基于PC104的陀螺儀動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言
??? 陀螺儀是平臺穩(wěn)定系統(tǒng)的敏感測量元件，它敏感臺體的角運(yùn)動(dòng)信號，通過平臺伺服回路，建立平臺的穩(wěn)定基準(zhǔn)。因此陀螺儀的性能直接影響到平臺穩(wěn)定系統(tǒng)的性能，對嚴(yán)格測試其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)具有重要的意義。
??? 傳統(tǒng)的測試設(shè)備和手段復(fù)雜且效率低，為了便于對陀螺儀進(jìn)行機(jī)內(nèi)測試，改善測量效果，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)來搭建測試系統(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NI公司開發(fā)的虛擬儀器LabVIEW，為開發(fā)平臺設(shè)計(jì)軟件，使其人機(jī)界面友好、功能強(qiáng)大、開發(fā)效率高、可維護(hù)性強(qiáng)，且測試精度和可靠性能得到充分保證。

1 測試系統(tǒng)硬件組成
??? 該測試系統(tǒng)由PC／104工控計(jì)算機(jī)、DMM-32-AT多功能數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理模塊組成。其測試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

??? (1)PC／104工控計(jì)算機(jī)。采用DIGITAL-LOG-IC 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-IN-ONE CPU模塊，主板主要集成了最大256 MB內(nèi)存、256 KB二級高速緩存、2個(gè)RS 232C 串口、1個(gè)LPT1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。
??? (2)DMM-32-AT多功能數(shù)據(jù)采集卡。4路12位D／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，最高采樣速率為200 Mb／s。該多功能采集卡主要用于激勵(lì)信號的產(chǎn)生，測試信號的采集以及控制信號的產(chǎn)生。

?(3)信號調(diào)理模塊。主要是將計(jì)算機(jī)給定的電壓控制信號變換為電壓或電流信號，對動(dòng)態(tài)測試的激勵(lì)信號進(jìn)行整形、放大、濾波，以及對測試信號進(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DMM-32-AT的D／A端口產(chǎn)生測試信號，經(jīng)過調(diào)理，對陀螺儀力矩器施加指令電流信號，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)信號器輸出一個(gè)電壓，經(jīng)放大器后轉(zhuǎn)換成一個(gè)電流輸入到力矩器，使力矩器內(nèi)原來外加電流減小到零，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸處于平衡狀態(tài)。通過信號調(diào)理模塊對信號器上的電壓進(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)再對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷和顯示。這整個(gè)過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)測試軟件采用LabVIEW軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，LabVIEW不僅是軟件開發(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)庫的通用編程語言。它定義了數(shù)據(jù)模型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語法規(guī)則等編程語言的基本要素，在功能完整性和應(yīng)用靈活性上不亞于任何高級語言。Lab-VIEW提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)庫函數(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-32-AT是第三方數(shù)據(jù)采集模塊，它需要用戶自己設(shè)計(jì)開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。
2．1 DMM-32-AT驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)
??? LabVlEW提供了對外部代碼調(diào)用的接口庫函數(shù)。其中，調(diào)用庫函數(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)共享庫和自定義庫函數(shù)。在此，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是通過LabVIEW提供的。CLF實(shí)現(xiàn)對動(dòng)態(tài)連接庫(Dynamic Link Library，DLL)調(diào)用的方法．完成對第三方數(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。
??? 使用VC++生成一個(gè)dmm32driver．dll的動(dòng)態(tài)鏈接庫，通過CLF節(jié)點(diǎn)對其調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)，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。

2．2 數(shù)據(jù)采集流程
??? 該測試系統(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)了測試的可靠性。與此同時(shí)，采用單線程結(jié)構(gòu)也簡化了流程控制，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)雜問題。

2．3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
??? 虛擬測試系統(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，F(xiàn)FT變換等)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。操作者根據(jù)數(shù)據(jù)判斷測試指標(biāo)是否合格。
??? 程序設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集過程為：在開始數(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)，覆蓋原來的數(shù)據(jù)。這個(gè)過程一直持續(xù)，直到采集到了指定數(shù)目的數(shù)據(jù)點(diǎn)，或者中止采集過程。程序方框圖如圖3所示。在對陀螺輸出信號進(jìn)行測量時(shí)，采用了多次采樣取平均值的方法，以減小誤差。

3 結(jié) 語
??? 在此，提出一種基于PC／104的陀螺儀動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)，并分析該測控系統(tǒng)的軟／硬件基本構(gòu)成。在系統(tǒng)組建過程中，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，而且可以方便地對測試結(jié)果進(jìn)行判斷，簡單易用。