一種應(yīng)用于控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真的數(shù)字式擺角采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許 謙 胡 剛 吳 驍 孫宏云 桑德斌 張新民

北京航天自動(dòng)控制研究所,北京100854

飛行器控制系統(tǒng)是功能多、構(gòu)成復(fù)雜且可靠性要求高的關(guān)鍵系統(tǒng)，系統(tǒng)方案的制定、參數(shù)的選擇及系統(tǒng)性能的檢驗(yàn)都要經(jīng)過仿真試驗(yàn)來完成[1]。控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)包括數(shù)學(xué)仿真和半實(shí)物仿真。數(shù)學(xué)仿真完全用數(shù)學(xué)模型代替真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。半實(shí)物仿真又稱半物理仿真，即將一些實(shí)物接入計(jì)算機(jī)仿真回路取代相應(yīng)部分?jǐn)?shù)學(xué)模型的系統(tǒng)仿真。半實(shí)物仿真比數(shù)學(xué)仿真更逼真，實(shí)用價(jià)值高，應(yīng)用較普遍。

半實(shí)物仿真要將伺服機(jī)構(gòu)接入仿真回路中測量伺服擺角。原有伺服機(jī)構(gòu)擺角采集系統(tǒng)采用的是模擬量輸出傳感器，采集過程干擾大，直接影響伺服擺角測量值，使得伺服機(jī)構(gòu)頻率特性測量值差，影響控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)字式擺角采集系統(tǒng)，應(yīng)用于飛行器控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)。數(shù)字化擺角采集系統(tǒng)采用光電碼盤傳感器，傳感器輸出的是數(shù)字值，解決了以往模擬量輸出干擾偏大的問題。通過仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠快速上傳擺角采集值，提高了采集精度，具有良好的實(shí)時(shí)性。

1 數(shù)字式擺角采集系統(tǒng)

飛行器控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)框架如圖1所示，主要設(shè)備包括仿真計(jì)算機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、飛控計(jì)算機(jī)和伺服機(jī)構(gòu)，可以進(jìn)行彈體六自由度仿真[2]。在每一個(gè)仿真周期，仿真機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型、彈體六自由度動(dòng)力學(xué)模型和慣組數(shù)學(xué)模型計(jì)算，并將得到的慣組等效數(shù)據(jù)發(fā)送至飛控計(jì)算機(jī)。飛行控制軟件利用慣組等效數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航、制導(dǎo)和姿控計(jì)算，解算伺服指令和發(fā)動(dòng)機(jī)控制指令并通過1553總線發(fā)送至伺服機(jī)構(gòu)。仿真軟件通過VMIC光纖獲取擺角采集系統(tǒng)采集的伺服機(jī)構(gòu)擺角反饋量，用于下一周期的彈體動(dòng)力學(xué)模型和發(fā)動(dòng)機(jī)模型的計(jì)算，從而完成系統(tǒng)的閉環(huán)仿真。仿真過程中，使用1553總線連接仿真機(jī)、監(jiān)控機(jī)和飛控機(jī)，完成飛行軟件上傳、啟動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制指令的傳輸。飛控機(jī)和仿真機(jī)使用統(tǒng)一的1ms時(shí)鐘頻標(biāo)，確保了仿真系統(tǒng)的時(shí)鐘同步，真實(shí)模擬彈體的實(shí)際工作過程。擺角采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)將伺服機(jī)構(gòu)串入半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中，測量伺服機(jī)構(gòu)的頻率特性。

圖1 控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)框架圖

數(shù)字式擺角采集系統(tǒng)是半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括光電碼盤傳感器、碼盤數(shù)據(jù)采集板卡、擺角采集計(jì)算機(jī)和通信線纜等部分，組成框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字化擺角采集系統(tǒng)組成框圖

光電碼盤傳感器是一種非接觸式傳感器，利用光照編碼，將角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼。光電碼盤傳感器可以通過錐度軸或盲孔軸直接固定在被測軸上。光電碼盤傳感器采用絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器，通信協(xié)議是EnDat協(xié)議。

碼盤數(shù)據(jù)采集板卡是一種CPCI板卡，能實(shí)現(xiàn)EnDat通信功能，其以緊湊型外設(shè)組件互連的形式，按照EnDat協(xié)議與絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器連接，通過信號(hào)的采集和處理，達(dá)到傳感器信息實(shí)時(shí)采集的目的。

EnDat 協(xié)議是海德漢公司專為編碼器設(shè)計(jì)的數(shù)字式、全雙工同步串行的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，具有傳輸速度快、功能強(qiáng)大、連線簡單和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是編碼器、光柵尺數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌赱3]。編碼器利用自然二進(jìn)制、循環(huán)二進(jìn)制(格雷碼)或PRC碼對(duì)碼盤上的物理刻線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將連接軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖序列并以數(shù)字量輸出。

編碼器具有體積小、精度高、接口數(shù)字化及絕對(duì)定位等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床和高精度伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。

CPCI總線具有高開放性、高可靠性和可熱插拔性，適合于實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、軍事系統(tǒng)等模塊化及高可靠度、可長期使用的應(yīng)用領(lǐng)域。并且CPCI是基于PCI電氣規(guī)范開發(fā)的高性能工業(yè)總線，CPCI總線系統(tǒng)所使用的操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序和桌面的PCI總線系統(tǒng)兼容，因此構(gòu)建CPCI總線平臺(tái)的測控計(jì)算機(jī)，能滿足各性能需求，并具有更堅(jiān)固、更可靠、模塊化、易使用及易維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

碼盤數(shù)據(jù)采集板卡構(gòu)架尺寸圖和系統(tǒng)原理框圖如圖3和4所示。

圖3 碼盤數(shù)據(jù)采集板卡構(gòu)架尺寸圖

圖4 碼盤數(shù)據(jù)采集板卡系統(tǒng)原理框圖

擺角采集計(jì)算機(jī)采用自研的4槽CPCI單系統(tǒng)制導(dǎo)姿控性能指標(biāo)測試平臺(tái)。設(shè)備采用歐式機(jī)箱結(jié)構(gòu)，通過一塊背板提供1組PXI系統(tǒng)，以滿足高性能的應(yīng)用要求。具有高集成、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，通過組合符合標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范的功能模件，可快速搭建出滿足試驗(yàn)要求的擺角采集系統(tǒng)，有效緩解設(shè)備研制周期長與試驗(yàn)任務(wù)多、試驗(yàn)周期短的矛盾。

2 EnDat協(xié)議數(shù)據(jù)采集算法

碼盤數(shù)據(jù)采集板卡通過FPGA編程實(shí)現(xiàn)EnDat通信功能，按照EnDat協(xié)議與光電碼盤傳感器連接，實(shí)時(shí)采集和處理傳感器信息。對(duì)FPGA的開發(fā)采用VHDL硬件描述語言[4-5]。

FPGA內(nèi)部主要分為本地功能模塊和EnDat協(xié)議模塊。本地功能模塊負(fù)責(zé)FPGA與PCI9030之間的通信，由自定義譯碼電路組成。EnDat協(xié)議模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)傳感器信息。EnDat協(xié)議模塊分為時(shí)鐘發(fā)生模塊、計(jì)數(shù)器模塊、發(fā)送模塊、接收模塊和存儲(chǔ)模塊等部分。

EnDat協(xié)議數(shù)據(jù)采集算法如下：首先，由時(shí)鐘發(fā)生模塊產(chǎn)生周期為0.5μs的方波信號(hào)，取名為CLOCK，此信號(hào)作為通訊同步時(shí)鐘信號(hào)。在CLOCK的每個(gè)時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)器COUNT自加1，變量COUNT的初始值為0。當(dāng)檢測到COUNT的值為3時(shí)，說明編碼器已經(jīng)將位置值保存完畢，發(fā)送模塊開始發(fā)送8位模式指令。當(dāng)檢測到COUNT的值為11時(shí)，接收模塊開始檢測數(shù)據(jù)輸入信號(hào)的上升沿，一旦上升沿到來說明收到數(shù)據(jù)起始位S，以后在每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿保存位置值，直到檢測到COUNT的值為34時(shí)，停止接收數(shù)據(jù)，由接收模塊向存儲(chǔ)模塊寫入要保存的位置值，從而結(jié)束一次FPGA與編碼器的通訊過程，等待PCI9030讀取數(shù)據(jù)，上傳至采集計(jì)算機(jī)。最后，計(jì)數(shù)器COUNT清零，重新開始一次FPGA與編碼器的通訊。算法流程圖如圖5所示。

圖5 EnDat協(xié)議數(shù)據(jù)采集算法流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文搭建了一套數(shù)字式擺角采集系統(tǒng)，驗(yàn)證了所提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想和EnDat協(xié)議數(shù)據(jù)采集算法的實(shí)時(shí)性和有效性。主要工作包括光電碼盤傳感器的安裝、碼盤采集板卡設(shè)計(jì)與制作、擺角采集計(jì)算機(jī)組裝與調(diào)試、通信線纜的設(shè)計(jì)與連接。

絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器通過盲孔軸直接固定在被測軸上。軸承和安裝的定子聯(lián)軸器集成為一體[6]。連接剛性高，有極高的驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)性能。

通過PADS軟件設(shè)計(jì)碼盤數(shù)據(jù)采集板卡的原理圖和PCB文件，制造碼盤數(shù)據(jù)采集板卡。碼盤數(shù)據(jù)采集板卡CPCI總線接口設(shè)計(jì)立足于CPCI規(guī)范，采用基于橋片的典型設(shè)計(jì)方法：橋片+本地功能外設(shè)。橋片專門處理總線接口，將PCI復(fù)雜的總線時(shí)序翻譯成相對(duì)簡單的本地總線時(shí)序，本地功能電路利用橋片的本地總線實(shí)現(xiàn)EnDat總線與CPCI總線的相互通信。碼盤數(shù)據(jù)采集板卡實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 碼盤數(shù)據(jù)采集板卡實(shí)物圖

擺角采集計(jì)算機(jī)采用自研的4槽CPCI單系統(tǒng)制導(dǎo)姿控性能指標(biāo)測試平臺(tái)，使用基于Windows+RTX的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，即在Windows中嵌入RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真[7]。操作系統(tǒng)為Windows XP，實(shí)時(shí)環(huán)境選擇Ardence公司的RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)。擺角采集計(jì)算機(jī)示意圖如圖7所示。

圖7 擺角采集計(jì)算機(jī)示意圖

利用Visual Studio 2010軟件開發(fā)了碼盤采集板卡驅(qū)動(dòng)程序和基于VMIC光纖的數(shù)據(jù)傳遞接口，實(shí)現(xiàn)了RTX環(huán)境下的實(shí)時(shí)仿真、數(shù)據(jù)接收與傳遞。利用LabWindowsCVI軟件[8]開發(fā)了采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示程序，可實(shí)時(shí)觀察光電碼盤傳感器數(shù)據(jù)。碼盤傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示程序界面圖如圖8和9所示。

圖8 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示程序界面圖

圖9 通道1數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)顯示圖

當(dāng)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行幅值是1°，頻率是0.1Hz的正弦運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用原有擺角采集系統(tǒng)和本文數(shù)字式擺角采集系統(tǒng)分別采集角度，每50ms記錄一次采集數(shù)據(jù)。圖10是原有擺角采集系統(tǒng)的2次采集效果，圖11是數(shù)字式擺角采集系統(tǒng)的2次采集效果。圖中，橫軸是采集時(shí)間，縱軸是伺服機(jī)構(gòu)擺角采集角度。可以看出，原有擺角采集曲線有一些不規(guī)則的毛刺，輸出干擾大。而數(shù)字式擺角采集曲線比較光滑且性能好。

圖10 原有擺角采集系統(tǒng)采集效果

圖11 數(shù)字式擺角采集系統(tǒng)采集效果

最后，把本文的數(shù)字式擺角采集系統(tǒng)應(yīng)用到飛行器控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集周期設(shè)置為300μs。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)字式擺角采集系統(tǒng)能實(shí)時(shí)有效地采集和上傳伺服機(jī)構(gòu)擺角信息，滿足仿真需求，可以保證飛行器控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

4 結(jié)論

針對(duì)飛行器控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)中，原有伺服機(jī)構(gòu)擺角采集系統(tǒng)輸出干擾大的問題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)字式擺角采集系統(tǒng)。數(shù)字式擺角采集系統(tǒng)采用光電碼盤傳感器，傳感器輸出的是數(shù)字量，解決了干擾大的問題。通過半實(shí)物仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠快速上傳擺角采集值，提高了采集精度，具有良好的實(shí)時(shí)性。

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