摘  要: 介绍了寻北过程和转位控制系统。针对寻北系统对转位时间的特殊要求,提出了RIGOL DS1102CA型数字示波器测试转位机构性能参数的实现方案。实验分析表明该示波器测试、分析的转位参数准确可靠,并可以简化测试难度,增加测量数据准确性,提高测试效率。 

　　关键词: 寻北系统; 光标测量; 手动方式; 追踪方式

　　光纤陀螺寻北系统以惯导系统中初始对准技术为基础,为获得精确的北向基准,快速性和高精度是其主要指标。随着电子信息时代的不断发展及数字化测试仪器的普及,各种数字化自动测试手段在各领域中发挥作用。本文依据数字化仪器的优点,利用数字示波器中处理、分析数据的特长,有针对性地设计出能够测试转位机构到位时间的测试方案并给出了测试实现过程。 

1 寻北系统 

　　寻北系统主要由两部分组成: 一部分是由光纤陀螺等惯性器件独立构成的一个转位装置,另一部分是由伺服转位控制计算机和导航计算机两个模块构成的控制箱。 

　　寻北系统的转位装置固定在精调平的转台上,在系统静基座(稳定不动的转台)自主式对准工作过程中,设定一个初始零位值,控制转位到分别相邻90°的四个位置上,每一位置上导航计算机采集陀螺与加速度计数据^[1]。回到初始零位值后,解算出准确北向。整个系统要求精确转位,另外整个寻北时间也有严格要求,由于存在陀螺零漂等影响,分配到各个位值的时间都有严格规定,所以也要求转位的快速性。因此本系统要求的转位误差小于±0.03°(即小于±108′′),相邻两位置间的调转时间小于3s。 

2 转位控制系统 

　　寻北系统的转位控制分系统结构组成如图1所示。 

2.1 控制结构分析 

　　为克服只有位置反馈带来的动态性能不理想的设计缺陷,缩短转位的调节时间,提高寻北系统的抗干扰性,设计了基于速度与位置双反馈的转位控制系统^[2]。由于引入速度反馈,大大提升了系统对干扰的反应能力,从而提高了整机的刚度。 

2.2 控制器设计 

　　系统选择Philips公司LPC2114控制器。它除了具有丰富的外部接口,关键是具有1个32位ARM7TDMI-S RISC处理器^[3]。内核使用ARMV4T结构实现,包含32位ARM指令集和16位Thumb指令集,其中Thumb指令集具有较高的代码密度,并且还有多个32位寄存器实现数据存放,更能满足本系统的需要。 

2.3 角位置检测电路与存储器 

　　多对极双通道旋转变压器与电机转子同轴固连,表征转动角位置。它和A/D解算器将电机转位的角位置模拟量转换成4位十六进制数,送入ARM控制器。寻北初始化时,转位的圆周坐标系的初始零度角并非旋变自身特性输出显示的圆周坐标零度角,所以设计了存储器,用来存放两个坐标零位的偏差角,协助完成校零工作。 

2.4 D/A转换芯片和PI调节器 

　　D/A转换芯片采用AD公司高速14位转换器AD7535。在双极性输出模式下,接收数据13位,转换速度1.5μs,具有外接元件少、功耗低、精度高的特点。并采用模拟式调节器及有源校正网络实现比例积分调节器^[4]。 

2.5 CPLD 

　　CPLD是控制器的逻辑控制核心,控制旋变、存储器、键盘/显示、D/A转换器的选通与禁止,另外还增加了键盘响应、显示译码驱动电路、D/A转换芯片的逻辑控制与14位的缓冲区,辅助ARM控制器向存储器写入/读取数据,控制总线读取角位置的二进制代码,并在转位时将控制器计算的角偏差量实时送给D/A转换芯片。 

2.6 通信模块 

　　与上位机采用串口RS232方式通信,选取具有16字节缓冲区的16c550串并转换芯片,为以后扩展功能及大信息量传输做准备,接口与导航计算机PC104相连。寻北过程中,由导航计算机发出转位指令,控制转位机构精确转位。转动到位后,由ARM控制器向PC104发送到位信息,导航计算机开始采集陀螺与加速度计数据。为了便于调试和测试,设计了键盘显示接口模块。 

3 测试方案 

3.1 测试难点 

　　由于转位系统要求转位精确、快速,所以转到各个位置的转位时间是一个重要测试指标。如果借助秒用人眼观察转位机构,会造成测试不准确,难以达到系统要求,而且也观察不到转位的实际动态过程,这给分析转位系统的等效传递函数、调整PID参数带来不便。寻北系统在工作过程中,转位机构置于测试转台上,线缆连接远程控制箱增加了观察法测试的难度。如果能够准确获得到位时间,则对整个寻北系统耗费时间会有定量的统计。通过分析与合理调整分配到各个过程的时间来提高寻北系统性能。 

3.2  测试实现 

　　分析整个控制结构可以看出,到位的标准是给定值与反馈值的偏差为零,此时D/A输出应当为零。当给入转位命令时,给定值与反馈值偏差最大,之后功率驱动电路使得电机朝着减小偏差的方向转动,D/A值越来越小,最终减为零。所以将D/A输出值做为观测点,当给入转位命令时,相当于给入阶跃信号,此时D/A值最大。之后转位慢慢缩小偏差,最终停止,D/A值也随之衰减最后到零。测试出D/A由最大值减为零的过程即为一次转位时间。 

　　依据测试方案,测试连接示意图如图2所示。由PC机模拟替代PC104,PC机的串口与控制箱连接,通过串口调试软件向控制箱发送转位命令。示波器通过USB与PC机相连,PC机使用Ultrascope 软件操控示波器,可以简化测试难度,节省测试时间,提高测试准确度,仅在PC机上方便地切换软件就可以达到控制转位与测试到位时间的目的。

4 试验结果分析 

　　模拟寻北转位的全过程用PC机的串口调试软件发送转位的目标位置(16进制),显示模块实时输出A/D解算器得出的转动实际角位置(16进制),使用DS1102CA型RIGOL示波器探测位置偏差量变化情况,通过Ultrascope for DS1000 series软件操控示波器进行分析。Ultrascope 软件的操控界面如图3所示,测试结果如表1和图4、图5所示。表1中的测试步骤1 表示由0°转到90°的测试过程,依此类推测试步骤4表示由270°转到0°的测试过程。图4、图5表示用示波器测试步骤1时位置偏差的变化过程。 

　　RIGOL示波器的光标模式允许用户通过移动光标进行测量,光标测量分为3种模式:手动方式、追踪方式、自动测量方式^[5]。 

　　(1)手动方式:光标X或Y方式成对出现,并可手动调整光标的间距。显示的读数即为测量电压或时间值。 

　　(2)追踪方式:水平与垂直光标交叉构成十字光标。十字光标自动定位在波形上,通过旋动多功能旋钮可以调整十字光标在波形上水平的位置。 

　　(3)自动测量方式:系统显示对应的电压或时间光标,以揭示测量的物理意义。根据信号变化自动调整光标位置,并计算相应的参数值。 

　　图4是在手动方式下测试步骤1位置偏差变化波形分析图,测得ΔX是1.9s。而图5是在追踪方式下同样是测试步骤1时位置偏差变化的测试分析图,得知Y等于20mV时X是2.008s。两者比较可以发现在本系统数据测试分析时,手动方式只能单一地以观察X轴或Y轴坐标变化为依据,测量出的时间有一定的误差; 而追踪方式可根据X轴和Y轴坐标同时变化为参考依据,精确获得当Y轴坐标变化到零时,两坐标点上X轴的变化量,达到准确测量参数的目的。表1中的转位时间是从追踪模式下测量出的准确时间。由于静摩擦力等非线性因素的存在,转位机构不能完全克服因此产生的阻力,难以丝毫不差地转到给定位置,所以在转动停止时还存在微小的偏差,D/A输出值也不能完全为零,同时也解释了表1中存在的转位误差。 

    从测试结果可以得出基于双反馈策略和ARM控制器的转位控制系统,完全满足寻北系统要求转位迅速和到位精确的指标。 

　　本文介绍了用RIGOL数字示波器测试转位系统性能参数的实现方案。利用USB数据接口和Ultrascope for DS1000 series软件能够很方便地在PC机上进行测试与控制转位的随时切换,降低测试难度,提高了测试效率。RIGOL数字示波器能够及时存储被测信号的波形,便于对系统数学模型深入了解,为设计PID调节器参数提供参考,大大缩短了系统调试时间。示波器高级功能中的光标测量提供了适用于测试本转位系统到位时间的追踪模式,计算出准确的到位时间,顺利达到测试效果。采用RIGOL数字示波器和PC机紧密结合的测试方案,发挥了各自的优点,轻松完成复杂测量,获得极高的测量精度,进一步可根据准确地测试结果改进系统方案,使设计臻于完善。 

参考文献 

[1] 周立功等.ARM嵌入式系统基础教程[M]. 北京航空航天大学出版社, 2005. 

[2] 纪明.几种陆用惯性自寻北方案的比较[J]. 应用光学,1992:(4). 

[3] 周国良等.光纤陀螺寻北仪控制系统的设计和实现[J].应用光学, 2006,27(2):144-146.  

[4] 赵斌等.气动油压伺服系统的智能PID控制研究[J].微计算机信息,2007,(25):83-85. 

[5] 王国富等.星载光电跟踪系统飞轮控制系统设计[J].微计算机信息,2007,(25):14-15.