張夢(mèng)夢(mèng)，徐志躍，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）

慣性測(cè)量組件是慣導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅可以控制物體的飛行軌跡，還能夠把物體在飛行過(guò)程中的加速度、加速度、姿態(tài)、俯仰角等信息傳遞給物體的其他部件[1-3]。慣性測(cè)量組件主要由陀螺和加速度計(jì)組成，其中陀螺用來(lái)測(cè)量角速度信息，加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量加速度信息。慣行測(cè)量組件在導(dǎo)航系統(tǒng)中有很大的優(yōu)勢(shì)，它不受環(huán)境等外在條件影響，準(zhǔn)確度很高。它的缺點(diǎn)是測(cè)量誤差會(huì)隨著時(shí)間積累。因此就需要對(duì)慣性測(cè)量組件的誤差因數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，這就需要專(zhuān)門(mén)的標(biāo)定系統(tǒng)來(lái)完成這個(gè)功能。但是現(xiàn)有的標(biāo)定系統(tǒng)有效率低，操作復(fù)雜，只能測(cè)某一種固定型號(hào)的產(chǎn)品的弊端[4-6]。本測(cè)控系統(tǒng)為提高測(cè)試效率，簡(jiǎn)化操作步驟，設(shè)計(jì)了可以同時(shí)測(cè)兩個(gè)產(chǎn)品的軟硬件平臺(tái)，且針對(duì)多種型號(hào)產(chǎn)品，使平臺(tái)有更高的通用性。

1 標(biāo)定方法

本系統(tǒng)選用工程上應(yīng)用很廣的速率標(biāo)定以及位置標(biāo)定法對(duì)被測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行誤差標(biāo)定。位置標(biāo)定法利用多位置對(duì)消原理，3個(gè)加速計(jì)計(jì)輪流指天地[7]，能夠?qū)铀俣扔?jì)的誤差因數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，還能夠標(biāo)定陀螺的零漂。速率標(biāo)定是一種動(dòng)態(tài)標(biāo)定，主要是對(duì)陀螺的誤差因數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，讓三軸轉(zhuǎn)臺(tái)分別繞著X軸、Y軸及Z軸順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)，用來(lái)消除地球自轉(zhuǎn)角速率和漂移產(chǎn)生的影響[8]。加速度計(jì)安裝產(chǎn)生的誤差還受轉(zhuǎn)臺(tái)的精度影響，準(zhǔn)確標(biāo)定慣性測(cè)量組件誤差參數(shù)主要依賴(lài)于高精度速率位置轉(zhuǎn)臺(tái)[9-11]，通常要求測(cè)試設(shè)備的精度比被測(cè)器件的精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，此系統(tǒng)所測(cè)試的產(chǎn)品精度較高，所選用的轉(zhuǎn)臺(tái)精度高于慣測(cè)組件精度1個(gè)量級(jí)以上，滿(mǎn)足被測(cè)產(chǎn)品的精度要求。測(cè)控系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)三軸的位置以及轉(zhuǎn)臺(tái)的速率來(lái)完成對(duì)被測(cè)產(chǎn)品的靜態(tài)位置及動(dòng)態(tài)速率標(biāo)定。

2 硬件組成

2.1 總體組成

根據(jù)被測(cè)產(chǎn)品的測(cè)試要求及選定的標(biāo)定方法設(shè)計(jì)了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。慣性測(cè)量組件標(biāo)定與測(cè)試系統(tǒng)主要由三軸轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)體及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元、信號(hào)調(diào)理單元、產(chǎn)品測(cè)控單元、產(chǎn)品夾具和高低溫箱等組成，用來(lái)在全溫狀態(tài)下對(duì)慣性測(cè)量分組件進(jìn)行誤差標(biāo)定和精度測(cè)試工作，組成原理框圖如圖1所示。

圖1 總體組成

三軸轉(zhuǎn)臺(tái)外框軸為速率、位置軸，中框、內(nèi)框?yàn)槲恢幂S。轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸框架置于高低溫箱之內(nèi)，外框驅(qū)動(dòng)軸置于高低溫箱外，外框架4路用來(lái)收發(fā)產(chǎn)品2的信號(hào)。測(cè)控軟件控制422通用板卡對(duì)脈沖調(diào)理卡發(fā)送指令并接收數(shù)據(jù)，控制PCI-6143板卡進(jìn)行電壓電流采集，以及產(chǎn)品上電及斷電，并通過(guò)工控機(jī)上的232串口與轉(zhuǎn)臺(tái)通信，控制轉(zhuǎn)臺(tái)位置及速率。NI PCI-6143數(shù)據(jù)采集卡每通道都有專(zhuān)用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能滿(mǎn)足采集精度要求，并有數(shù)字I/O線(xiàn)，可以控制產(chǎn)品上電斷電。

2.2 脈沖計(jì)數(shù)卡設(shè)計(jì)

脈沖計(jì)數(shù)卡主要組成器件有74ABT244、ADuM1400、EP1C3T144。74ABT244具有八路緩沖器，3態(tài)輸出線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)器，如圖2中所示，驅(qū)動(dòng)緩沖陣列主要由74ABT244組成。調(diào)理部分主要由ADuM1400組成，ADuM1400是4通道數(shù)字隔離芯片，是一種磁偶隔離芯片，傳輸速率最高可達(dá)90 Mbps，在多通道高速情況下，磁偶比光耦更具有性?xún)r(jià)比。每個(gè)通道都包含：一個(gè)輸入緩沖器，一個(gè)編碼器（內(nèi)置刷新發(fā)生器），一個(gè)隔離變壓器，一通過(guò)高低溫箱底部的圓孔以剛性隔熱的方式與速率軸連接。外框軸、中框軸、內(nèi)框軸間的相對(duì)位置通過(guò)框架的設(shè)計(jì)和安裝保證。產(chǎn)品測(cè)控部分由工控機(jī)，RS422通用板卡，NI PCI-6143數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)字萬(wàn)用表以及測(cè)試軟件組成。信號(hào)調(diào)理包括產(chǎn)品脈沖信號(hào)調(diào)理以及電源調(diào)理部分，脈沖計(jì)數(shù)卡對(duì)產(chǎn)品發(fā)出的12路脈沖調(diào)理并計(jì)數(shù)，然后把12路脈沖數(shù)傳給RS422通用板卡[12-14]。RS422通用板卡為自研板卡，有4個(gè)通道。其中第1和第2路用來(lái)收發(fā)產(chǎn)品1的信號(hào)，第3和第4個(gè)解碼器（內(nèi)置看門(mén)狗定時(shí)器）和一個(gè)輸出緩沖器。SC28L202是IMPAC系列數(shù)據(jù)通信器件的成員。它是一個(gè)高性能的2路UART，其功能特性和編程特性緊密匹配，它在一個(gè)單芯片的封裝中提供了2個(gè)全雙工異步接收器/發(fā)送器通道。該器件的每個(gè)通道的工作模式和數(shù)據(jù)格式可以獨(dú)立編程。此板卡中該芯片用做RS422板卡的通信接口。FPGA芯片選用ALTERA公司Cyclone系列的EP1C3T144。FPGA程序主要分為3個(gè)模塊：讀溫度模塊，脈沖計(jì)數(shù)模塊，與422通信模塊。

圖2 脈沖計(jì)數(shù)卡布局圖

3 測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于VC++6.0采用MFC框架編程，軟件有友好的用戶(hù)交互界面，操作簡(jiǎn)便，可以選擇手動(dòng)測(cè)試或者自動(dòng)測(cè)試模式，實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)并自動(dòng)處理測(cè)試結(jié)果并存入文件中。軟件主要包括電壓電流監(jiān)控線(xiàn)程，動(dòng)態(tài)測(cè)試線(xiàn)程，靜態(tài)測(cè)試線(xiàn)程，溫度監(jiān)控線(xiàn)程，轉(zhuǎn)臺(tái)控制以及算法解算部分。電壓電流監(jiān)控線(xiàn)程主要控制NI-6143板卡采集電壓電流，當(dāng)電壓電流超出范圍及時(shí)給產(chǎn)品下電。溫度監(jiān)控線(xiàn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品內(nèi)部溫度，并存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，也能監(jiān)控產(chǎn)品外部的溫度。轉(zhuǎn)臺(tái)控制及算法解算部分與靜態(tài)及動(dòng)態(tài)線(xiàn)程配合完成整個(gè)測(cè)試。

3.1 靜態(tài)測(cè)試

靜態(tài)測(cè)試控制轉(zhuǎn)臺(tái)外框，中框，內(nèi)框到對(duì)應(yīng)的位置，并可以軟件設(shè)置脈沖計(jì)數(shù)周期，主要流程圖如圖3所示。靜態(tài)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)有六個(gè)位置點(diǎn)[15]，程序先判斷測(cè)試的是哪個(gè)位置，根據(jù)不同的位置，給轉(zhuǎn)臺(tái)下發(fā)不同的位置指令，然后根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)返回的數(shù)據(jù)判斷轉(zhuǎn)臺(tái)是否轉(zhuǎn)到位置，如果轉(zhuǎn)到指定位置，就復(fù)位RS422板卡，對(duì)RS422板卡寫(xiě)設(shè)置計(jì)數(shù)周期數(shù)據(jù)，脈沖計(jì)數(shù)卡會(huì)接收RS422板卡的指令，計(jì)數(shù)相應(yīng)周期的脈沖，等到設(shè)定的周期到了以后，RS422板卡接收脈沖計(jì)數(shù)卡傳上來(lái)的脈沖數(shù)據(jù)，脈沖數(shù)據(jù)包括6路，分別為加速度計(jì)和陀螺的X、Y、Z方向的脈沖和。算法處理部分根據(jù)收到的脈沖和算出相關(guān)的標(biāo)定因數(shù)，其中包括加速度計(jì)的非線(xiàn)性，非正交性及陀螺零偏因數(shù)。程序把解算后的數(shù)據(jù)顯示到主界面上，靜態(tài)測(cè)試線(xiàn)程結(jié)束。

圖3 靜態(tài)測(cè)試流程圖

3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試

動(dòng)態(tài)測(cè)試中框內(nèi)框有3個(gè)位置點(diǎn)，中框內(nèi)框固定在某一位置，外框按設(shè)定的速率轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)測(cè)試與靜態(tài)測(cè)試有個(gè)不同的地方，靜態(tài)測(cè)試的周期由422板卡下發(fā)給脈沖計(jì)數(shù)卡，而動(dòng)態(tài)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間由脈沖計(jì)數(shù)卡采集轉(zhuǎn)臺(tái)的周脈沖實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)臺(tái)每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出一個(gè)周脈沖，根據(jù)采集到的兩次周脈沖的時(shí)間間隔確定轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)一圈所用的精確時(shí)間。動(dòng)態(tài)主要流程圖如圖4所示：動(dòng)態(tài)測(cè)試是否到位，如果沒(méi)有到位就結(jié)束動(dòng)態(tài)測(cè)試程序，如果到正確位置，先復(fù)位422板卡，然后下發(fā)轉(zhuǎn)臺(tái)速率指令；再判斷轉(zhuǎn)臺(tái)外框轉(zhuǎn)動(dòng)速率是否到位[16]。如果速率到達(dá)指定速率就開(kāi)始動(dòng)態(tài)測(cè)試脈沖計(jì)數(shù)，根據(jù)收到的脈沖數(shù)解算陀螺的刻度因數(shù)誤差，并顯示收到的脈沖數(shù)及解算的標(biāo)定因數(shù)。測(cè)完一個(gè)速率點(diǎn)再判斷是否所有速率點(diǎn)都測(cè)完，如果沒(méi)有測(cè)完，再發(fā)送下一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)速率點(diǎn)給轉(zhuǎn)臺(tái)，開(kāi)始下個(gè)速率點(diǎn)的測(cè)試。測(cè)完所有的速率點(diǎn)后，在根據(jù)所有速率點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)算出最終測(cè)試數(shù)據(jù)。然后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)退出測(cè)試流程。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取擬采用CStdioFile類(lèi)的控制中框及內(nèi)框到正確的位置，先判斷轉(zhuǎn)臺(tái)WriteString（）和ReadString（）等成員函數(shù)封裝成適用于各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)保存格式的文檔讀寫(xiě)函數(shù)，方便每次測(cè)試結(jié)束后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及測(cè)試過(guò)程中對(duì)已有文檔中數(shù)據(jù)的讀取。生成Excel測(cè)試報(bào)表需要對(duì)Microsoft.Off ice.Core和Microsoft.Office.Interop.Excel這兩個(gè)Microsoft.office進(jìn)行二次封閉，生成ExcelOperation類(lèi)庫(kù)，簡(jiǎn)化對(duì)excel表格的操作過(guò)程。類(lèi)庫(kù)主要有構(gòu)造函數(shù) ExcelOpera-tionCC（），打開(kāi)函數(shù)Open（），寫(xiě)入函數(shù)Write（）和關(guān)閉函數(shù)Close（）。與標(biāo)定算法相關(guān)的函數(shù)封裝成一個(gè)名為CPublic的類(lèi)。該類(lèi)中主要函數(shù)如下：

CalcDynamicInfo（int nCnt，int CurrPos）是計(jì)算動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)的函數(shù)，CalcStaticInfo（int nCnt，int CurrPos）；是計(jì)算靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)的函數(shù)；Thread_StaProc（LPVOID lParam）是靜態(tài)線(xiàn)程的主函數(shù)；Thread_DycProc（LPVOID lParam）；是動(dòng)態(tài)測(cè)試線(xiàn)程的主函數(shù)；Thread_Tempra（LPVOID lParam）；是溫度監(jiān)控線(xiàn)程函數(shù)，通過(guò)該類(lèi)中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)了軟件的最主要的功能。

圖4 動(dòng)態(tài)測(cè)試流程

4 結(jié)論

對(duì)本系統(tǒng)對(duì)慣測(cè)組件各路脈沖計(jì)數(shù)的結(jié)果與相同產(chǎn)品在原有測(cè)控設(shè)備上各路脈沖數(shù)做對(duì)比，本系統(tǒng)脈沖計(jì)數(shù)誤差在正常范圍內(nèi)，滿(mǎn)足測(cè)試精度要求，并能夠正確算出加速度計(jì)和陀螺的各項(xiàng)標(biāo)定因數(shù)。本系統(tǒng)比起傳統(tǒng)設(shè)備有更高的測(cè)試精度，測(cè)試效率也有很大提高，可以滿(mǎn)足多種型號(hào)被測(cè)產(chǎn)品的

不同測(cè)試要求，軟件也具有更好的通用性，操作簡(jiǎn)單方便，能實(shí)時(shí)顯示各路脈沖數(shù)及標(biāo)定后的參數(shù)以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試證明該系統(tǒng)軟件及硬件可以穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

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