《電子技術(shù)應(yīng)用》
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單軸系陀螺儀組測量系統(tǒng)
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2013年第11期
李曉君1,楊農(nóng)合2,張家斌3,郭廣軍1,程 慧1
(1.中國人民解放軍63963部隊,北京 100072; 2.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院,
摘要: 由ARM Cortex-M3單片機(jī)通過USB-HID接口和計算機(jī)(筆記本電腦)構(gòu)成的上下位機(jī)模式的陀螺儀測試系統(tǒng),實現(xiàn)了單軸系陀螺儀組的各種靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)測試。由上位計算機(jī)通過USB-HID端口發(fā)出各種控制狀態(tài),操縱下位機(jī)使得陀螺儀組模擬出實際的工作狀態(tài),完成了單軸系陀螺儀組的動態(tài)響應(yīng)測試。
Abstract:
Key words :

摘  要:ARM Cortex-M3單片機(jī)通過USB-HID接口和計算機(jī)(筆記本電腦)構(gòu)成的上下位機(jī)模式的陀螺儀測試系統(tǒng),實現(xiàn)了單軸系陀螺儀組的各種靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)測試。由上位計算機(jī)通過USB-HID端口發(fā)出各種控制狀態(tài),操縱下位機(jī)使得陀螺儀組模擬出實際的工作狀態(tài),完成了單軸系陀螺儀組的動態(tài)響應(yīng)測試。
關(guān)鍵詞: 陀螺儀;ARM Cortex-M3;USB-HID;信號調(diào)理電路;測試軟件

 單軸系陀螺儀組是由若干個陀螺儀組成的一個軸系方向(X)角運(yùn)動位置檢測裝置。檢測單軸系陀螺儀組的傳統(tǒng)方法是通過一定數(shù)量的控制開關(guān)、指示燈,電壓表、電流表來測試其靜態(tài)的工作狀態(tài)與性能。單軸系陀螺儀組的動態(tài)特性是非常重要的技術(shù)指標(biāo)[1],反映了陀螺儀組的性能和實際工作的特性。通過由上下位機(jī)構(gòu)成的陀螺儀測試系統(tǒng)可以完成單軸系陀螺儀組的靜態(tài)、動態(tài)特性的多項測試,對陀螺儀組做出正確的功能分析和質(zhì)量評價[2]。
1 測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
 單軸系陀螺儀測試系統(tǒng)由ARM Cortex-M3單片機(jī)作為中心主體,通過16路DI、DO數(shù)字輸入、數(shù)字輸出模塊和16位A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理電路、電源等構(gòu)成。測試系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

 陀螺儀組通過信號調(diào)理電路接入測試系統(tǒng),信號調(diào)理電路由DO控制轉(zhuǎn)換電路和陀螺儀組的輸出轉(zhuǎn)換電路組成,完成ARM Cortex-M3單片機(jī)發(fā)出的DO控制信號轉(zhuǎn)換為符合陀螺儀組的要求的控制信號,并將陀螺儀組的輸出轉(zhuǎn)換為符合A/D模塊采集要求的信號。
 16位的并行高速A/D轉(zhuǎn)換芯片及16通道的多路模擬開關(guān)構(gòu)成A/D采集模塊,保證了數(shù)據(jù)采集精度和分辨率,并保證了信號的速率,降低了相位誤差。
 上位機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)的USB端口,以HID通信模式和下位機(jī)交換數(shù)據(jù)和發(fā)出功能指令。下位機(jī)的測試數(shù)據(jù)通過USB端口送到上位機(jī),由上位機(jī)的測試程序進(jìn)行處理和顯示。

 


2 測試系統(tǒng)軟件
 上位機(jī)測試系統(tǒng)軟件完成7類12項檢測功能,采用模塊化設(shè)計,按照測試功能分類。對陀螺儀組的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,判定其該項指標(biāo)是否超限(并顯示指標(biāo)上、下限)。各種操作均有彈出向?qū)дf明操作步驟和陀螺儀連接方法。由系統(tǒng)時鐘作為基礎(chǔ)時間切片,時鐘中斷作為USB端口的掃描控制。USB接口程序使用HID模式實現(xiàn)熱插拔功能,以命令組的包模式對下位機(jī)通信。
 下位機(jī)采用C語言編程,控制DO、DI、AD模塊,AD采集模塊采用實時的修改后中值濾波算法,降低了噪聲影響,保證信號的可靠性。修改后中值濾波算法數(shù)學(xué)公式為:


3 測試系統(tǒng)工作原理
 陀螺儀組特性測試系統(tǒng)上位機(jī)測試軟件按照測試項目和流程,通過USB端口對下位機(jī)發(fā)出相應(yīng)的命令組控制包,ARM Cortex-M3單片機(jī)收到命令組控制包后,按照測試要求輸出控制狀態(tài),經(jīng)調(diào)理電路中的DO控制轉(zhuǎn)換電路變換為符合陀螺儀組的控制信號,送到陀螺儀組。控制陀螺儀組進(jìn)入工作狀態(tài),陀螺儀組的輸出信號經(jīng)信號變換驅(qū)動后,送入A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,進(jìn)行中值濾波,將數(shù)據(jù)組合為數(shù)據(jù)包通過USB端口送至上位機(jī),由測量程序按照設(shè)定的流程進(jìn)行處理和圖形顯示。
4 測試應(yīng)用效果
 測試系統(tǒng)除了數(shù)字顯示以外,圖形顯示功能也很強(qiáng)大[3],可對陀螺儀組動態(tài)性能進(jìn)行直觀地描述,直接可以顯示出陀螺儀組性能優(yōu)劣。
 圖3是采集的陀螺儀組的動態(tài)工作電流波形,從波形圖上可以清楚反映陀螺儀組中各陀螺儀及其附件的組合、分離與各種工作狀態(tài)加載特性以及控制響應(yīng)時間特性。

 由上下位機(jī)構(gòu)成的單軸系陀螺儀組測試系統(tǒng),ARM Cortex-M3單片機(jī)作為下位機(jī),其性能優(yōu)良,運(yùn)算速度快,內(nèi)部存儲器大,USB接口,外加16位的并行接口的A/D轉(zhuǎn)換模塊,DO、DI模塊和調(diào)理電路,使得下位機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高,使用USB端口的HID模式通信,速度快,接口電纜標(biāo)準(zhǔn),對上位機(jī)的要求大大降低,不僅可以使用一般計算機(jī)完成測試,也可以使用筆記本電腦作為上位機(jī)。由于采用USB-HID模式,上位機(jī)不用安裝驅(qū)動,系統(tǒng)可自動識別通信端口,極大簡化了測試系統(tǒng)連接方式,降低了結(jié)構(gòu)成本且維護(hù)簡單。
參考文獻(xiàn)
[1] 顧正華,王帆,韓杰,等.基于光纖陀螺側(cè)滑角動態(tài)數(shù)據(jù)采集和處理[J].測控技術(shù),2011,36(6):33-35.
[2] 馮智勇,曾瀚,張力,等.基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態(tài)角度測量[J].西南師范大學(xué)學(xué)報,2011,36(4):137-141.
[3] 高琴,陳樹君,王續(xù)明,等.多功能虛擬示波器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].通信技術(shù),2010,43(4):217-219.

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