郭佳，項(xiàng)卓

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241000）

1 背景

光纖陀螺儀、微機(jī)械加速度計(jì)（MEMS）等受感部件的使用、多軸向集成以及信號(hào)的數(shù)字化輸出是運(yùn)動(dòng)傳感器的主要發(fā)展趨勢(shì)，在飛行控制領(lǐng)域已廣泛運(yùn)用。本項(xiàng)目主要研究對(duì)象是一種可測(cè)量三軸角速度和三軸加速度2種物理量的高集成度數(shù)字傳感器，在技術(shù)上具有領(lǐng)先水平。如繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的手動(dòng)給定物理量、測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)的方式對(duì)該傳感器進(jìn)行測(cè)量，必然會(huì)增加人為差錯(cuò)發(fā)生的概率，測(cè)試精度和一致性也不能滿足需要。

本文利用虛擬儀器、總線控制和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，基于CPCI 總線工控機(jī)平臺(tái)，通過對(duì)外設(shè)轉(zhuǎn)臺(tái)的通訊控制，開展數(shù)字集成傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

2 測(cè)試需求分析

2.1 研制思想及指導(dǎo)原則

測(cè)試環(huán)境以保證完全滿足集成傳感器產(chǎn)品測(cè)試所要求的技術(shù)條件為基本原則。在消化、理解集成傳感器工作原理和相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合單軸向模擬式傳感器測(cè)試環(huán)境的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，開展測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

為使測(cè)試環(huán)境能夠滿足集成傳感器測(cè)試要求，通過電纜使測(cè)試設(shè)備和產(chǎn)品交聯(lián)，產(chǎn)品接收外部電源提供的電源信號(hào)，接收測(cè)試設(shè)備發(fā)出的地面自檢測(cè)指令，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的地面自檢測(cè)功能。測(cè)試設(shè)備接收產(chǎn)品發(fā)送的包含三軸角速度和線加速度信息的1553B 信號(hào)，并顯示當(dāng)前狀態(tài)產(chǎn)品的角速度值和線加速度值。測(cè)試環(huán)境中要求包括能提供和受控的角速度轉(zhuǎn)臺(tái)和線加速度轉(zhuǎn)臺(tái)。

2.2 集成傳感器測(cè)試需求

從集成傳感器功能出發(fā)，對(duì)應(yīng)推導(dǎo)出測(cè)試系統(tǒng)環(huán)境資源需求包括向集成傳感器提供工作所需的供電電壓和能夠提供集成傳感器量程范圍內(nèi)的角速度和加速度物理量給定。為實(shí)現(xiàn)性能測(cè)試，測(cè)試軟件需要能夠通過1553B總線信號(hào)與其建立通訊并控制其工作狀態(tài)，可解析集成傳感器輸出的3 個(gè)軸向角速度和加速度1553B 信號(hào)和模擬量信號(hào)，同時(shí)自動(dòng)判定2 類輸出數(shù)據(jù)是否合格。

3 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

3.1.1 測(cè)試設(shè)備概述

測(cè)試系統(tǒng)以CPCI 總線計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，配備必要的硬件資源，如直流穩(wěn)壓電源、工業(yè)計(jì)算機(jī)、1553B 總線采集器模擬量采集卡等，利用總線控制、信號(hào)轉(zhuǎn)換等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)接口控制信號(hào)、總線信號(hào)的激勵(lì)和檢測(cè)；利用虛擬儀器平臺(tái)開發(fā)測(cè)試軟件能夠控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的性能驗(yàn)證。圖1 為測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)圖。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1.2 工作原理

集成傳感器在正常工作情況下，機(jī)上電源27 V 對(duì)其進(jìn)行供電，飛控計(jì)算機(jī)輸出1553B 總線BC 信號(hào)控制集成傳感器工作，集成傳感器由計(jì)算機(jī)板將接收的傳感器模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成1553B 總線信號(hào)輸出給飛控計(jì)算機(jī)處理，同時(shí)將傳感器模擬量引出到對(duì)外航插。

測(cè)試環(huán)境工作原理是模擬機(jī)上電源及飛控計(jì)算機(jī)，利用穩(wěn)壓電源及轉(zhuǎn)接盒的二次開關(guān)對(duì)集成傳感器的上電情況進(jìn)行控制，工控機(jī)1553B 板卡發(fā)送BC（總線控制器）信號(hào)控制集成傳感器的工作，同時(shí)接受集成傳感器發(fā)出的1553B 信號(hào)，并進(jìn)行解析；工控機(jī)測(cè)試機(jī)箱發(fā)送控制信號(hào)控制角速度轉(zhuǎn)臺(tái)或線加速度轉(zhuǎn)臺(tái)按給定值提供對(duì)應(yīng)物理量；集成傳感器引出至航插的模擬量信號(hào)通過轉(zhuǎn)接盒測(cè)試孔及模擬量采集卡進(jìn)行測(cè)量，可記錄數(shù)據(jù)。

測(cè)試設(shè)備信號(hào)交聯(lián)圖如圖2 所示。

圖2 測(cè)試設(shè)備信號(hào)交聯(lián)圖

3.2 硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 工控機(jī)及板卡選擇

測(cè)試系統(tǒng)主體采用立式機(jī)柜式設(shè)計(jì)，內(nèi)部包括工控機(jī)、顯示器、轉(zhuǎn)接機(jī)箱、電源，考慮測(cè)試過程中的人機(jī)功效，對(duì)上述部分進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，其外觀如圖3 所示。

圖3 測(cè)試設(shè)備信號(hào)交聯(lián)圖

其中工控機(jī)及控制器作為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制核心用于人機(jī)交互和板卡拓展，必須具有高性能，高可靠性和可擴(kuò)展性，最大程度的滿足測(cè)試及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的各種潛在需要。本測(cè)試系統(tǒng)選用3U 雙列8 槽CPCI 背板機(jī)箱，外設(shè)接口包括2 個(gè)USB3.0 接口和RS232/RS422/RS485接口，滿足性能測(cè)試和2 種轉(zhuǎn)臺(tái)通訊控制的需要。

1553B 卡安裝于工控機(jī)的CPCI 卡槽內(nèi)，用于與集成傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。單張1553B 卡包含雙通道1553B 總線，每通道1 個(gè)BC（總線控制器）、1~31 個(gè)RT（遠(yuǎn)程終端）、1 個(gè)BM（總線監(jiān)視器），BC、RT 和BM 可同時(shí)有效；板卡持外觸發(fā)輸入/輸出，并具有板載自檢功能。

模擬量采集卡用于接收集成傳感器的模擬量數(shù)據(jù)。該模擬量采集器具備64 路輸入通道，可采用單端輸入、差分量輸入或混合輸入采集方式；數(shù)據(jù)采樣率250KSps、采樣率精度高達(dá)50ppm，輸入阻抗20KΩ、最大安全輸入電壓±36V，支持2 種觸發(fā)源和6 種采集模式，可滿足被測(cè)傳感器各類模擬量測(cè)量需求。

3.2.2 轉(zhuǎn)接機(jī)箱及轉(zhuǎn)臺(tái)

轉(zhuǎn)接機(jī)箱主要作用是將供給集成傳感器的電源信號(hào)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可以單獨(dú)供電也可以同時(shí)供電的要求。同時(shí)將所有傳感器的模擬量信號(hào)引出，能夠通過測(cè)試孔測(cè)量傳感器模擬量值。轉(zhuǎn)接機(jī)箱面設(shè)計(jì)板如圖4 所示。

角速度轉(zhuǎn)臺(tái)和線加速度轉(zhuǎn)臺(tái)選用符合測(cè)量精度和范圍要求的貨架產(chǎn)品，通過RS/232 接口與工控機(jī)通訊。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 軟件功能概述

系統(tǒng)測(cè)試軟件需具備以下功能：完成硬件資源以及全局變量的初始化和測(cè)試設(shè)備板卡的自檢，完成系統(tǒng)的工作準(zhǔn)備；通過對(duì)集成傳感器的測(cè)量，顯示集成傳感器的所有模擬量輸出，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行判斷并生成圖像；通過1553B 總線信號(hào)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行控制，接收1553B 總線信號(hào)并進(jìn)行解析。

3.3.2 軟件組成

測(cè)試設(shè)備軟件由開發(fā)支持軟件和控制軟件組成。開發(fā)支持軟件為軟件開發(fā)提供支持，控制軟件實(shí)現(xiàn)控制功能。使用Windows XP、Microsoft Visual C++ 6.0 完成應(yīng)用程序的編譯、連接、加載和調(diào)試的可視集成開發(fā)環(huán)境。軟件組成如圖5 所示。

測(cè)試系統(tǒng)開始工作前先通過自檢測(cè)程序完成板卡的自檢，1553B 板卡擁有自檢測(cè)功能，并可以提供返回值，通過檢測(cè)返回值完成對(duì)板卡自檢情況的判斷；轉(zhuǎn)接盒將27V 電源模擬量反饋至模擬量采集卡，通過模擬量采集卡各通道反饋的數(shù)據(jù)，判斷板卡工作狀態(tài)是否良好。通過自檢后按照?qǐng)D6、圖7 所示測(cè)試流程完成角速度和線加速度的測(cè)試。

圖6 測(cè)試流程圖

圖7 測(cè)試環(huán)境框圖

4 集成傳感器標(biāo)定試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

按集成傳感器技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試要求，采用單變量對(duì)比法對(duì)數(shù)字集成傳感器測(cè)試系統(tǒng)功能搭建試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境如圖7 所示，依據(jù)GJB-8898 光纖陀螺通用規(guī)范、GJB-9771 諧振梁加速度計(jì)通用規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)文件設(shè)計(jì)各軸向角速度和加速度測(cè)試點(diǎn)。每次給定1 個(gè)軸向的角速度或加速度，同時(shí)使用外接儀器和測(cè)試系統(tǒng)對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比2 種方式測(cè)量值及其對(duì)應(yīng)關(guān)系驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的功能。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)論

性能測(cè)試按如下方法進(jìn)行。將集成傳感器安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，并與測(cè)試設(shè)備相連接，轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整水平。使用測(cè)試系統(tǒng)給集成傳感器通電并運(yùn)行測(cè)試軟件，同時(shí)將示波器和數(shù)字三用表接通到轉(zhuǎn)接箱的對(duì)應(yīng)接口，測(cè)試環(huán)境實(shí)物圖如圖8 所示。通電穩(wěn)定2min 后，分別給集成傳感器的X 軸、Y 軸和Z 軸按表1 輸入不同的角速率和加速度，轉(zhuǎn)臺(tái)在每個(gè)給定點(diǎn)穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)，記錄各速率點(diǎn)數(shù)據(jù)的均值。

表1 集成傳感器角速率測(cè)試條件

圖8 測(cè)試環(huán)境實(shí)物圖

選取Y 軸向角速度測(cè)試結(jié)果如表2 所示，按照測(cè)量數(shù)據(jù)在正交坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行擬合如圖9、圖10 所示，被測(cè)值與角速度對(duì)應(yīng)趨勢(shì)符合光纖陀螺特性，2 種測(cè)量方式下得到的輸出函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系基本一致，證明本測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確、有效，滿足集成傳感器性能測(cè)試的需要。

表2 三軸角速度輸出值

圖9 ωy 角速度輸出圖數(shù)字量

圖10 ωz 角速度輸出圖模擬量

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)數(shù)字集成傳感器多軸向測(cè)量、數(shù)字化輸出、測(cè)量范圍廣、輸出精度高的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于CPCI總線工控機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字集成傳感器測(cè)試系統(tǒng)，利用硬件資源和自行設(shè)計(jì)的測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)了總線通訊、轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)顯示分析功能，并使用該測(cè)試系統(tǒng)完成了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)功能完整可靠，提供了一種可行的高集成度數(shù)字傳感器自動(dòng)測(cè)試方案，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。