單軸系陀螺儀組測量系統

李曉君，楊農合，張家斌，郭廣軍，程 慧

（1.中國人民解放軍63963部隊，北京100072；2.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，陜西 西安710048；3.北京理工大學 飛行器動力學與控制教育部重點實驗室，北京100081）

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）角運動位置檢測裝置。檢測單軸系陀螺儀組的傳統方法是通過一定數量的控制開關、指示燈，電壓表、電流表來測試其靜態的工作狀態與性能。單軸系陀螺儀組的動態特性是非常重要的技術指標[1]，反映了陀螺儀組的性能和實際工作的特性。通過由上下位機構成的陀螺儀測試系統可以完成單軸系陀螺儀組的靜態、動態特性的多項測試，對陀螺儀組做出正確的功能分析和質量評價[2]。

1 測試系統的基本結構

單軸系陀螺儀測試系統由ARM Cortex-M3單片機作為中心主體，通過16路DI、DO數字輸入、數字輸出模塊和16位A/D轉換模塊、信號調理電路、電源等構成。測試系統構成如圖1所示。

陀螺儀組通過信號調理電路接入測試系統，信號調理電路由DO控制轉換電路和陀螺儀組的輸出轉換電路組成，完成ARM Cortex-M3單片機發出的DO控制信號轉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轉換芯片及16通道的多路模擬開關構成A/D采集模塊，保證了數據采集精度和分辨率，并保證了信號的速率，降低了相位誤差。

上位機通過標準的USB端口，以HID通信模式和下位機交換數據和發出功能指令。下位機的測試數據通過USB端口送到上位機，由上位機的測試程序進行處理和顯示。

圖1 測試系統構成框圖

2 測試系統軟件

上位機測試系統軟件完成7類12項檢測功能，采用模塊化設計，按照測試功能分類。對陀螺儀組的檢測數據進行分析，判定其該項指標是否超限（并顯示指標上、下限）。各種操作均有彈出向導說明操作步驟和陀螺儀連接方法。由系統時鐘作為基礎時間切片，時鐘中斷作為USB端口的掃描控制。USB接口程序使用HID模式實現熱插拔功能，以命令組的包模式對下位機通信。

下位機采用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學公式為：

其中，Vmax是區間的最大值，Vmin是區間的最小值。在保證具有較高的采樣速度情況下，采用長度為7的環形數據緩沖區。濾波處理對于Vi的數據是中心對稱，相位偏移最小，7個數據中的最大和最小被剔除，剩余5個數據做平均。在保證高采樣率的情況下，經過濾波可以消除粗大和隨機尖峰脈沖干擾。

常用的中值濾波算法不能剔除粗大誤差和瞬時的脈沖尖峰干擾，經過修改加上剔除粗大干擾的算法，既保證了最小波形相位延遲，又不會損傷信號。圖2為測試系統軟件圖。

圖2 測試系統軟件框圖

3 測試系統工作原理

陀螺儀組特性測試系統上位機測試軟件按照測試項目和流程，通過USB端口對下位機發出相應的命令組控制包，ARM Cortex-M3單片機收到命令組控制包后，按照測試要求輸出控制狀態，經調理電路中的DO控制轉換電路變換為符合陀螺儀組的控制信號，送到陀螺儀組。控制陀螺儀組進入工作狀態，陀螺儀組的輸出信號經信號變換驅動后，送入A/D轉換模塊輸入端。經A/D轉換為數字量，進行中值濾波，將數據組合為數據包通過USB端口送至上位機，由測量程序按照設定的流程進行處理和圖形顯示。

4 測試應用效果

測試系統除了數字顯示以外，圖形顯示功能也很強大[3]，可對陀螺儀組動態性能進行直觀地描述，直接可以顯示出陀螺儀組性能優劣。

圖3是采集的陀螺儀組的動態工作電流波形，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加載特性以及控制響應時間特性。

圖3 陀螺儀組動態電流特性圖

圖4是陀螺儀組的差動輸出的波形之一，通過圖形反映了陀螺儀的輸出性能、穩定性以及信號放大的綜合性能，及其輸出幅度、偏移和對稱性。根據測試數據和波形評價陀螺儀組的單項和綜合特性。

圖4 陀螺儀組差動信號輸出

圖5是檢測陀螺儀組的自動校正性能測試，對其漂移和自動校正的測試進行圖形顯示。使用鼠標選取坐標，可由測試程序計算出精確的校正動作持續時間和校正間隔時間。

圖5 陀螺儀組自動校正波形

由上下位機構成的單軸系陀螺儀組測試系統，ARM Cortex-M3單片機作為下位機，其性能優良，運算速度快，內部存儲器大，USB接口，外加16位的并行接口的A/D轉換模塊，DO、DI模塊和調理電路，使得下位機結構緊湊，可靠性高，使用USB端口的HID模式通信，速度快，接口電纜標準，對上位機的要求大大降低，不僅可以使用一般計算機完成測試，也可以使用筆記本電腦作為上位機。由于采用USB-HID模式，上位機不用安裝驅動，系統可自動識別通信端口，極大簡化了測試系統連接方式，降低了結構成本且維護簡單。

[1]顧正華，王帆，韓杰，等.基于光纖陀螺側滑角動態數據采集和處理[J].測控技術，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角度測量[J].西南師范大學學報，2011，36（4）：137-141.

[3]高琴，陳樹君，王續明，等.多功能虛擬示波器的設計與實現[J].通信技術，2010，43（4）：217-219.