基于PCI總線的陀螺儀校準系統的設計與實現*

鄭玲玲　張　鋒　韓　瑋

(陸軍軍官學院　合肥　230031)

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基于PCI總線的陀螺儀校準系統的設計與實現*

鄭玲玲張鋒韓瑋

(陸軍軍官學院合肥230031)

摘要在功能分析和需求分析的基礎上，根據系統的設計原則和要求，提出了系統的總體設計方案，設計了基于PCI總線的陀螺儀校準平臺，利用VC多線程技術實現了對陀螺儀各項參數的采集，完成了對陀螺儀的性能檢測，起到對飛機姿態校準的作用。試驗表明，該系統為陀螺儀校準提供了經濟實用的方法和有效途徑。

關鍵詞PCI總線; 陀螺儀; 校準

Class NumberTP206+.1

1引言

陀螺儀是慣性制導系統的核心元件之一，是艦船、飛機、導彈和航天飛行器慣性控制系統的重要組成部分，用來測量基座(或運載器)的轉角或角速度，其性能好壞直接影響慣性導航的精度。所以確保陀螺儀參數的量值準確可靠是提高飛行器的導航精確度以及飛行安全性的重要手段[1～2]。

針對傳統的航空機載陀螺儀測試系統采用分立儀器搭建，具有成本高、自動化程度低、擴展性差的缺點，本文提出了一種基于PCI 總線技術的測試系統。通過PCI 接口芯片與計算機進行通信，完成了數據的高速采集與連續穩定數據流的輸出，實現了高精度、可擴展并能實現自動化測試的校準平臺，該平臺可完成對垂直陀螺的性能檢測，起到對飛機姿態校準的作用。

2PCI總線技術

PCI 總線作為一種獨立于處理器的高性能局部總線，不依賴于CPU，因而具有較好的兼容性，同時能滿足外設間及外設與主機間高速數據傳輸的要求。采用 PCI 總線來進行數據傳輸，可以解決原有的標準總線進行高速傳輸數據時數據傳輸率低帶來的瓶頸問題[3～4]。

基于PCI總線的上述特點，本文采用阿爾泰公司提供的型號為PCI8302的數據采集卡對陀螺儀的信號進行采集。該采集卡可對32路單端和16路雙端輸入的模擬信號并行采集，輸入信號幅度為±10V，AD分辨率為13b(第13位為符號位)，采樣速率為31Hz～180kHz(各通道實際采樣速率=采樣速率/采樣通道數)；另外提供4路模擬信號的輸出功能，信號輸出幅度為±10V，DA分辨率為12b，單通道最高轉換速率為100kHz(±10V)[5～6]。實際應用中使用了PCI8302的21個通道(通道7～通道27)的AD，分別對應AI7～AI27。而對于垂直陀螺姿態角的信號采集使用了通道7和通道8，分別對應的硬件引腳是PIT和ROL。

3系統總體設計

通過對系統總體功能的需求分析，設計了一套由控制臺、回轉定位裝置和主控計算機組成的校準平臺。系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1　系統總體設計框圖

控制臺采用松下AFP-XC30R型PLC作為控制器，該PLC采用通用電源(100～240VAC)，輸入16點(24DC)，繼電器輸出14點(AC250V/2A)，程序容量32K步，可調電位器輸入2點，并配備USB通信端口。控制臺與回轉定位裝置之間通過RS-485進行通信。主控計算機通過以太網口與轉臺通訊，控制臺根據主控計算機發來的定位指令向電機驅動器發出控制命令，使轉臺轉動到某一固定角度，主控計算機采集測量傳感器反饋的位置信號并進行顯示。電機在轉動過程中根據絕對編碼器發送的實時編碼值與目標編碼值進行比較來判斷電機的正反轉并實現精確定位。

系統的工作過程為:在對陀螺進行測試前，需要將陀螺固定在測試轉臺上，并將轉臺調整到水平位置。轉臺由X軸轉臺和Y軸轉臺兩個子系統組成，分別實現X、Y兩個軸的轉動。各子系統由臺體、驅動系統、轉動系統以及執行機構組成。選用交流伺服電機作為各子系統驅動裝置，經蝸桿蝸輪減速后輸出旋轉運動。將垂直陀螺放在無人機飛行姿態校準臺上(固定于Y軸轉臺的轉盤上)，以校準臺作為標準激勵源。在主控系統的驅動作用下，使校準臺旋轉一定的角度，由主控計算機的數據采集卡直接采集陀螺儀感應的角度值，將其與標準值比較，給出校準結果。這樣，通過飛行姿態校準臺模擬飛機飛行中的各種姿態，比較轉臺的姿態與無人機系統的輸出即可進行飛行姿態校準。

4系統硬件設計

為了確保平臺的穩定性和可靠性性，設計了一臺雙軸機械轉臺，其工作原理為:采用直線電機作為驅動件，光柵尺和高精度傾斜角傳感器作為反饋器件，直流電機通過直線長度的改變從而改變陀螺工作面的傾斜角。該校準平臺實物圖如圖2所示。

圖2　校準平臺實物圖

校準平臺的設計采用的是一種基于PLC的回轉定位裝置，通過控制面板發送指令，由電機控制裝置的回轉，絕對編碼器通過發送實時編碼值實現精確定位。控制面板的鍵盤和顯示部分直接與PLC的I/O口相連，通過對I/O口的控制實現鍵盤輸入和顯示功能。回轉裝置主要由回轉鏈條、回轉動力和減速箱等組成。回轉鏈條在回轉動力驅動下按指令左右轉動，系統選用三相交流電機通過變頻器與PLC相連，兩者之間通過485通信實現對電機的控制。絕對值編碼器與電機同軸安裝，電機轉動的同時帶動編碼器轉動[7～8]。

5系統軟件設計

系統軟件主要采用Visual C++6.0進行編程，基于VC功能強大，通用性強的特點，系統采用了模塊化結構的程序設計方法。

系統軟件主要包括輸入/輸出功能模塊、校準測量功能模塊和數據庫管理功能模塊。其主要功能是實現對垂直陀螺的全自動校準，能自動完成校準數據運算、數據存儲功能。為了實現對校準結果的動態監控和顯示，利用VC同時創建兩個線程，即工作者線程和用戶界面線程。工作者線程用于計算函數程序的調用，用戶界面線程用于完成計算機結果的界面顯示。這樣，在主執行程序運行的同時，計算過程也在后臺同步進行。通過兩個線程之間的通訊將工作者線程不斷變化的結果發送到主執行程序，同時顯示在界面上，從而實現了對校準結果進行動態監控的目的[9～10]。另外系統軟件的數據查詢模塊和報表生成模塊可以對所有保存在數據庫中的信息，根據用戶自定義的組合查詢條件，顯示查詢結果并自動生成相應的校準證書。系統軟件總體流程圖如圖3所示。

圖3　系統軟件總體流程圖

軟件校準步驟按如下方式進行:將垂直陀螺安裝在轉臺上之后首先完成對轉臺的自校準，再進入主控計算機的校準模塊，校準界面如圖4所示。

圖4　垂直陀螺校準界面

設定完測試間隔和角度值之后，轉臺則在程序的控制下以規定的間隔時間和角度值進行轉動。系統通過模擬飛機在空中各種姿態來調整轉臺，進行空間角度測試，主控計算機則實時采集并分析陀螺的輸出信號，中間狀態實時顯示，通過比對發送的轉臺姿態命令與陀螺儀測量值，分析出不同情況下的陀螺輸出性能，實現對陀螺儀的校準測試。

實驗結果表明，該陀螺儀校準系統能準確模擬飛機在空中的各種姿態，并能實時采集陀螺的輸出信號，很好地完成了對陀螺儀的性能檢測。

6結語

本文利用了PCI總線技術實現了對陀螺儀的校準，提出了一種低成本、高精度的陀螺儀校準平臺的設計方案。系統在硬件方面以PLC為核心設計了一臺雙軸校準平臺，該平臺操作簡便、實用可靠；在軟件設計方面，基于VisualC++6.0的開發環境，利用多線程技術結合PCI8302數據采集卡的特點實現了對陀螺儀參數的高速采集和動態顯示。該系統為陀螺儀的測試和校準提供了一定的參考價值，具有較高的實用性和廣泛的應用前景。

參 考 文 獻

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[4] 龍杰,趙秋明,賈磊磊.基于PCI總線的數據采集卡在工業中的應用[J].長春工程學院學報,2011，12(1):131-134.

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[8] 湯斌，王文健，王華.兩種升降回轉定位裝置的設計[J].計測技術，2012(3):47-49.

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[10] 王剛，孫嫻.基于VC的多線程異步串行通信動態鏈接庫設計[J].現代電子技術，2012(35):36-36.

Design and Realization of Gyroscope Calibrating System Based on PCI bus

ZHENG LinglingZHANG FengHAN Wei

(Army Officer Academy， Hefei230031)

AbstractBased on the functional and demand analysis, the paper introduces the whole scheme and designs the gyroscope calibrating system according to the principles and demands of system. By using multiple thread technology, the paper has realized the collection of several parameters of gyroscope and also completed the performance test of gyroscope which has a good use for the aircraft pose calibration. The test shows that the system has provided an economical solution and effective way for the calibration of gyroscope.

Key WordsPCI bus; gyroscope; calibrating

* 收稿日期:2015年11月7日,修回日期:2015年12月26日

基金項目:安徽省自然基金項目(編號：1308085ME80)；裝備預言基金項目(編號：914A17050312JB91202)資助。

作者簡介:鄭玲玲，女，碩士研究生，講師，研究方向：計算機控制。張鋒，男，碩士研究生，講師，研究方向：電子系統設計和信息通信。韓瑋，女，碩士研究生，講師，研究方向：儀器與科學技術。

中圖分類號TP206+.1

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.012