基于虛擬儀器的機(jī)載陀螺儀測試系統(tǒng)研究

虛擬儀器技術(shù)是軟件代替部分硬件設(shè)計(jì)的技術(shù)，其中硬件模塊實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)理、采集和輸出，而軟件實(shí)現(xiàn)信號的處理、顯示和產(chǎn)生。利用軟件快速、靈活的運(yùn)算處理能力，簡化硬件模塊功能，減少硬件模塊體積，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外，該技術(shù)只需更改軟件就能滿足大部分信號的測試，具有很強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性。

目前，傳統(tǒng)的航空機(jī)載陀螺儀測試系統(tǒng)采用分立儀器搭建，具有成本高、自動化程度低、擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)，因此，這里提出一種基于虛擬儀器技術(shù)的航空機(jī)載陀螺儀自動測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 陀螺儀測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件主要是以C8051F005單片機(jī)為核心，結(jié)合相應(yīng)的外圍電路實(shí)現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換以及開關(guān)量的控制，采用模塊化設(shè)計(jì)，通過RS-232總線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信?？紤]到該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊較多，且為了后續(xù)擴(kuò)展，選用標(biāo)準(zhǔn)的3U工業(yè)機(jī)箱。其系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

1.1 測試轉(zhuǎn)臺

測試轉(zhuǎn)臺用于標(biāo)校陀螺精度，每種型號的陀螺都有各自的測試轉(zhuǎn)臺。在對陀螺進(jìn)行測試前，需要將陀螺固定在測試轉(zhuǎn)臺上，并將轉(zhuǎn)臺調(diào)整到水平位置。測試轉(zhuǎn)臺上有俯仰和傾斜指示刻度，可根據(jù)要求將陀螺調(diào)整到相應(yīng)位置。

1.2 陀螺儀和航空連接器

陀螺轉(zhuǎn)子是陀螺儀的基本部件，常采用同步電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動方法使陀螺轉(zhuǎn)子高速圍繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn);內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán))是陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結(jié)構(gòu);附件是指力矩馬達(dá)、信號傳感器等。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指方向在不受外力影響時不改變的原理來保持方向，制造出來的陀螺裝置就叫陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它能快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時間，然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。

陀螺儀的種類很多，按用途可分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器;指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。不同型號的陀螺儀通過不同的連接器與信號調(diào)理箱連接。因此，測試系統(tǒng)根據(jù)陀螺儀的連接情況，需要配備多個連接器。

1.3 電源部件

電源部件為航空機(jī)載陀螺儀自動測試系統(tǒng)提供所需的直流和交流電源，直流輸出為+27V，交流輸出為三相36V400Hz和三相115V 400 Hz。陀螺儀型號不同，其消耗功率也不同，交直流一般約O.5 A。

1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行圖像顯示，向操作人員提示及報(bào)警。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析記錄，以測試報(bào)表形式輸出。軟件采用全漢化處理，選用菜單對話形式，將每一步操作方法都顯示在顯示屏上。操作人員可以按照提示完成操作。

通信模塊實(shí)現(xiàn)板卡與計(jì)算機(jī)之間的通信，計(jì)算機(jī)使用RS232總線，而智能板卡使用CAN總線，轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)的采集功能，如圖2所示。

C8051F005單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對D/A轉(zhuǎn)換器DAC714和A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543的控制，產(chǎn)生直流電壓信號，經(jīng)輸出采樣電路的電壓/電流轉(zhuǎn)換、放大，輸出穩(wěn)定的直流電流。使用D/A輸出、A/D采樣，與主控單片機(jī)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。可用鍵盤進(jìn)行電流數(shù)值設(shè)定，用LED(發(fā)光二極管)進(jìn)行顯示，智能板卡數(shù)據(jù)采集框圖如圖3所示。

1.5 信號調(diào)理箱

信號調(diào)理箱實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)理、采集和輸出。通過分析不同型號陀螺的工作原理，其輸出信號有同步器、模擬量和開關(guān)量等信號。根據(jù)信號性質(zhì)，信號調(diào)理箱包含S/D、A/D和繼電器等集成電路，能夠?qū)⑼狡餍盘?、模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，達(dá)到與計(jì)算機(jī)通信的目的。

采用CJ24Y4L和CJ24W型航空智能板卡采集陀螺儀的輸出模擬量。CJ24W航空智能板卡可以滿足模擬信號的輸出，輸出電壓為0～23 V。模擬量采集為24路單端輸入和8路差分輸入，分辨率為24位，可以采集0～300 V的電壓，0～2 A的電流。采集數(shù)據(jù)精度高、速度快、穩(wěn)定性好。由于陀螺儀的信號輸出數(shù)量多，不可能將所有信號同時輸入到信號調(diào)理箱，必須經(jīng)過繼電器矩陣進(jìn)行切換，繼電器切換必須具有足夠快的響應(yīng)時間，能通斷較大的信號，因此選用型號為JDQ航空智能板卡，實(shí)現(xiàn)信號的連接、斷開和轉(zhuǎn)換。該航空智能板卡工作電壓為DC+27 V，信號的采集和模擬均符合航電設(shè)備的輸入輸出要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用美國NI公司的虛擬儀器軟件LabWindows/CVI進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，CVI是在C語言(ANSIC)的基礎(chǔ)上增加了儀器控制和工具函數(shù)庫的虛擬儀器開發(fā)軟件，具有友好的圖形用戶界面，因此選用CVI可以加快測試程序開發(fā)。系統(tǒng)軟件原理圖如圖4所示。

為了方便和規(guī)范測試系統(tǒng)程序的編寫，將各個硬件模塊的驅(qū)動編譯生成動態(tài)庫，由測試系統(tǒng)程序根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用。系統(tǒng)程序開發(fā)過程中，硬件驅(qū)動和虛擬儀器界面的開發(fā)是重點(diǎn)。

硬件驅(qū)動設(shè)計(jì)是對智能板卡進(jìn)行程控，方便測試系統(tǒng)程序的編寫和集成。航空智能板卡驅(qū)動程序是上位機(jī)與下位機(jī)程序通信的紐帶，通過調(diào)用驅(qū)動函數(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對硬件的控制。虛擬儀器界面提供人機(jī)接口，操作員根據(jù)需要施加信號，實(shí)時監(jiān)測信號。CVI提供了開發(fā)虛擬儀器界面的用戶接口資源文件(*.uir)、各種控制和顯示控件，用于模擬實(shí)際儀表界面。分析完成航空電源智能采集板上位機(jī)采集功能所需的各種控件。根據(jù)CVI軟件編程，完成控件的編制，除了一些基本的控制顯示控件外，還有一個示波器顯示控件，它用于顯示采集數(shù)據(jù)的波形。機(jī)載陀螺進(jìn)行檢測系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

控制函數(shù)的編寫過程中，由于在板卡功能設(shè)計(jì)中有交流和直流之分，因此在波形顯示界面設(shè)計(jì)時，也將其分為交流和直流2個波形顯示界面。而在運(yùn)行程序過程中，采集交流或直流，都需將另外一個隱藏起來，這就用到函數(shù)SetCtrlAttribute(panelHandle，PANEL_STRIPCHAR- T，ATTR_VISIBLE，1)和函數(shù) SetCtrlAttribute(panelHandle，PANEL_GRAPH，ATTR_VISIBLE，0)。在控制函數(shù)中，繪制波形的函數(shù) PlotStrip Chart(panelHandle，PANEL_STRIPCHART，data，1，0，0，VAL_DOUBLE); 采用函數(shù)SetCtrlAttribute(panelHandle，PANEL_TIMER，ATTR_ ENABLED，1)打開時鐘，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 應(yīng)用設(shè)計(jì)

采用基于虛擬儀器技術(shù)的機(jī)載陀螺儀自動測試系統(tǒng)，成功構(gòu)建了多套航空測試設(shè)備，例如陀螺智能綜合測試設(shè)備(包括陀螺穩(wěn)定平臺、垂直陀螺、航向陀螺等)、操縱臺智能測試儀、單相靜止變換器校驗(yàn)設(shè)備、飛參模擬器等。機(jī)載陀螺自動測試系統(tǒng)檢測項(xiàng)目：準(zhǔn)備時間，垂直陀螺在傾斜和俯仰4°時，接通電源1 min后應(yīng)以±2°的精度輸出水平信號;鎖定時間，當(dāng)隨動托架、外環(huán)架和陀螺組合件處于任何位置時，鎖定時間應(yīng)不超過15s;修正速度，橫向修正速度 2～8(°)/min，縱向修正速度l～3(°)/min;陀螺漂移(轉(zhuǎn)動)，垂直陀螺以1(°)/s的角速度旋轉(zhuǎn)360°后，在沿傾斜方向的漂移不大于±2.5°(實(shí)際為±3.5°)等。圖6為某型號陀螺的電位計(jì)零位測試界面。

4 結(jié)論

基于虛擬儀器技術(shù)的機(jī)載陀螺儀自動測試系統(tǒng)利用電子電路集成技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢，以及多總線設(shè)備互補(bǔ)的功能，實(shí)現(xiàn)了對多種型號陀螺儀的自動化測試，具有測試自動化程度高、成本低、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用到航空航天、測控、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。