李梅娟，馬 瑞，時(shí)東海

（北京航天時(shí)代光電科技有限公司，北京100094）

0 引言

隨著光纖陀螺應(yīng)用的逐步推廣，產(chǎn)品的需求量正在穩(wěn)步增長(zhǎng)，一些型號(hào)已經(jīng)進(jìn)入批產(chǎn)階段。如何提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，適應(yīng)批產(chǎn)需求，就成為急需解決的問題。在陀螺儀生產(chǎn)工序中，測(cè)試是一個(gè)耗時(shí)較長(zhǎng)的過程。目前對(duì)批量生產(chǎn)的陀螺儀，測(cè)試的相關(guān)工藝技術(shù)仍缺少可以借鑒的成熟技術(shù)。因此，要立足自主研究，積極探索、創(chuàng)新陀螺測(cè)試工藝，減少測(cè)試時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，為批產(chǎn)順利進(jìn)行提供有力的技術(shù)支持。

本文針對(duì)光纖陀螺測(cè)試工藝過程及其體積小的特點(diǎn)，提出多通道并行自動(dòng)測(cè)試方法。通過開發(fā)自動(dòng)化測(cè)試軟件、設(shè)計(jì)測(cè)試工裝、測(cè)試電路等硬件系統(tǒng)，可快速提高測(cè)試效率，減少測(cè)試時(shí)間。

1 總體設(shè)計(jì)

光纖陀螺多通道自動(dòng)測(cè)試技術(shù)是指通過設(shè)計(jì)多陀螺并行測(cè)試的軟硬件系統(tǒng)，依據(jù)陀螺儀產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試工藝流程，研究能在轉(zhuǎn)臺(tái)上一鍵式觸發(fā)、同時(shí)自動(dòng)測(cè)試8只光纖陀螺，且能自動(dòng)分析處理測(cè)試數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告的測(cè)試工藝技術(shù)。

1.1 測(cè)試內(nèi)容

單光纖陀螺測(cè)試系統(tǒng)圖如圖1所示。其中，1為轉(zhuǎn)臺(tái)下測(cè)試電纜，2為轉(zhuǎn)臺(tái)上轉(zhuǎn)接電纜。電源及測(cè)試電路均在轉(zhuǎn)臺(tái)外面，測(cè)試軟件通過232?USB轉(zhuǎn)接線獲取測(cè)試數(shù)據(jù)。

光纖陀螺在轉(zhuǎn)臺(tái)上的測(cè)試，主要包括角速率試驗(yàn)和 “地西南”位置測(cè)試。其中，角速率試驗(yàn)和位置測(cè)試各進(jìn)行6遍。試驗(yàn)時(shí)將光纖陀螺安裝在測(cè)試工裝內(nèi)，測(cè)試系統(tǒng)連接好后，光纖陀螺通電開始測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試完成后，再進(jìn)行速率測(cè)試。

角速率試驗(yàn)的目的是測(cè)試常溫及高、低溫下光纖陀螺指標(biāo)。角速率試驗(yàn)需進(jìn)行6遍常溫角速率試驗(yàn)，在0℃、 ＋15℃、 ＋30℃、 ＋40℃、 ＋50℃、＋60℃各進(jìn)行1遍速率和位置試驗(yàn)。光纖陀螺的測(cè)試過程中共涉及12次轉(zhuǎn)速率，速率試驗(yàn)需要轉(zhuǎn)26個(gè)速率點(diǎn)。

由位置試驗(yàn)和角速率試驗(yàn)過程可以看出，測(cè)試過程要經(jīng)過多個(gè)輪次的高、低溫循環(huán)，轉(zhuǎn)速率試驗(yàn)也十分耗時(shí)。在產(chǎn)品研制階段采用的一個(gè)工裝安裝一個(gè)光纖陀螺，即在溫箱內(nèi)采用單套測(cè)試設(shè)備的方式，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，效率低。

1.2 多通道并行自動(dòng)測(cè)試方案

根據(jù)對(duì)光纖陀螺測(cè)試流程和測(cè)試過程中存在問題的研究分析，采用多套并行的自動(dòng)化測(cè)試方案，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和配置，采用在轉(zhuǎn)臺(tái)上同時(shí)安裝8只光纖陀螺進(jìn)行測(cè)試的方案，如圖2所示。在設(shè)計(jì)測(cè)試工裝時(shí)，考慮轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸有限、安裝產(chǎn)品多、便于光纖陀螺安裝盒拆卸操作，設(shè)計(jì)時(shí)采用花瓣形內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)方案，外層用來安裝固定8只光纖陀螺，內(nèi)層用來安裝固定測(cè)試電路和二次電源模塊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要包括工裝、測(cè)試電路、供電電源、測(cè)試電纜和測(cè)試工裝。測(cè)試電路由采集1路陀螺數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿胁杉?路陀螺數(shù)據(jù)，需要對(duì)電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；為了使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，將供電模式由一次電源供電改為二次電源供電；測(cè)試工裝設(shè)計(jì)為圓形，使其在做速率試驗(yàn)時(shí)所受向心力相同。

2.1 工裝設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸有限，承重有限，為實(shí)現(xiàn)8只陀螺儀并行測(cè)試，設(shè)計(jì)工裝時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和質(zhì)量，既要保證陀螺儀安裝測(cè)試的安全性，又不能超過轉(zhuǎn)臺(tái)的承載能力。因此，工裝設(shè)計(jì)為兩層，以增加有效使用的面積，上層用來安裝固定8只光纖陀螺儀，如圖1所示；下層用來固定測(cè)試電路、供電電源、并有走線設(shè)計(jì)，如圖3所示。將陀螺儀、電源和測(cè)試電路都安裝在測(cè)試工裝中，優(yōu)點(diǎn)在于避免將電源放置在轉(zhuǎn)臺(tái)下面而使用長(zhǎng)距離的電纜，測(cè)試電路和二次電源模塊距離很近，電信號(hào)經(jīng)過路徑短，可以減少電磁干擾。工裝設(shè)計(jì)了6個(gè)安裝孔，其中一個(gè)為定位孔，公差要求更為嚴(yán)格，完全模擬了陀螺儀在慣組應(yīng)用中的實(shí)際安裝情況。

2.2 電氣設(shè)計(jì)

相對(duì)原有單套產(chǎn)品的測(cè)試系統(tǒng)，由于測(cè)試系統(tǒng)電氣接口的變化，需要重新設(shè)計(jì)測(cè)試電纜，使1套電纜滿足8只陀螺儀的并行測(cè)試要求。為提高電連接器的使用效率和插拔操作的可靠性，要重新選擇電連接器。

測(cè)試系統(tǒng)電氣連接如圖4所示。其中，a為RS422轉(zhuǎn)接線，b為轉(zhuǎn)臺(tái)下轉(zhuǎn)接電纜，電纜b與轉(zhuǎn)臺(tái)配套的電連接器型號(hào)為JY27467?T23B32PN和JY27467T23B34SN，與一次電源配套的電連接器為DB25針，與RS422配套的電連接器是DB9插頭；c為轉(zhuǎn)臺(tái)上轉(zhuǎn)接電纜（兩種插頭兩種電纜），電纜c與轉(zhuǎn)臺(tái)配套的電連接器是JY27467T23B32PN和JY27467T23B34SN，目的是專纜專用，使其明顯地區(qū)別于其他電纜，防止電纜的誤接錯(cuò)用。工裝上電纜接口設(shè)計(jì)為DB25針和DB25孔，防止電纜插錯(cuò)引起陀螺儀芯片燒壞。電纜線均采用屏蔽線以避免信號(hào)線的電磁干擾，另外考慮測(cè)試電纜上的壓降對(duì)陀螺儀內(nèi)電路板的影響，采用多點(diǎn)多線，布線長(zhǎng)度盡量短。

在單陀螺儀測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試電源放置于轉(zhuǎn)臺(tái)下面，通過滑環(huán)給陀螺儀供電。為縮短陀螺儀到電源之間的距離，測(cè)試電路需要安裝在離電源模塊和陀螺儀都比較近的位置上。因此，需要在工裝上設(shè)計(jì)測(cè)試電路板、二次電源的安裝位置。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的配置、電源模塊和測(cè)試電路的外形尺寸，將測(cè)試電路、電源模塊安裝在測(cè)試工裝的背面。電路板的安裝方式占用空間小，有利于測(cè)試工裝整體尺寸的控制。

測(cè)試盒的核心是高速數(shù)據(jù)采集單元，高速數(shù)據(jù)采集單元通過RS232接口實(shí)現(xiàn)與陀螺儀通信，高速數(shù)據(jù)采集單元采用基于ARM＋FPGA的高性能嵌入式系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)采集單元的實(shí)時(shí)性以及應(yīng)用任務(wù)的方便編寫，數(shù)據(jù)采集單元采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。RTOS有效保證了系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)事件處理的實(shí)時(shí)性，并且對(duì)應(yīng)用任務(wù)提供了統(tǒng)一的任務(wù)擴(kuò)展、調(diào)度接口函數(shù)，以方便應(yīng)用任務(wù)的開發(fā)及調(diào)試。數(shù)據(jù)采集單元采用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種接口協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各種通信數(shù)據(jù)的硬件時(shí)標(biāo)，如圖5所示。

3 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)試系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio開發(fā)測(cè)試軟件，軟件具有轉(zhuǎn)臺(tái)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、判斷的功能。設(shè)計(jì)充分考慮測(cè)試過程中容易出錯(cuò)的部分，在軟件中增加自動(dòng)建立文件夾、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存功能；為減少數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜步驟，在軟件中增加數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、判斷的功能。為使軟件能兼容不同型號(hào)陀螺儀的自動(dòng)化測(cè)試，在軟件中增加模式設(shè)置（用于固定不同型號(hào)的速率點(diǎn)），增加Matlab服務(wù)器動(dòng)態(tài)鏈接（用于變換不同型號(hào)的數(shù)據(jù)處理程序）。在菜單欄中設(shè)計(jì)有速率標(biāo)定和開始兩種模式的測(cè)試方式，速率標(biāo)定用于速率試驗(yàn)的自動(dòng)化測(cè)試，開始按鈕用于零位、溫度循環(huán)、老煉等不需要控制設(shè)備的測(cè)試。軟件設(shè)計(jì)中還設(shè)有轉(zhuǎn)臺(tái)速度顯示窗口，測(cè)試開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，Matlab命令輸入窗口等。同時(shí)，軟件還可以根據(jù)測(cè)試陀螺儀的個(gè)數(shù)變換窗口顯示的數(shù)量。

測(cè)試軟件的運(yùn)行流程如圖6所示，以常溫速率試驗(yàn)為例，啟動(dòng)測(cè)試軟件后，選擇轉(zhuǎn)臺(tái)型號(hào)，選擇產(chǎn)品型號(hào)，填寫產(chǎn)品編號(hào)并選擇串口號(hào)，程序?qū)⒆詣?dòng)判斷一只或多只的測(cè)試模式；自動(dòng)建立數(shù)據(jù)保存路徑與名稱，接收數(shù)據(jù)串口、控制設(shè)備串口、讀取面板上的控件參數(shù)，向轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)送命令，若轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定，檢查數(shù)據(jù)接收標(biāo)志，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、翻譯、顯示，測(cè)試完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、判斷并生成測(cè)試報(bào)告。測(cè)試軟件的工作界面如圖7所示，包括8通道測(cè)試數(shù)據(jù)顯示區(qū)、輸出數(shù)據(jù)區(qū)、菜單設(shè)置區(qū)。

測(cè)試軟件收到的數(shù)據(jù)是從測(cè)試電路中發(fā)送出來的422串口信號(hào)，其發(fā)送周期為100ms/幀，32位數(shù)據(jù)位，采取和校驗(yàn)，幀長(zhǎng)12字節(jié)，每幀數(shù)據(jù)包含幀頭、通道數(shù)、陀螺數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位和幀尾等一系列信息，波特率為115200。

測(cè)試軟件運(yùn)行具有高度的自動(dòng)化，如測(cè)試參數(shù)均由軟件自動(dòng)設(shè)置，轉(zhuǎn)臺(tái)的啟動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)也由軟件控制、判斷等。因此，可以減輕操作員操作、監(jiān)視轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的重復(fù)勞動(dòng)，減少在操控轉(zhuǎn)臺(tái)過程中可能出現(xiàn)的人為誤操作現(xiàn)象，從而提高測(cè)試的準(zhǔn)確性、一致性。

對(duì)比單陀螺測(cè)試和8陀螺并行測(cè)試的效率，某型號(hào)光纖陀螺進(jìn)行測(cè)試的時(shí)間比較結(jié)果如表1所示。一方面，采用開發(fā)的測(cè)試軟件可以減少人為判斷轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定、控制轉(zhuǎn)臺(tái)的操作時(shí)間；另一方面，8只陀螺并行測(cè)試可以將整體測(cè)試效率提高7倍以上，大大提高生產(chǎn)效率。

表1 單陀螺與8只陀螺測(cè)試時(shí)間比較Table 1 Test time comparison between single FOG and 8?FOG

4 結(jié)論

本文針對(duì)光纖陀螺測(cè)試過程的項(xiàng)目多、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)品生產(chǎn)效率低的問題，提出8只陀螺并行測(cè)試方法，構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了工裝及電纜等硬件，開發(fā)了相應(yīng)的測(cè)試軟件。自動(dòng)化的軟件操作，減少誤操作機(jī)率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性。多組合測(cè)試方法提高產(chǎn)品的測(cè)試效率7倍以上，降低了測(cè)試成本，適合于光纖陀螺產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，為光纖陀螺的廣泛應(yīng)用提供可靠保障。