基于LabVIEW的微機(jī)械陀螺自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)

何春華,崔 健,閆俊杰,林龍濤,王福娟,郭中洋,楊振川,蔡志崗,閆桂珍*

1.北京大學(xué)微電子學(xué)研究院微米/納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871;2.中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510275

微機(jī)械陀螺具有體積小、重量輕、功耗低、抗過載能力強(qiáng)、能適用于較為惡劣的環(huán)境條件、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等優(yōu)點(diǎn)[1],因此,微機(jī)械陀螺可廣泛應(yīng)用于汽車牽引控制系統(tǒng)、行駛穩(wěn)定系統(tǒng)、攝像機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)、飛機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)、以及軍事等領(lǐng)域[2-3],因而相關(guān)研究備受國(guó)內(nèi)外的關(guān)注和重視。

隨著微機(jī)械陀螺技術(shù)的快速發(fā)展,陀螺的性能測(cè)試的效率與精確度要求也越來越高。目前,國(guó)際上已經(jīng)研發(fā)出一些測(cè)試設(shè)備,如 Samsung Advanced Institute of Technology研制的陀螺綜合測(cè)試系統(tǒng)[4],Pavia大學(xué)電子系運(yùn)用光干涉法研制的掃頻測(cè)試系統(tǒng)[5],以及國(guó)內(nèi)清華大學(xué)研制的基于LabVIEW軟件的微機(jī)械陀螺管芯的掃頻測(cè)試系統(tǒng)[6],它們都可用于測(cè)量諧振頻率、諧振幅值和 Q值等相關(guān)參數(shù),但是僅僅依靠有限的中測(cè)參數(shù),如陀螺的諧振頻率、諧振幅值以及 Q值,很難有效地篩選出性能優(yōu)良的陀螺芯片。因此,開發(fā)一套能夠評(píng)估陀螺若干關(guān)鍵性能指標(biāo)的測(cè)試系統(tǒng)成為研發(fā)過程中的一項(xiàng)迫切需要的工作。

文獻(xiàn)[7]曾對(duì)MEMS陀螺振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)的幾種不同方法進(jìn)行了深入的研究,文獻(xiàn)[8]對(duì)微機(jī)械陀螺的測(cè)試與標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的原理性的介紹與分析,為陀螺的性能測(cè)試方法提供了較好的參考。本文利用LabVIEW強(qiáng)大而豐富的信號(hào)處理模塊來實(shí)現(xiàn)陀螺的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制、角速率信號(hào)解調(diào)和相關(guān)性能指標(biāo)測(cè)試,包括陀螺掃頻測(cè)試、閉環(huán)控制測(cè)試、標(biāo)度因數(shù)和零偏測(cè)試,可以快速可靠地挑選出性能優(yōu)良的陀螺芯片。此外,不同于文獻(xiàn)[9]的模擬信號(hào)檢測(cè)硬件電路技術(shù),本文除陀螺前置讀出電路外的所有信號(hào)處理全部實(shí)現(xiàn)了“軟”處理,避免了外圍硬件電路的復(fù)雜調(diào)試,大大降低了原有硬件電路帶來的噪聲和漂移。

1 陀螺測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 儀器選擇

傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)一般包括動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、萬(wàn)用表、示波器和數(shù)據(jù)采集卡等儀器設(shè)備,它們經(jīng)常需要較多的人工設(shè)置操作,并且無法自動(dòng)完成數(shù)據(jù)處理,因此難以提高測(cè)試效率。而結(jié)合自主開發(fā)的LabVIEW應(yīng)用軟件可以將 NI PXI 1033機(jī)箱和 NI PXI 4461數(shù)據(jù)采集卡融入系統(tǒng)中自動(dòng)完成陀螺芯片的性能參數(shù)測(cè)試以及后續(xù)數(shù)據(jù)處理、報(bào)表生成等功能,具有較高的精確度,提高了測(cè)試效率。數(shù)據(jù)采集卡采用 NI公司的 PXI 4461,其最大采樣率為204.8 kHz,24位 A/D分辨率,4模擬通道(AI0、AI1輸入通道和 AO0、AO1輸出通道),對(duì)于工作在10 kHz以內(nèi)的陀螺測(cè)試來說已經(jīng)非常足夠。

數(shù)據(jù)采集卡精度分析：本文設(shè)計(jì)的微機(jī)械陀螺系統(tǒng)以達(dá)到分辨率和零位穩(wěn)定性為 0.01 deg/s、滿量程為 500 deg/s的性能指標(biāo)為目標(biāo),通過實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)與測(cè)量可得陀螺的標(biāo)度因數(shù)為 2.61mV/deg?s-1,因此要求 NI數(shù)據(jù)采集卡的電壓測(cè)量有效值的分辨率和穩(wěn)定性為 26.1μV,以及量程為 1.305 V,換為峰值量程應(yīng)為 1.845 V。由于數(shù)據(jù)采集卡的可配置最大量程為正負(fù) 10 V,因此考慮一定的裕度,可以配置采集卡的采樣電壓量程為[-3 V,3 V]。

系統(tǒng)工作在諧振頻率時(shí),將數(shù)據(jù)采集卡的采樣率設(shè)置為 100 kHz,實(shí)驗(yàn)測(cè)得采集卡的電壓有效分辨率約為 13μV,因此能夠滿足設(shè)計(jì)要求達(dá)到的26.1μV的分辨率。當(dāng)輸入角速度為滿量程500 deg/s時(shí),測(cè)量 10 000次,得到的電壓有效值均值 1.304 976 v,誤差為 24μV,均方差為 13.7μV,在分辨率與穩(wěn)定性的要求范圍內(nèi)。因此對(duì)于工作在10 kHz以內(nèi)的陀螺測(cè)試來說,該數(shù)據(jù)采集卡能夠很好地滿足設(shè)計(jì)的精度要求。

1.2 陀螺測(cè)試系統(tǒng)框圖及通道分配

微機(jī)械陀螺的測(cè)試系統(tǒng)框圖主要包括三大部分,即外圍硬件電路、NIPXI 4461數(shù)據(jù)采集卡和 PC機(jī) LabVIEW測(cè)試軟件,總框圖如圖 1所示。其中外圍硬件電路是主要包括推挽驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路以及陀螺敏感結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)軸和檢測(cè)軸讀出信號(hào)的電容/電壓轉(zhuǎn)換電路。

圖1 陀螺測(cè)試系統(tǒng)框圖

掃頻測(cè)試時(shí),如圖 1所示,斷開②,連上①,Lab-VIEW測(cè)試軟件通過 NIPXI 4461數(shù)據(jù)采集卡的 AO0通道發(fā)出掃頻信號(hào),該信號(hào)一方面輸入到數(shù)據(jù)采集卡的 AI0通道,另一方面輸入到硬件電路上作為微機(jī)械陀螺的靜電驅(qū)動(dòng)信號(hào),并將驅(qū)動(dòng)軸的響應(yīng)信號(hào)由采集卡的 AI1通道采集進(jìn) LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得出驅(qū)動(dòng)軸的諧振頻率、Q值和噪聲電壓等參數(shù)。

標(biāo)度因數(shù)和零偏測(cè)試時(shí),連上②,斷開①,則數(shù)據(jù)采集卡 PXI 4461的兩個(gè)輸入通道 AI0和 AI1分別把檢測(cè)軸和驅(qū)動(dòng)軸電容/電壓轉(zhuǎn)換后的響應(yīng)信號(hào)采集進(jìn) LabVIEW中進(jìn)行閉環(huán)驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及角速率信號(hào)解調(diào)的處理,然后再把相移后的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過采集卡的 AO0通道輸出給外圍模擬電路產(chǎn)生推挽驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而達(dá)到協(xié)調(diào)工作。

而 AI0與線①或線②的連接可以通過一個(gè)開關(guān)來自動(dòng)完成切換,也就是用輸出通道 AO1發(fā)出高或低電平來控制繼電器進(jìn)行開關(guān)選擇。因此,數(shù)據(jù)采集卡的四個(gè)通道能夠滿足陀螺的自動(dòng)測(cè)試要求。

2 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

本文開發(fā)的 LabVIEW測(cè)試軟件主要包括六大功能模塊,具體如圖 2所示。

圖2 LabVIEW測(cè)試軟件功能模塊圖

(1)掃頻測(cè)試模塊：主要用于測(cè)試微機(jī)械陀螺的諧振頻率、諧振相位、諧振幅值和 Q值等,另外還包括數(shù)據(jù)圖片保存功能、時(shí)域分析、頻率響應(yīng)分析、激勵(lì)源響應(yīng)分析以及諧波分析等,初始化時(shí),可以設(shè)置采樣頻率、掃描點(diǎn)數(shù)、掃描電壓值、掃描頻率范圍以及掃頻方式(粗掃、細(xì)掃或先粗掃后細(xì)掃)等,該模塊強(qiáng)大的功能大大地提高了掃頻數(shù)據(jù)處理與分析的效率。

(2)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制模塊：即在 LabVIEW軟件上基于已經(jīng)開發(fā)的實(shí)際電路,采用直流自動(dòng)增益控制(AGC)來實(shí)現(xiàn),優(yōu)點(diǎn)在于可以自動(dòng)捕捉諧振頻率,進(jìn)行穩(wěn)幅控制[10]。該模塊功能主要通過 PI控制器、帶通和低通濾波器、相移器等來實(shí)現(xiàn)。

(3)角速率相敏解調(diào)模塊：該模塊主要包括帶通和低通濾波器、相移器和相干解調(diào)器。

在 LabVIEW軟件中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相移非常關(guān)鍵,如對(duì)信號(hào) x(t)=Asin(ωt+φ)進(jìn)行相移 θ度,可以通過先對(duì)信號(hào)求導(dǎo)(因?yàn)榍髮?dǎo)容易實(shí)現(xiàn))后放大 k倍再與原來信號(hào)相加,然后再放大 B倍來實(shí)現(xiàn),則：

因?yàn)?ω,θ已知,因此可以通過算出 B和 k從而容易構(gòu)建軟件程序來實(shí)現(xiàn)相移。從公式中可以看到該方法只能實(shí)現(xiàn) -90°到 90°的相移,如果要實(shí)現(xiàn)90°到 270°的相移可以通過信號(hào)取反(即相移 180°)后再進(jìn)行 -90°到 90°的相移即可。

數(shù)字移相精度分析：相移角度 θ的精度只與ω相關(guān),由于 ω∝f,所以系數(shù) k和 B的誤差也主要是由頻率 f引起的,而實(shí)驗(yàn)中 f是由 LabVIEW的單頻測(cè)量模塊來提取,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量,其平均誤差為 0.045 Hz。假設(shè) θ1為實(shí)際相移角度,ω1為實(shí)測(cè)角速度,則有：

因此在數(shù)字相移解調(diào)時(shí),考慮 LabVIEW單頻測(cè)量模塊所帶來的誤差,數(shù)字系統(tǒng)也能正確解調(diào)信號(hào),準(zhǔn)確地測(cè)量微陀螺的性能指標(biāo)。

(4)標(biāo)度因數(shù)測(cè)試模塊：主要通過線性擬合等算法處理得到標(biāo)度因數(shù)及其不對(duì)稱度、非線性以及重復(fù)性。

(5)零偏測(cè)試模塊：主要包括廣義最小二乘擬合以及 Allan方差等處理算法,得到零偏穩(wěn)定性和零偏重復(fù)性。

(6)數(shù)據(jù)報(bào)表生成模塊：將各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果保存在數(shù)據(jù)報(bào)表中,以方便查看,快速評(píng)估陀螺芯片的性能。

軟件自動(dòng)測(cè)試流程圖如圖 3所示。

圖3 軟件自動(dòng)測(cè)試流程圖

3 軟件測(cè)試與驗(yàn)證

下面以隨機(jī)抽取的 11號(hào)陀螺為例,說明軟件的處理過程。本文先將封裝前的微機(jī)械陀螺芯片固定在探針測(cè)試卡上,然后將測(cè)試卡通過專用夾具固定在溫控單軸速率位置轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。

圖4 掃頻測(cè)試響應(yīng)圖

(1)掃頻測(cè)試：將掃頻交流電壓設(shè)置為 1 mV,帶寬為 6Hz,點(diǎn)數(shù)為 1 000點(diǎn),采樣率為 100 kHz,可得到微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)軸的掃頻測(cè)試圖如圖 4所示。可以看到掃頻的幅頻響應(yīng)曲線(上面的波形圖)以及相頻響應(yīng)曲線(下面的波形圖),并且可以自動(dòng)得到 Q值約為 173,諧振頻率為 9 413.56 Hz,諧振峰值為 -3.018 dB,諧振相位為 -16.126°,通過調(diào)整信號(hào)讀出電路參數(shù)可以使得諧振相位為 -90°。

在曲線圖中還可以看到在 9 kHz左右存在著一個(gè)小耦合峰,說明有結(jié)構(gòu)耦合干擾,會(huì)影響陀螺的性能。因此,掃頻測(cè)試不僅可以用于測(cè)量 Q值和諧振頻率,還可以驗(yàn)證是否存在結(jié)構(gòu)耦合干擾。

(2)為了更好地調(diào)整 AGC閉環(huán)控制參數(shù),使陀螺能夠穩(wěn)定工作,LabVIEW閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制模塊還增加了開環(huán)控制功能,由掃頻測(cè)試得到的諧振頻率結(jié)合開環(huán)調(diào)試可以自動(dòng)算出閉環(huán)后的相移以及信號(hào)放大倍數(shù)等參數(shù),從而能快速實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)。陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)幅值響應(yīng)波形圖如圖 5所示,由該圖可以看到閉環(huán)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了陀螺結(jié)構(gòu)預(yù)期的穩(wěn)幅振動(dòng)。Lab-VIEW數(shù)字參數(shù)的在線靈活調(diào)試,免去了焊接模擬電路的麻煩,大大提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率。

圖5 陀螺驅(qū)動(dòng)端幅值響應(yīng)圖

此外,通過在線靈活地調(diào)整相應(yīng)的數(shù)字參數(shù)也可以方便地實(shí)現(xiàn)角速率信號(hào)的相干解調(diào),以抑制噪聲信號(hào)的干擾。

(3)標(biāo)度因數(shù)測(cè)試：將微機(jī)械陀螺固定在溫控單軸速率位置轉(zhuǎn)臺(tái)上,上電預(yù)熱半小時(shí)后再控制轉(zhuǎn)臺(tái)從 -500 deg/s到 500 deg/s每隔 50 deg/s測(cè)量一個(gè)角速度信號(hào)的輸出。測(cè)量得到輸入角速度和輸出電壓關(guān)系曲線圖如圖 6所示,通過線性擬合得出陀螺的標(biāo)度因數(shù)值為 2.611 1mV/deg?s-1,標(biāo)度因數(shù)非線性為 0.424%,不對(duì)稱度為 0.545%,說明該陀螺線性度和對(duì)稱度較好。

圖6 標(biāo)度因數(shù)關(guān)系曲線圖

(4)零偏性能測(cè)試：陀螺上電預(yù)熱半小時(shí)后開始采集零位數(shù)據(jù),在不施加角速率的情況下,每秒測(cè)一個(gè)陀螺信號(hào)輸出電壓值,測(cè)量 90 min,然后取60 min有效數(shù)據(jù),測(cè)試 11號(hào)陀螺得到波形圖如圖 7所示。由該圖可得零偏穩(wěn)定性為 0.51 deg/s;零偏重復(fù)性為 1.06%。由于零偏穩(wěn)定性較大,說明該陀螺零偏穩(wěn)定性較差,因此該陀螺性能并不優(yōu)良。

而圖 8是對(duì)另一隨機(jī)抽取的 12號(hào)陀螺進(jìn)行的零偏測(cè)試圖,由該圖可得零偏穩(wěn)定性為 0.013 deg/s;零偏重復(fù)性為 0.336%,說明 12號(hào)陀螺的零偏穩(wěn)定性能優(yōu)于 11號(hào)陀螺的。

以上測(cè)試說明了自主開發(fā)的 LabVIEW測(cè)試軟件的處理流程,驗(yàn)證了該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的可行性和有效性,該測(cè)試軟件能夠快速可靠地對(duì)陀螺的性能進(jìn)行初步評(píng)估。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合 NI PXI 4461數(shù)據(jù)采集卡,用 Lab-VIEW軟件來實(shí)現(xiàn)了陀螺信號(hào)處理算法和若干關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試功能,包括陀螺掃頻測(cè)試、閉環(huán)控制測(cè)試、標(biāo)度因數(shù)和零偏等相關(guān)性能測(cè)試,從而綜合評(píng)估微機(jī)械陀螺芯片的性能,并且通過具體實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證了開發(fā)軟件的可行性與有效性。該自動(dòng)測(cè)試軟件大大提高了測(cè)試效率,為快速可靠地評(píng)估陀螺性能提供了一種手段。

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