彈載加速度計組合連續數據采集系統設計與實現

顏學義，鄧自佑

YAN Xue-yi, DENG Zi-you

（岳陽職業技術學院，岳陽 414000）

0 引言

彈載加速度計組合是捷聯慣導系統中重要的敏感元件，它的測量精度是評價導彈射擊精度的重要標準。在導彈飛行過程中，它實時測量導彈的3個視加速度，輸出與之成比例的脈沖信號供彈載計算機采樣，并結合陀螺組合敏感的3個姿態角速度，以控制導彈按預定彈道穩定飛行。

本文從提高彈載加速度計組合測量精度的角度出發，分析了數據采集系統的技術指標，討論了其理論基礎---連續多周期同步測頻和量化時延原理。通過對該系統的測試與標定，說明其完全達到捷聯式慣性測量系統的精度要求。

1 數據采集方案設計

該方案采用石英撓性加速度計，其主要性能指標為：量程±50g；閥值/分辨率≤1×50-5g ；標度因數1.2mA/g。由于它輸出的是與加速度相對應的電流值，所以數據采集系統主要任務就是對輸出電流進行連續，高速，高精度的測量。目前，加速度計的數據采集方案有三種：A/D采樣，I/F變換和A/D+I/F結合的方法。

考慮到捷聯慣導系統惡劣的工作環境，從抗干擾性和連續采集的角度出發，采用與彈載加速度計相匹配I/F轉換器和連續高速高精度頻率計數的數據采集方案，其設計指標符合組合的技術要求。

頻率計數板的設計指標為：測量范圍0.1Hz～500KHz；精度≤10-5；采集速率10mS；具有連續采集的能力，不能丟失脈沖信號。針對整個數據采集系統設計數字反饋電路，改善其動態性能。數據采集系統總體設計方案如圖1所示。

圖1 數據采集系統總體設計方案

2 連續高速高精度測頻理論

2.1 多周期同步連續測頻法原理

多周期同步測頻法的閘門時間不是固定的值，而是被測信號的整周期倍，即與被測信號同步，因此可以消除對被測信號計數時所產生的±1個字誤差，測量準確度大大提高，而且達到了在整個測頻段內的等精度測量。

彈載加速度計組合輸出的脈沖信號必須進行連續實時測量，不允許丟失任何脈沖信號，計數就不能停止，要求設計相應的數據鎖存電路，來實現“串行計數，并行取數”。采用Intel公司的8254定時／計數器[3]來實現該功能。

2.2 量化時延法原理

量化時延法測量短時間間隔信號的思想是利用電信號可以在一定的介質中快速穩定的傳播，且在同一介質中有固定的傳輸延時量這一特性。讓信號通過一系列相同的具有固定延時時間的延時單元，通過計算信號所通過的延時單元個數，即可求的短時間信號。量化時延電路原理圖如圖2所示。

圖2 量化時延電路原理圖

2.3 工作時序

時序圖如圖3所示，由時序圖可知，連續多周期同步，量化時延電路工作流程為：8254定閘門產生器定時產生定時閘門10ms，該閘門信號與被測信號同步，產生實際閘門Tx，實際閘門Tx與5MHz標頻信號同步，產生中斷信號。中斷信號上升沿實時鎖存被測信號計數器，5MHz標頻信號計數器，兩次鎖存數值相減，分別獲計數脈沖個數Nx，N0，同時中斷信號下降沿為量化時延電路的開始信號，上升沿為結束信號，然后讀取量化時延鎖存器數值，分別獲得延時個數N1，N2。

圖3 連續多周期同步，量化時延電路時序圖

那么，可以按如下公式計算被測信號周期：

式中：tx—被測信號周期值；Nx—被測信號計數值；

t0—標頻信號周期值；N0—標頻信號計數值；

td—量化時延器件單位延時量（ns級）；

N1，N2—延時單位個數；

3 硬件結構

PC/104系統是新出現的采用基于模塊設計的嵌入式工業PC機系統，其總線形式具有典型代表性，設計出來的接口電路可以很容易的推廣到ARM,DSP等微處理系統中去，它還具有體積小、可靠性高、編程測試方便等特點，在工業控制和測試領域得到了廣泛應用。系統包括五大電路：PC104總線接口電路；中斷產生電路；量化延時電路；信號調理電路；定時計數電路。前面三塊電路集成到CPLD芯片EPM7128QC100中，達到了很好的簡化電路，降低干擾，提高精度的效果。

3.1 PC104總線接口電路

PC104總線是在ISA總線的基礎上增加了6根線，在接口電路設計過程中，我們使用了其中的26根線。數據線：D0---D7；地址線：A0---A9；控制線：AEN*，IOW*，IOR*，IRQ3，IRQ4，IRQ5，IRQ7，IRQ9。

8條數據線：分別連接8254定時/計數器的數據線，同時接入CPLD芯片中，用于讀取量化時延電路鎖存器數據；

10條地址線：A0，A1連接8254的A0，A1端用于8254三個寄存器及其控制口的尋址；A2，A3，A4，A5連接4-16譯碼器74LS154，用于產生8254和量化時延電路鎖存器的片選信號；A6，A7，A8，A9與控制線AEN*接入比較器74LS688，通過外部跳線對I/O地址進行選擇。用戶一般可以使用300H---31FH，它是留作實驗卡用的，以免與其它外設發生地址沖突；

控制線IOW*，IOR*：直接連接8254與量化時延電路鎖存器的讀寫端，控制中斷鎖存數據的讀寫操作。

中斷線IRQ3,4,5,7,9：接入CPLD芯片，連續多周期同步測量電路的中斷信號通過中斷線傳到處理器中。具體SCH原理圖如圖5所示。

3.2 中斷產生電路和量化延時電路

中斷產生電路和量化延時電路如圖2，3所示。在Max+PlusII中繪制調試好PC/104總線接口電路，中斷產生電路和量化延時電路，通過JTAG接口下載到CPLD芯片中。這種設計不僅增加了系統集成度，縮小了體積，而且可以提高系統工作可靠性，降低干擾。

3.3 信號調理電路

因為強電電路中的電流和往往很大，會在強電裝置和地之間形成脈沖干擾，干擾通過共地會耦合到微處理器的弱電電路中，消除此類干擾的有效方法是將強電電路和弱電電路的地通過光電耦合器隔離開來。同時由于8254接收的頻率信號必須為TTL電平，而I/F電路輸出信號的脈沖幅值高于計數器的輸入范圍，需要對輸入頻率信號進行調制。基于此，采用高速光電耦合器6N137進行隔離調制。

3.4 定時計數電路

本系統使用3片8254定時/計數器（以3通道為例）分別用作定閘門信號產生器，標頻信號計數器和被測信號計數器。8254具有3個獨立的16位計數器通道；可按二進制或十進制計數；可編程工作與6種不同的工作方式，文中采用方式2---自動裝入時間常數的頻率發生器，即n分頻器；計數器的最高計數頻率為8Hz---12Hz；有讀回命令，可以讀出當前計數單元值和狀態寄存器內容。

定閘門信號產生器：CLK0接5MHz標頻信號，經過可編程十分頻后，Out0輸出512KHz信號供I/F使用；CLK1接5MHz標頻信號，Out1接CLK2，即計數器1，2級聯用于編程產生定閘門信號；使能信號G0，G1，G2接VCC。

標頻信號計數器：CLK0接5M標頻信號，3個級聯起來，用于對標頻信號的計數。

被測信號計數器：由于被測信號的最高頻率為500Hz，在高速計數的條件下，16位計數器完全滿足要求。所以CLK0，CLK1，CLK2分別接被測信號1，2，3；Out0，Out1，Out2懸空。

4 實驗結果和誤差分析

4.1 誤差分析：

設實際閘門時間為Tx，由圖4可知測量誤差主要是由于T1和T2測量不準確引起的，設T1和T2測量誤差為ΔT1和ΔT2（| ΔT1| ≤td，| ΔT2| ≤td），令 ，T=t0N0+tdN1-tdN2

那么頻率測量準確度為：

可知，頻率測量準確度與實際閘門時間和量化時延器件單位延時量的大小有關，閘門時間越長，延時量越小，準確度越高。

4.2 實驗結果

通過軟件編程，設定數據采集的時間間隔20ms，將彈載加速度計組合安轉在雙軸速率轉臺上，同步啟動3路計數通道，采用四點法辨識各個加速度計靜態誤差模型參數零偏k0、標度因數k1、二階非線性系數k2、交叉耦合項dp。每個位置對其輸出進行5分鐘連續采集，剔出粗大誤差，計算出誤差系數。按照I/F轉換系數0.1mA/KHz轉換到加速度計的技術參數。如表2所示。

表2 石英撓性加速度計測試參數

測試數據說明加速度計完全符合技術要求。數據采集系統達到彈載加速度計組合連續、高速、高精度的設計要求，實踐證明它可以很好的完成組合安裝誤差，靜、動態誤差模型系數辨識，數據實時采集的任務。

5 結論

本文根據捷聯慣性導航系統精度、可靠性、抗干擾性要求高等特點，按照彈載加速度計組合方案的技術指標要求，詳細討論了數據采集系統的方案設計，測量理論原理，硬件結構組成。實驗證明該數據采集系統具有多通道、連續采集、高速、高精度的良好特性，同時也具有抗干擾性強，電路體積小，運行穩定等特點。該方案在工程實踐中得到應用，其設計思想對其它數據采集系統設計也具有重要的參考價值。

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