基于LabView的陀螺加矩電路測試方法

王二偉，姜海峰，黃　鋼，張艷霞，王　汀

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

基于LabView的陀螺加矩電路測試方法

王二偉，姜海峰，黃鋼，張艷霞，王汀

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

介紹了慣性平臺系統陀螺加矩電路工作原理和基于NI公司LabView平臺開發測試系統方法。充分利用LabView軟件平臺在自動化測試領域的優勢，結合具有可編程FPGA板卡和7位半萬用表板卡，針對陀螺加矩電路設計了自動化陀螺加矩電路數字并行總線控制、粗加矩電路功能測試和精加矩恒流輸出穩定性測試方案，并通過實驗驗證了以上方案的正確性和有效性，提高了陀螺加矩電路板測試效率。

慣性平臺；陀螺加矩；自動測試；LabView

0 引言

慣性平臺加矩電路主要用于慣性平臺系統地面模擬導航、自標和自瞄時陀螺加矩，其自身精度和可靠性影響整個平臺系統導航精度［1-2］。為了進一步提高加矩電路輸出精度需對該電路多項參數進行補償，且隨著慣性平臺系統需求量的提升，要求各電路生產、測試有較高的效率。傳統陀螺加矩電路測試多用分散通用設備搭建測試設備，該方法無法完成單板自動化測試，無法實現電流輸出溫度補償參數測試、電路零偏補償參數測試等功能，且存在較大人為測試風險，直接影響生產效率。

針對以上現象和陀螺加矩電路測試項目，本文設計基于LabView的慣性平臺加矩電路自動化測試方法，完成了陀螺加矩電路數字并行總線控制、粗加矩電路測試、精加矩恒流輸出穩定性測試等，同時完成了陀螺粗精加矩功率電路零位偏移量測試及加矩量程連續變化線性度測試，為加矩電路參數精度補償提供了有效測試數據。經過大量試驗和測試數據分析，證明本方法可實現陀螺加矩電路功能和性能自動化測試要求。

1 陀螺加矩功能接口

陀螺加矩電路主要功能為數字并行總線讀寫、粗加矩電流輸出和精加矩電流輸出。加矩電路中，數字并行總線主要負責接收主控CPU控制指令，完成地址和數據譯碼，控制陀螺粗精加矩電流調制占空比輸出。陀螺粗精加矩電路輸出端口需連接陀螺力矩器，故該電路測試需連接模擬負載電阻，通過測試電阻兩端電壓計算其輸出電流，陀螺加矩電路功能圖如圖1所示。

圖1　陀螺加矩電路功能圖Fig.1 Structure of gyroscope-torquing circuit

2 測試系統方案設計

2.1測試系統硬件平臺

陀螺加矩電路為陀螺力矩器提供精準加矩電流，設計測試系統不僅要考慮陀螺加矩電路功能測試，還需考慮電路精度和穩定性測試。為了滿足以上測試項目，同時縮短開發周期，被測試方案選擇NI公司生產的測試平臺［3］，該公司在國際測試測量領域有較高威望，可提供穩定測試硬件平臺，且滿足精度測試要求。

根據陀螺加矩電路測試項目需求，本設計選擇NI公司PXI-7852R/FPGA板卡，該板卡內置Virtex5系列FPGA芯片，外圍配置多路數字和模擬I/O端口，經二次開發可實現數字并行總線接口通信，完成對被測對象總線控制。

陀螺加矩電流測試為精度測試，為滿足測試項目本設計選用PXI-4071萬用表板卡，該板卡達到7/1電壓測試精度，可實現對采樣電阻長時間高精度電壓采集和存儲。測試系統硬件平臺示意圖如圖2所示。

圖2　測試系統硬件平臺示意圖Fig.2 Hardware of test system

2.2數字并行總線設計

陀螺加矩電路與主控CPU數據交互使用數字并行總線，該總線包括10位地址、8位數據、讀寫控制和數據請求信號，并行總線完成一次通信周期約400ns，完成以上總線操作需使用FPGA板卡按照約定時序模擬數字并行總線。FPGA板卡操作有兩種方式:一種是使用LabView語言編譯生成邏輯代碼；另外一種是使用VHDL語言編寫功能軟件，經過IP導入到VI中生成可下載邏輯代碼。本設計中選擇后者，在ISE環境下使用VHDL語言編寫數字并行總線，將生成的IP導入LabView環境下，再將輸入、輸出端口映射到FPGA板卡端口［4］。FPGA硬件端口連接關系如圖3所示。

圖3　FPGA端口連接圖Fig.3 Connection of FPGA hardware

2.3數據采集系統設計

數據采集系統的功能是對陀螺加矩電路輸出的加矩電流進行采集。陀螺加矩電路輸出包括粗加矩輸出和精加矩輸出，粗加矩輸出電流為可調制占空比電壓輸出，輸出端連陀螺力矩器，為達到測試電流需端接負載電阻，按最大正向輸出電流約110mA計算負載電阻，使用PXI-4071測試負載電阻兩端電壓值，計算不同占空比控制時的電流值。

精加矩輸出電路要求測量系統電壓測量不小于1×10-5穩定性，故選用7/1精度的PXI-4071萬用表板卡，滿足精度使用要求。精加矩電路輸出不僅需要測試功能，還需長時間測試恒流源輸出電流穩定性，并對測試結果進行統計計算，最終判定精加矩電路工作性能。

LabView軟件平臺帶有多種數據存儲方式，本設計對采集數據保存為TDMS文件，可完成多通道、長時間、大數據量采集數據存儲。

3 LabView測試軟件設計

3.1FPGA軟件設計

本文在LabView環境下使用VHDL語言生成IP核方式完成并行總線讀寫操作，其中VHDL語言主要完成數字并行總線時序編寫。陀螺加矩電路數字并行總線通信時序約束較高為ns級，本文使用FPGA板載時鐘40MHz的5倍頻時鐘作為全局時鐘，單時鐘周期為5ns，滿足目前總線時序要求。內部同時完成數據同步，通過外部中斷接收待執行數據，然后使用狀態機方式模擬并行總線［5］。其狀態關系轉移圖如圖4所示，仿真結果如圖5所示。

圖4　并行總線讀寫狀態轉移圖Fig.4 State machine of parallel bus

圖5　并行總線仿真結果Fig.5 Simulation of parallel bus

3.2LabView交互軟件設計

本文使用NI公司虛擬儀器LabView軟件開發平臺，所謂虛擬儀器與傳統儀器一樣，均由數據采集與控制、數據分析預處理及結果顯示與存儲三部分組成，在虛擬儀器系統中，硬件來處理信號的輸入、輸出，軟件是整個測試儀器系統的關鍵。

本文中使用FPGA板卡為實時系統，與其他非實時系統板卡差異性較大，其設計及到自身程序獨立運行，且通過LabView上層管理可達到測試、測量的目的。本文對數字總線控制在FPGA內部實現，其控制數據和指令通過上位機下發，如圖6所示上位機控制FPGA板卡程序，在軟件前面板輸入地址、數據和控制讀、寫指令，軟件自動將這些參數經過PXI總線下發至FPGA板卡，板卡內部完成數據同步和指令解碼等操作，最終這些參數通過數字并行總線傳輸至陀螺加矩電路板［6-7］。

圖6　FPGA上位機程序框圖Fig.6 Program structure of FPGA on host machine

本設計中對陀螺加矩電路輸出測量使用高集成DMM板卡，PXI-4071為高精度數字萬用表，LabView軟件開發平臺涵蓋其所有驅動模塊，在軟件開發階段只需配置儀器板卡驅動程序參數就可以完成電壓、電流和電阻等電參數測量，如圖7所示對DMM測試類型、量程范圍、精度范圍等常用參數連接至前面板進行控制的同時，前面板顯示測量結果，且保存測試結果?？紤]本設計中數據量較大，但存儲速度不高的特點，選用TDMS文件存儲測試數據，且對存儲數據關聯時間戳。為了方便軟件操作人員使用和后期測試數據分析，設計簡化控制、顯示面板如圖8所示。

圖7　數據采集與存儲程序框圖Fig.7 Program structure of data getting and saving

圖8　軟件控制、顯示前面板Fig.8 GUI of the program

4 測試實驗結果

4.1并行總線測試結果

實現陀螺加矩電路測試的關鍵是要模擬產生數字并行總線，本設計使用FPGA板卡實現數字并行總線，并使用該板卡專用轉接盒引線與陀螺加矩電路板接口連接。

圖9　并行總線測試結果Fig.9 Test result of parallel bus

如圖9所示，使用示波器對FPGA板卡模擬陀螺加矩電路數字并行總線時序結果進行測試，其中包括地址、數據、讀寫和請求信號，經測量滿足總線時序使用要求。

4.2陀螺加矩輸出測試結果

陀螺加矩電路粗加矩部分測試要求測量正滿加矩、負滿加矩、零加矩、負半加矩和正半加矩五種狀態，測試人員通過控制軟件面板參數改變加矩輸出量，同時測量輸出負載電阻通過電流，粗加矩測試結果如表1所示。根據測試結果可得出粗加矩零位輸出偏移量，可為加矩電路粗加矩零位偏移補償提供參數，且可根據需要增加粗加矩測試項目，分析粗加矩輸出電路電流輸出線性度，為進一步提高加矩精度提供有效測量參數。

表1　粗加矩輸出電路測試結果Table 1 Test result of rough torquing output circuit

本設計實現了精加矩電路功能測試和精加矩恒流源輸出穩定性測試。精加矩電路測試需外接10Ω精密電阻，通過測量電阻兩端電壓計算精加矩輸出電流。功能測試主要完成精加矩不同占空比時輸出電流值，穩定性測試需要對恒流源滿量程輸出電流長時間采樣，統計測量值方差。精加矩X路長時間測試結果如圖10所示。

圖10　精加矩輸出測試結果Fig.10 Test result of precise torquing

5 結論

本文使用LabView軟件平臺和PXI總線板卡完成了陀螺加矩電路功能測試和性能測試，其測試項目和測試精度滿足加矩電路測試需求；本文同時完成了粗精加矩電路加矩量連續切換測試，為后續加矩電路電流線性度補償提供有效數據；該測試方法提高了電路自動化測試水平，將電路功能測試從幾小時縮短為幾分鐘，有效提高測試、生產效率。后續將在該系統上擴展精加矩電路電流輸出與恒流源溫度關系測試，提供精加矩溫度補償參數，為進一步提高精加矩電流輸出精度提供有效數據。

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Method on Gyroscope-torquing Circuit Test Based on LabView

WANG Er-wei，JIANG Hai-feng，HUANG Gang，ZHANG Yan-xia，WANG Ting
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

This paper described working principle of gyroscope-torquing circuit used on platform inertial navigation system（PINS）and introduced a method on designing test system based on LabView，a software belongs to NI company.This paper took full advantage of LabView which is good at automatic test to design a test method of gyroscope-torquing circuit，including operation of parallel bus，function of cursory torquing and performance of precise torquing.In the process of test，FPGA and multimeter on PXI boards were used，which are compatible with LabView.By experiments，it is concluded that the method is correct and improved the efficiency of gyroscope-torquing circuit test at the same time.

platform inertial navigation system；gyroscope torquing；automatic test；LabView

U666.1

A

1674-5558（2016）05-01153

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.05.018

王二偉，男，助理工程師，研究方向為慣性平臺電路設計。

2015-07-08