基于PCI總線的衛(wèi)星用陀螺儀測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

路景澤，劉亞斌，張秀磊

（北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京100191）

衛(wèi)星用慣性敏感器是衛(wèi)星姿態(tài)測量的主要部件，其精度、可靠性等對衛(wèi)星的正常運行及其重要。因此，對陀螺儀進行完善的室內測試對提高陀螺儀研發(fā)生產進度，保障陀螺儀生產質量具有重要意義。為滿足衛(wèi)星用陀螺儀模擬仿真和全自動測試的需求，設計開發(fā)了一套基于PCI總線的自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)配合三軸轉臺對陀螺組件的準確率、靈敏度等進行測試[2]。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 總體架構設計

測試設備的邏輯結構框圖如圖1所示。測試系統(tǒng)大體分為4部分，系統(tǒng)控制單元，信息采集單元，轉臺控制單元，電源管理單元。系統(tǒng)控制單元主要由一臺PCI接口的工控機組成，負責操作電源管理單元，給轉臺控制單元發(fā)送控制信息，給信息采集單元發(fā)送采集命令并接收處理信息采集單元采集的轉臺和產品的速率位置等信息，是整個系統(tǒng)的控制中樞[3]。轉臺控制單元主要是接收控制單元的控制信息，驅動轉臺按照控制單元的命令運動，并接收采集單元的指令，將轉臺的位置速率信息發(fā)送給采集單元。信息采集單元主要由轉臺上的數(shù)字卡和模擬卡組成，用于采集轉臺及陀螺的位置速率等信息[4]。此外，為了保證產品和遠端信息采集單元的正常供電還有電源管理單元，電源管理單元由機械開關、電源管理卡、電壓電流采集卡、產品供電電源、指令電源等組成，通過機械+程控的方式保證產品合理上電、斷電，還可以監(jiān)測產品的電壓電流，如果出現(xiàn)異常情況，馬上進行聲光報警，并切斷電源。

圖1 測試設備邏輯結構圖

1.2 信息采集單元設計

信息采集單元是放置于轉臺上的遠端采集盒，由嵌入式AD采集卡和嵌入式RS422功能卡組成[5]。主要負責測量產品的陀螺角速率以及多種遙測模擬量數(shù)據(jù)和轉臺的三軸角速率信息。信息采集單元是測控系統(tǒng)中最關鍵的部位，負責幾乎所有的測控功能[6]。信息采集單元需要對產品發(fā)出的脈沖信號進行計數(shù)，并通過串口向轉臺和產品發(fā)送控制命令，并回讀轉臺和產品的相關信息。

1.2.1 嵌入式AD采集卡

嵌入式AD采集卡原理圖如圖2所示，板卡總體由電壓調理電路，AD采集電路，數(shù)據(jù)處理電路組成，可以采集48路模擬量信號。采集卡首先通過分壓電路，對遙測信號進行調理，此過程中要根據(jù)產品輸出的模擬量大小和產品輸出阻抗選擇合適的分壓電阻，經過分壓電路調理后的信號要經過電壓跟隨器輸入到AD采集芯片[7]。AD選用6片ANALOG公司16位精度的AD轉換芯片AD7606，每個AD采集芯片有8路AD采集通道，共48路AD采集通道。FPGA讀取48路通道的AD數(shù)字量，要對這些數(shù)據(jù)進行排列整理，統(tǒng)一打包，加上幀頭、幀類型、校驗位等信息，通過串口驅動電路將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機[8]。串口驅動電路由磁耦和422驅動電路組成，使用磁耦將AD采集卡與其他單元隔離，保護產品不會因測控設備不明故障受到損害[9]。

1.2.2 嵌入式RS422功能卡

嵌入式RS422功能卡原理圖如圖3所示。嵌入式RS422功能卡主要是采集產品發(fā)出的422電平形式的脈沖，產生產品測試所需要的422電平的同步脈沖，而且可以通過422接口實現(xiàn)與產品的通訊。此設備要完成多種型號產品的測量工作，因此嵌入式RS422卡可以通過配置命令實現(xiàn)多種通信協(xié)議的解析，有極高的靈活性。為了保護產品，在嵌入式RS422功能卡與設備通信鏈路中間加入了磁耦器件進行隔離，磁耦相對光耦有更高的傳輸速度和更長的使用壽命，可實現(xiàn)高速的測量需求[10]。遠端采集單元放置于轉臺上，因此對遠端采集卡的大小有嚴格的限制，為簡化板卡設計，嵌入式RS422功能卡協(xié)議解析實現(xiàn)功能全部由FPGA完成，放棄使用UART協(xié)議專用芯片，也提高了FPGA程序的復雜度[11]。

圖2 嵌入式AD采集卡原理圖

圖3 嵌入式RS422功能卡原理圖

1.3 測試可靠性設計

測試過程中使用了大型的三軸轉臺，工作在強電磁干擾的環(huán)境下，而且測試線要過多級滑環(huán)，信號干擾非常嚴重。為保證測量的準確性和可靠性，要盡可能減少信號過滑環(huán)的通道數(shù)量，因此設計了遠端調理箱，將數(shù)字量和模擬量的測量單元放置到轉臺上，這樣產品的數(shù)字信號和模擬信號就可以避免過滑環(huán)，遠端調理箱再將測量的信號用2路422信號傳送到主控單元。這樣將原本過滑環(huán)的并行傳輸改為串行傳輸，極大的提高了數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定性[12]。

張仲平心里暗笑，敢情人家把你當司機了，他不想搭理她，用手示意曾真不要說話，然后假裝打著電話：“好好……那不行，行……好好。行，那不行。不是，我的意思是說……好好好，你說你說你先說……”

轉臺大電機的干擾，滑環(huán)的干擾仍然會影響主控單元與遠端調理箱的通信，為保證通信可靠，在硬件層面上使用可靠的整形電路和大功率的422驅動芯片，提高422信號抗干擾能力。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀采用CRC校驗等可靠校驗方法，保證數(shù)據(jù)的可靠無誤的傳輸[13]。

此外，所有的設計都采用了降額設計，設備中所有的器件均采用知名廠家的工業(yè)級或者軍品級器件。在測試設備內的器件布局上考慮了熱設計和電磁兼容性設計，保證系統(tǒng)有效散熱；對大功率器件單獨安放，數(shù)據(jù)傳輸線均采用屏蔽雙絞線，所有連接器都選用金屬屏蔽殼。

1.4 電磁兼容性和可靠性設計

對系統(tǒng)在特定電磁環(huán)境下的工作特性進行論證，研究保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的可靠性措施，采取屏蔽、隔離、搭接、濾波、接地等防護技術改善系統(tǒng)的電磁兼容性。采用以下工程設計方案和施工方案[14]。

1）采用磁隔技術實現(xiàn)測試設備與產品之間數(shù)字信號的電氣隔離，保證任一部分的損壞不會傷害到另一部分。

2）高頻信號，如遠端模擬箱與主控單元通訊的脈沖信號要進行屏蔽和隔離，信號的傳輸、測量、隔離和屏蔽在電路和結構上專門設計，最終使各類信號相互分離，互不干擾，建立起良好的信號傳輸環(huán)境。

3）對系統(tǒng)硬件進行防靜電、防高壓、防過流、防輻射等保證人身安全和設備安全的設計。

2 測試軟件設計

測試系統(tǒng)的軟件部分由開發(fā)效率高、維護方便的C#語言編寫[15]。測試程序主要由以下幾個模塊組成：產品測試軟件，算法模塊、設備自檢模塊、人機界面、輔助功能等模塊組成。算法模塊需要根據(jù)陀螺的協(xié)議內容將測得的數(shù)據(jù)解算得到需要的角速率等信息，設備自檢模塊主要用于對測試系統(tǒng)的422數(shù)據(jù)收發(fā)單元，數(shù)字量輸出等單元進行自檢。輔助功能包括軟件管理員確認，設備報警等功能。

測試軟件的層次結構如圖4所示，軟件系統(tǒng)分為硬件層、邏輯層和表現(xiàn)層。硬件層程序包括本系統(tǒng)中使用的RS422、7040卡的程序接口函數(shù)，是頂層模塊操作底層硬件板卡的媒介；邏輯層程序是硬件層和表現(xiàn)層程序之間的過渡，根據(jù)上層軟件的指令，通過調整硬件層的驅動程序接口，就可以調節(jié)送入表現(xiàn)層的數(shù)據(jù)流信息，還可以接受表現(xiàn)層控制組件的命令，封裝功能模塊，調用硬件層程序，將表現(xiàn)層的命令轉換為硬件層的命令數(shù)據(jù)格式，下發(fā)到硬件層；表現(xiàn)層程序負責總體控制和處理功能，通過調用封裝的動態(tài)庫函數(shù)完成對板卡的操作和信息的讀取，并進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理[16]。

圖4 測試軟件的層次結構圖

本測試軟件將系統(tǒng)的功能按照模塊劃分，每個模塊相互獨立。層次化和模塊化設計的優(yōu)點是可維護性強，可擴展性高。由于測試要求和測試方案會根據(jù)需求變化，這樣在不更改硬件設計的情況下，增刪軟件模塊便可以滿足用戶需求。

3 調試與實驗

該測試系統(tǒng)用于某型衛(wèi)星用陀螺儀測試，主控測試臺的控制界面如圖5所示。控制三軸轉臺按照某實際衛(wèi)星運動曲線運動，設置遙測信號采集頻率1 kHz，同步脈沖頻率10 kHz，按照同步脈沖周期對陀螺儀發(fā)出的差分脈沖進行計數(shù)，并同時采集轉臺的三軸位置信息。上位機處理檢測到的差分脈沖數(shù)量，將其轉化為三軸角速率，并通過對轉臺的三軸角位置信息進行求導運算，得到角速率信息，進行長時間測量，比較兩者數(shù)據(jù)，計算陀螺儀的測量精度，判斷是否符合要求。

圖5 主控測試臺控制界面

4 結論

該測試系統(tǒng)以具有PCI總線的工控機為基礎，由三軸轉臺，轉臺控制柜，遠端信號采集單元，供電電源，電源管理單元，以及各種信號調理采集卡等外設組成，測試軟件采用模塊化設計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴展性。該測試系統(tǒng)已用于某型衛(wèi)星用陀螺儀測試，實際應用表明該測試系統(tǒng)測試準確、穩(wěn)定可靠，達到了設計要求。

參考文獻：

[1]段棟棟.高精度MEMS陀螺儀的濾波算法研究[D].成都：電子科技大學，2014.

[2]郭榮斌，趙秀才.自動測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].國外電子測量技術，2014，33（6）：2-3．

[3]F.Khoshnoud，C.W.de Silva.Recent advances in MEMS sensor technology-biomedical applications[J].IEEE Instrumentation and Measurement Maganize，2012，15（2）：14-24.

[4]胡宗華，代嚴滿，竇洋洋.基于C#電機測試系統(tǒng)的設計[J].無線互聯(lián)科技，2016，4（8）：58-62.

[5]付寧，徐東東，楊易，等.基于PCI9054的PCI主模式板卡的設計[J].電子測量技術，2016，39（1）：93-98.

[6]陳永志，魏豐，王旭東.基于PCI Express總線的同步時鐘卡的設計與實現(xiàn)[J].電子設計工程，2017，25（1）：106-109.

[7]譚婕娟.基于PCI板卡的模數(shù)轉換測試方案設計[J].工業(yè)控制計算機，2016，29（5）：31-32.

[8]龍達峰，劉俊，張曉明，等.基于橢球擬合的三軸陀螺儀快速標定方法[J].儀器儀表學報，2013，34（6）：1299-1305.

[9]茍鋮，何玉珠.某型導彈控制艙自動測試系統(tǒng)設計[J].電子測量技術，2015，38（4）：109-112.

[10]李丹，胡曉光.武器裝備緊湊型PCI總線測控系統(tǒng)熱插拔冗余容錯技術研究[J].兵工學報，2015，36（7）：1247-1255.

[11]李安源，孫日明，殷杰波.一種電子設備自動化測試系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2015，38（10）：128-133.

[12]蘆俊，張國良，曹菁，陳侖.一種基于PCI總線的數(shù)字圖形發(fā)生器設計[J].電子與封裝，2016，16（9）：24-27.

[13]馬睿，張會新，翟成瑞.一種新型遙測模擬測試系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電子器件，2015，38（1）：160-165.

[14]楊海清，喬鐵英，鄧輝等.遙測模擬發(fā)射系統(tǒng)中PCM信號發(fā)生模塊設計[J].計算機與數(shù)字工程，2013，41（5）：845-847．

[15]李樹彪，韓敬偉．基于多任務的智能測量儀器嵌入式軟件設計[J].儀器儀表學報，2013，34（12）：1-2.

[16]牧彬，趙曉蓓，黃勇.基于PCI總線的圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計[J].國外電子測量技術，2013，32（8）：46-47.