基于PC/104的陀螺儀動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏露露 許化龍 田鵬飛

摘 要:陀螺儀是慣性平臺(tái)上的重要組件,其動(dòng)態(tài)特性直接影響到平臺(tái)運(yùn)行時(shí)的性能,需要對(duì)陀螺儀的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試。在此采用PC/104總線組建了高可靠、高精度的陀螺動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。針對(duì)DMM[CD*2]32[CD*2]AT為非NI數(shù)據(jù)采集卡,采用CLF節(jié)點(diǎn)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng);通過(guò)虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW編程,實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集和處理。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備相比,效率更高,可靠性更好,結(jié)果更準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞:PC/104總線;陀螺儀;動(dòng)態(tài)測(cè)試;LabVIEW

中圖分類號(hào):TP206.1

0 引 言

陀螺儀是平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)的敏感測(cè)量元件,它敏感臺(tái)體的角運(yùn)動(dòng)信號(hào),通過(guò)平臺(tái)伺服回路,建立平臺(tái)的穩(wěn)定基準(zhǔn)。因此陀螺儀的性能直接影響到平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)的性能,對(duì)嚴(yán)格測(cè)試其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)具有重要的意義。

傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備和手段復(fù)雜且效率低,為了便于對(duì)陀螺儀進(jìn)行機(jī)內(nèi)測(cè)試,改善測(cè)量效果,運(yùn)用當(dāng)今主要工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)——嵌入式PC/104總線結(jié)構(gòu)來(lái)搭建測(cè)試系統(tǒng),其獨(dú)特的堆棧總線擴(kuò)展方式,可使其具有體積小、功耗低、可靠性高等特點(diǎn);其次,利用美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的虛擬儀器LabVIEW,為開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)軟件,使其人機(jī)界面友好、功能強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)效率高、可維護(hù)性強(qiáng),且測(cè)試精度和可靠性能得到充分保證。

1 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

該測(cè)試系統(tǒng)由PC/104工控計(jì)算機(jī)、DMM[CD*2]32[CD*2]AT多功能數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理模塊組成。其測(cè)試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

(1)PC/104 工控計(jì)算機(jī)。采用DIGITAL[CD*2]LOGIC AG公司的MSMP3SEV,它是一個(gè)基于PC/104(ISA總線)和PC104/Plus (PCI總線)的高可靠ALL[CD*2]IN[CD*2]ONE CPU模塊,主板主要集成了最大256 MB內(nèi)存、256 KB二級(jí)高速緩存、2個(gè)RS 232C串口、1個(gè)LPTl并口、EIED硬盤接口、標(biāo)準(zhǔn)軟盤接口、CRT顯示器接口、平板顯示器接口、鼠標(biāo)接口、1個(gè)USB接口、看門狗計(jì)數(shù)/定時(shí)電路等。

[JP2](2)DMM[CD*2]32[CD*2]AT多功能數(shù)據(jù)采集卡。4路12位狣/A模擬輸出,16位差分或32位單端16位模擬輸入,24路數(shù)字I/O端口,最高采樣速率[3]為200 Mb/s。該多功能采集卡主要用于激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生,測(cè)試信[LM]號(hào)的采集以及控制信號(hào)的產(chǎn)生。

(3) 信號(hào)調(diào)理模塊。主要是將計(jì)算機(jī)給定的電壓控制信號(hào)變換為電壓或電流信號(hào),對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行整形、放大、濾波,以及對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行濾波,再由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集和處理。

系統(tǒng)的工作原理為:由PC/104控制,通過(guò)DMM[CD*2]32[CD*2]AT的D/A端口產(chǎn)生測(cè)試信號(hào),經(jīng)過(guò)調(diào)理,對(duì)陀螺儀力矩器施加指令電流信號(hào),以模擬陀螺儀輸入軸的角運(yùn)動(dòng),使力矩器產(chǎn)生一個(gè)力矩,引起陀螺儀自轉(zhuǎn)軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這時(shí)信號(hào)器輸出一個(gè)電壓,經(jīng)放大器后轉(zhuǎn)換成┮桓霆電流輸入到力矩器,使力矩器內(nèi)原來(lái)外加電流減小到零,使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸處于平衡狀態(tài)。通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)信號(hào)器上的電壓進(jìn)行變換,由A/D采樣模塊進(jìn)行采樣,輸入到PC/104工控機(jī),系統(tǒng)再對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷和顯示。這整個(gè)過(guò)程是由程序控制自動(dòng)完成的。

2 軟件設(shè)計(jì)

陀螺儀的動(dòng)態(tài)測(cè)試軟件采用LabVIEW軟件進(jìn)行設(shè)計(jì), LabVIEW不僅是軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境,而且是一個(gè)編程軟件,它是一種適合應(yīng)用于任何編程任務(wù),具有擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)的通用編程語(yǔ)言[4]。它定義了數(shù)據(jù)模型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語(yǔ)法規(guī)則等編程語(yǔ)言的基本要素,在功能完整性和應(yīng)用靈活性上不亞于任何高級(jí)語(yǔ)言。LabVIEW提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)庫(kù)函數(shù)以及包括DAQ,GPIB,PXI,VXI,RS 232在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)。但是LabVIEW所提供的功能僅能驅(qū)動(dòng)NI公司支持的數(shù)據(jù)采集卡,DMM[CD*2]32[CD*2]AT是第三方數(shù)據(jù)采集模塊,它需要用戶自己設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序[5]。

[BT3]2.1 DMM[CD*2]32[CD*2]AT驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

LabVIEW提供了對(duì)外部代碼調(diào)用的接口庫(kù)函數(shù)。其中,調(diào)用庫(kù)函數(shù)(Call Library Function,CLF)節(jié)點(diǎn)使得用戶可以方便地調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)共享庫(kù)和自定義庫(kù)函數(shù)[6]。在此,設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是通過(guò)LabVIEW提供的。CLF實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)(Dynamic Link ㎜ibrary,狣LL)調(diào)用的方法,完成對(duì)第三方數(shù)據(jù)采集模塊的驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)LabVIEW與普通數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)合[7]。

使用VC++生成一個(gè)dmm32driver.dll的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),通過(guò)CLF節(jié)點(diǎn)對(duì)其調(diào)用,以實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)[8],該程序?qū)崿F(xiàn)的主要源代碼為:

需要注意的是,在頭文件中加入extcode.h,以便在DLL程序中使用LabVIEW中的數(shù)據(jù)類型,避免在傳遞參數(shù)和返回值時(shí)沖突。其次,需要在導(dǎo)出的函數(shù)原型前添加_declspec(dllexport)關(guān)鍵字,指出函數(shù)的出口。由此,可從一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件中輸出數(shù)據(jù)、函數(shù)、類以及類成員函數(shù)而不需要.def文件[9]。

[BT3]2.2 數(shù)據(jù)采集流程

該測(cè)試系統(tǒng)采用如圖2所示的單線程循環(huán)軟件架構(gòu)。采用單線程結(jié)構(gòu)可以保證每個(gè)任務(wù)在一次數(shù)據(jù)采集循環(huán)中都能得到有效執(zhí)行,既能滿足數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,又能保證數(shù)據(jù)的完整存儲(chǔ),增強(qiáng)了測(cè)試的可靠性。與此同時(shí),采用單線程結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)化了流程控制,避免了多線程結(jié)構(gòu)中各個(gè)任務(wù)之間的調(diào)度與控制的復(fù)雜問(wèn)題。

[BT3]2.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

虛擬測(cè)試系統(tǒng)的主要功能是實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(如濾波,FFT變換等)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示[10]。操作者根據(jù)數(shù)據(jù)判斷測(cè)試指標(biāo)是否合格。

程序設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程為:在開(kāi)始數(shù)據(jù)采集后,DAQ卡不斷地采集數(shù)據(jù),并將它們存貯在指定的緩沖區(qū)中;然后LabVIEW每隔一段時(shí)間,將一批數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。如果緩沖區(qū)存放已滿,DAQ卡就會(huì)又重新從內(nèi)存起始地址寫入新數(shù)據(jù),覆蓋原來(lái)的數(shù)據(jù)。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù),直到采集到了指定數(shù)目的數(shù)據(jù)點(diǎn),或者中止采集過(guò)程。程序方框圖如圖3所示。在對(duì)陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí),采用了多次采樣取平均值的方法,以減小誤差。

3 結(jié) 語(yǔ)

在此,提出一種基于PC/104的陀螺儀動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng),并分析該測(cè)控系統(tǒng)的軟/硬件基本構(gòu)成。在系統(tǒng)組建過(guò)程中,由于利用了可靠的PC/104工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡,以及高性能的虛擬儀器編程軟件,使得系統(tǒng)組建效率高,性能可靠,而且可以方便地對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行判斷,簡(jiǎn)單易用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]何洪文,胡昌華,呂瑛潔,等,基于VXI總線的陀螺儀動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2004(增刊):280[CD*2]284.

[2]PC/104 Embedded Consortium,PC/104 Specification Version2.5 [EB/OL].http://www.pc104.org,2003.

[3]DIAMOND[CD*2]MM[CD*2]32[CD*2]AT 16[CD*2]Bit Analog I/O PC/104 Module with Auto[CD*2]calibration User Manual V2.64 [Z].

[4]候國(guó)屏.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[5]譚營(yíng),許化龍,吳琳.基于PC/104的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(2):78[CD*2]79.

[6]戴新.數(shù)據(jù)采集卡在LabVIEW中的驅(qū)動(dòng)方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2008,25(3):156[CD*2]158.

[7]陶以政,潘振星.怎樣在LabVIEW中調(diào)用Win32動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2000,20(6):73[CD*2]74.

[8]王丹民.LabVIEW下基于DLL的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用[J].控制工程,2002,9(3):68[CD*2]70.

[9]楊樂(lè)平,李海濤,趙勇,等.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[10]高聰杰,李松巖,徐赫.基于LabVIEW的信號(hào)輸出與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[M].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(1):135[CD*2]136.