轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元主要是接收控制單元的控制信息，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)按照控制單元的命令運(yùn)動(dòng)，并接收采集單元的指令，將轉(zhuǎn)臺(tái)的位置速率信息發(fā)送給采集單元。信息采集單元主要由轉(zhuǎn)臺(tái)上的數(shù)字卡和模擬卡組成，用于采集轉(zhuǎn)臺(tái)及陀螺的位置速率等信息[4]。此外，為了保證產(chǎn)品和遠(yuǎn)端信息采集單元的正常供電還有電源管理單元，電源管理單元由機(jī)械開關(guān)、電源管理卡、電壓電流采集卡、產(chǎn)品供電電源、指令電源等組成，通過機(jī)械+程控的方式保證產(chǎn)品合理上電、斷電，還可以監(jiān)測產(chǎn)品的電壓電流，如果出現(xiàn)異常情況，馬上進(jìn)行聲光報(bào)警，并切斷電源。

圖1 測試設(shè)備邏輯結(jié)構(gòu)圖

1.2 信息采集單元設(shè)計(jì)

信息采集單元是放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上的遠(yuǎn)端采集盒，由嵌入式AD采集卡和嵌入式RS422功能卡組成[5]。主要負(fù)責(zé)測量產(chǎn)品的陀螺角速率以及多種遙測模擬量數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸角速率信息。信息采集單元是測控系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部位，負(fù)責(zé)幾乎所有的測控功能[6]。信息采集單元需要對產(chǎn)品發(fā)出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過串口向轉(zhuǎn)臺(tái)和產(chǎn)品發(fā)送控制命令，并回讀轉(zhuǎn)臺(tái)和產(chǎn)品的相關(guān)信息。

1.2.1 嵌入式AD采集卡

嵌入式AD采集卡原理圖如圖2所示，板卡總體由電壓調(diào)理電路，AD采集電路，數(shù)據(jù)處理電路組成，可以采集48路模擬量信號(hào)。采集卡首先通過分壓電路，對遙測信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，此過程中要根據(jù)產(chǎn)品輸出的模擬量大小和產(chǎn)品輸出阻抗選擇合適的分壓電阻，經(jīng)過分壓電路調(diào)理后的信號(hào)要經(jīng)過電壓跟隨器輸入到AD采集芯片[7]。AD選用6片ANALOG公司16位精度的AD轉(zhuǎn)換芯片AD7606，每個(gè)AD采集芯片有8路AD采集通道，共48路AD采集通道。FPGA讀取48路通道的AD數(shù)字量，要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行排列整理，統(tǒng)一打包，加上幀頭、幀類型、校驗(yàn)位等信息，通過串口驅(qū)動(dòng)電路將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)[8]。串口驅(qū)動(dòng)電路由磁耦和422驅(qū)動(dòng)電路組成，使用磁耦將AD采集卡與其他單元隔離，保護(hù)產(chǎn)品不會(huì)因測控設(shè)備不明故障受到損害[9]。

1.2.2 嵌入式RS422功能卡

嵌入式RS422功能卡原理圖如圖3所示。嵌入式RS422功能卡主要是采集產(chǎn)品發(fā)出的422電平形式的脈沖，產(chǎn)生產(chǎn)品測試所需要的422電平的同步脈沖，而且可以通過422接口實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)品的通訊。此設(shè)備要完成多種型號(hào)產(chǎn)品的測量工作，因此嵌入式RS422卡可以通過配置命令實(shí)現(xiàn)多種通信協(xié)議的解析，有極高的靈活性。為了保護(hù)產(chǎn)品，在嵌入式RS422功能卡與設(shè)備通信鏈路中間加入了磁耦器件進(jìn)行隔離，磁耦相對光耦有更高的傳輸速度和更長的使用壽命，可實(shí)現(xiàn)高速的測量需求[10]。遠(yuǎn)端采集單元放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，因此對遠(yuǎn)端采集卡的大小有嚴(yán)格的限制，為簡化板卡設(shè)計(jì)，嵌入式RS422功能卡協(xié)議解析實(shí)現(xiàn)功能全部由FPGA完成，放棄使用UART協(xié)議專用芯片，也提高了FPGA程序的復(fù)雜度[11]。

圖2 嵌入式AD采集卡原理圖

圖3 嵌入式RS422功能卡原理圖

1.3 測試可靠性設(shè)計(jì)

測試過程中使用了大型的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，工作在強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境下，而且測試線要過多級(jí)滑環(huán)，信號(hào)干擾非常嚴(yán)重。為保證測量的準(zhǔn)確性和可靠性，要盡可能減少信號(hào)過滑環(huán)的通道數(shù)量，因此設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)端調(diào)理箱，將數(shù)字量和模擬量的測量單元放置到轉(zhuǎn)臺(tái)上，這樣產(chǎn)品的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)就可以避免過滑環(huán)，遠(yuǎn)端調(diào)理箱再將測量的信號(hào)用2路422信號(hào)傳送到主控單元。這樣將原本過滑環(huán)的并行傳輸改為串行傳輸，極大的提高了數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定性[12]。

張仲平心里暗笑，敢情人家把你當(dāng)司機(jī)了，他不想搭理她，用手示意曾真不要說話，然后假裝打著電話：“好好……那不行，行……好好。行，那不行。不是，我的意思是說……好好好，你說你說你先說……”

轉(zhuǎn)臺(tái)大電機(jī)的干擾，滑環(huán)的干擾仍然會(huì)影響主控單元與遠(yuǎn)端調(diào)理箱的通信，為保證通信可靠，在硬件層面上使用可靠的整形電路和大功率的422驅(qū)動(dòng)芯片，提高422信號(hào)抗干擾能力。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀采用CRC校驗(yàn)等可靠校驗(yàn)方法，保證數(shù)據(jù)的可靠無誤的傳輸[13]。

此外，所有的設(shè)計(jì)都采用了降額設(shè)計(jì)，設(shè)備中所有的器件均采用知名廠家的工業(yè)級(jí)或者軍品級(jí)器件。在測試設(shè)備內(nèi)的器件布局上考慮了熱設(shè)計(jì)和電磁兼容性設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)有效散熱；對大功率器件單獨(dú)安放，數(shù)據(jù)傳輸線均采用屏蔽雙絞線，所有連接器都選用金屬屏蔽殼。

1.4 電磁兼容性和可靠性設(shè)計(jì)

對系統(tǒng)在特定電磁環(huán)境下的工作特性進(jìn)行論證，研究保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的可靠性措施，采取屏蔽、隔離、搭接、濾波、接地等防護(hù)技術(shù)改善系統(tǒng)的電磁兼容性。采用以下工程設(shè)計(jì)方案和施工方案[14]。

1）采用磁隔技術(shù)實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備與產(chǎn)品之間數(shù)字信號(hào)的電氣隔離，保證任一部分的損壞不會(huì)傷害到另一部分。

2）高頻信號(hào)，如遠(yuǎn)端模擬箱與主控單元通訊的脈沖信號(hào)要進(jìn)行屏蔽和隔離，信號(hào)的傳輸、測量、隔離和屏蔽在電路和結(jié)構(gòu)上專門設(shè)計(jì)，最終使各類信號(hào)相互分離，互不干擾，建立起良好的信號(hào)傳輸環(huán)境。

3）對系統(tǒng)硬件進(jìn)行防靜電、防高壓、防過流、防輻射等保證人身安全和設(shè)備安全的設(shè)計(jì)。

2 測試軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)的軟件部分由開發(fā)效率高、維護(hù)方便的C#語言編寫[15]。測試程序主要由以下幾個(gè)模塊組成：產(chǎn)品測試軟件，算法模塊、設(shè)備自檢模塊、人機(jī)界面、輔助功能等模塊組成。算法模塊需要根據(jù)陀螺的協(xié)議內(nèi)容將測得的數(shù)據(jù)解算得到需要的角速率等信息，設(shè)備自檢模塊主要用于對測試系統(tǒng)的422數(shù)據(jù)收發(fā)單元，數(shù)字量輸出等單元進(jìn)行自檢。輔助功能包括軟件管理員確認(rèn)，設(shè)備報(bào)警等功能。

測試軟件的層次結(jié)構(gòu)如圖4所示，軟件系統(tǒng)分為硬件層、邏輯層和表現(xiàn)層。硬件層程序包括本系統(tǒng)中使用的RS422、7040卡的程序接口函數(shù)，是頂層模塊操作底層硬件板卡的媒介；邏輯層程序是硬件層和表現(xiàn)層程序之間的過渡，根據(jù)上層軟件的指令，通過調(diào)整硬件層的驅(qū)動(dòng)程序接口，就可以調(diào)節(jié)送入表現(xiàn)層的數(shù)據(jù)流信息，還可以接受表現(xiàn)層控制組件的命令，封裝功能模塊，調(diào)用硬件層程序，將表現(xiàn)層的命令轉(zhuǎn)換為硬件層的命令數(shù)據(jù)格式，下發(fā)到硬件層；表現(xiàn)層程序負(fù)責(zé)總體控制和處理功能，通過調(diào)用封裝的動(dòng)態(tài)庫函數(shù)完成對板卡的操作和信息的讀取，并進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理[16]。

圖4 測試軟件的層次結(jié)構(gòu)圖

本測試軟件將系統(tǒng)的功能按照模塊劃分，每個(gè)模塊相互獨(dú)立。層次化和模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可維護(hù)性強(qiáng)，可擴(kuò)展性高。由于測試要求和測試方案會(huì)根據(jù)需求變化，這樣在不更改硬件設(shè)計(jì)的情況下，增刪軟件模塊便可以滿足用戶需求。

3 調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

該測試系統(tǒng)用于某型衛(wèi)星用陀螺儀測試，主控測試臺(tái)的控制界面如圖5所示?？刂迫S轉(zhuǎn)臺(tái)按照某實(shí)際衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)曲線運(yùn)動(dòng)，設(shè)置遙測信號(hào)采集頻率1 kHz，同步脈沖頻率10 kHz，按照同步脈沖周期對陀螺儀發(fā)出的差分脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并同時(shí)采集轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸位置信息。上位機(jī)處理檢測到的差分脈沖數(shù)量，將其轉(zhuǎn)化為三軸角速率，并通過對轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸角位置信息進(jìn)行求導(dǎo)運(yùn)算，得到角速率信息，進(jìn)行長時(shí)間測量，比較兩者數(shù)據(jù)，計(jì)算陀螺儀的測量精度，判斷是否符合要求。

圖5 主控測試臺(tái)控制界面

4 結(jié)論

該測試系統(tǒng)以具有PCI總線的工控機(jī)為基礎(chǔ)，由三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜，遠(yuǎn)端信號(hào)采集單元，供電電源，電源管理單元，以及各種信號(hào)調(diào)理采集卡等外設(shè)組成，測試軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。該測試系統(tǒng)已用于某型衛(wèi)星用陀螺儀測試，實(shí)際應(yīng)用表明該測試系統(tǒng)測試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]段棟棟.高精度MEMS陀螺儀的濾波算法研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[2]郭榮斌，趙秀才.自動(dòng)測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].國外電子測量技術(shù)，2014，33（6）：2-3．

[3]F.Khoshnoud，C.W.de Silva.Recent advances in MEMS sensor technology-biomedical applications[J].IEEE Instrumentation and Measurement Maganize，2012，15（2）：14-24.

[4]胡宗華，代嚴(yán)滿，竇洋洋.基于C#電機(jī)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技，2016，4（8）：58-62.

[5]付寧，徐東東，楊易，等.基于PCI9054的PCI主模式板卡的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2016，39（1）：93-98.

[6]陳永志，魏豐，王旭東.基于PCI Express總線的同步時(shí)鐘卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（1）：106-109.

[7]譚婕娟.基于PCI板卡的模數(shù)轉(zhuǎn)換測試方案設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2016，29（5）：31-32.

[8]龍達(dá)峰，劉俊，張曉明，等.基于橢球擬合的三軸陀螺儀快速標(biāo)定方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34（6）：1299-1305.

[9]茍鋮，何玉珠.某型導(dǎo)彈控制艙自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2015，38（4）：109-112.

[10]李丹，胡曉光.武器裝備緊湊型PCI總線測控系統(tǒng)熱插拔冗余容錯(cuò)技術(shù)研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2015，36（7）：1247-1255.

[11]李安源，孫日明，殷杰波.一種電子設(shè)備自動(dòng)化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（10）：128-133.

[12]蘆俊，張國良，曹菁，陳侖.一種基于PCI總線的數(shù)字圖形發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].電子與封裝，2016，16（9）：24-27.

[13]馬睿，張會(huì)新，翟成瑞.一種新型遙測模擬測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件，2015，38（1）：160-165.

[14]楊海清，喬鐵英，鄧輝等.遙測模擬發(fā)射系統(tǒng)中PCM信號(hào)發(fā)生模塊設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013，41（5）：845-847．

[15]李樹彪，韓敬偉．基于多任務(wù)的智能測量儀器嵌入式軟件設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34（12）：1-2.

[16]牧彬，趙曉蓓，黃勇.基于PCI總線的圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù)，2013，32（8）：46-47.