陀螺尋北方位儀的軟硬件改進方法?

何永前 申傳俊 黃澤漪

（1.海軍湛江航保修理廠 湛江 524002）（2.湖北三江航天紅林探控有限公司 孝感 432000）

1 引言

高精度尋北技術是陸基武器系統的關鍵技術，它對武器的命中精度、部隊的戰備反應時間及部隊的隱蔽性和生存能力具有重要影響。研究快速高精度尋北技術對武器系統的發展具有重要的理論和現實意義。

隨著微處理器和大規模集成電路技術的飛速發展，數字技術開始應用到慣性技術中，用基于微處理器的數字控制系統取代原來的模擬電子系統。計算機控制系統采用軟件編程實現算法，修改簡便，更容易實現復雜算法；計算機可同時控制幾條回路，性價比高；計算機不易受器件老化等模擬電路中常見問題的影響，性能優越，但功耗、體積和工作環境等方面的缺陷影響了其在高精度控制系統中的應用。32位字長的ARM芯片具有低功耗、體積小、接口方便、程序編寫調試方便的特點，完全可取代由PC/104計算機構成的系統。因此，為進一步提高陀螺尋北方位儀的性能，利用ARM對其進行數字化的研究與改造是很有意義的［1～2］。

2 尋北儀嵌入式控制系統硬件及軟件

2.1 系統結構框圖及信號流程

2.1.1 系統結構框圖

尋北儀嵌入式控制系統硬件框圖如圖2.1示，系統以LPC2292為核心，由ADS8364和ADG508構成的模數轉換模塊，在LPC2292的控制下對輸入模擬量（旋變信號、陀螺信號、加速度計信號及力矩器信號）進行模數轉換和數據采集，并計算出偏北角γ。

圖1 尋北儀硬件系統結構框圖

2.1.2 尋北狀態下信號流程［6］

尋北狀態下，陀螺工作在穩定回路下，計算機通過計算輸出指定電流給陀螺方位軸力矩器，陀螺開始進動后通過穩定回路帶動方位軸轉動。平臺轉到位后陀螺轉為力反饋狀態，這時力反饋回路輸出到力矩器的電流值反映了陀螺敏感的角速率（正比關系），電流流過采樣電阻，通過采集采樣電阻兩端電壓信號就可求得力矩器上的電流大小。計算機通過在0°和180°這兩個位置所采集到的信號就可以解算出當前的航向角。圖2為計算機控制板與力反饋板之間的引腳連接示意圖。

圖2 計算機控制板接口圖示

在計算機控制板上引出這幾個引腳：LX、LY、LX*、LY*，相對應的有 LJQX、LJQY、LJQX*、LJQY*。

2.2 慣性導航姿態角-數字轉換［3］

本系統中，數據采集部分主要采集加速度計信號、陀螺信號以及來自旋轉變壓器的電壓信號。其中自旋轉變壓器的電壓信號為交流信號，用來計算電機轉過的角度，判斷是否在轉到0°和180°位置處采樣；其他為直流信號，用來計算偏北角γ。

2.2.1 雙峰采樣旋轉變壓器

1）旋轉變壓器的輸出

慣性導航系統中，對航向和縱橫搖姿態角的模擬和數字發送精度要求通常都很高。通常，平臺羅經的姿態角模擬發送精度要求2'，數字轉換精度要求30''，慣性導航系統要求則更高。因此，它們的測角元件大都采用粗精結合的多極旋轉變壓器，粗精比通常為1：16和1：30等。本文的尋北系統采用的是粗精比1：16的多極旋轉變壓器。旋轉變壓器給出平臺坐標系與載體坐標系之間的夾角，力矩電機是伺服平臺的執行元件使得平臺坐標系跟蹤陀螺坐標系［11］。

正-余弦旋轉變壓器包括轉子和定子，其輸出電壓與轉子轉角的函數成正弦或余弦函數關系。定子一個繞組產生一個具有參考頻率的電壓，其幅值正比于軸角的正弦，另一個繞組產生一個幅值正比于軸角余弦的電壓。激磁電壓

輸出正余弦電壓

其中θ為轉子相對于定子的轉角。輸出電壓波形如圖3所示。

圖3 旋轉變壓器波形

2）雙峰采樣脈沖的獲得

系統所采用的激磁信號頻率為400Hz，為了獲得角度信號，采用雙峰采樣電路，就是要在激磁電壓的正負兩個峰值上都要采樣并啟動轉換，這樣可以減小因等待峰值時間過長造成的時滯誤差，電路圖見圖4。由輸出波形圖可知，激磁信號經過移項比較之后產生的正負脈沖在時間上正好對準正余弦輸入信號的正負峰值。用這兩個脈沖來控制采樣保持器并啟動ADC開始轉換，就可以實現雙峰值采樣［5］。

2.2.2 采集電路設計

1）采集電路硬件設計

本系統數據采集部分采用可6通道16位并行輸出同步采樣的AD轉換器ADS8364。該芯片自身帶有片選（CS）、輸入時鐘（CLK）、并行數據輸出（［0：15］）以及靈活的控制信號，因此可以直接與ARM7系列微控制器進行連接，具有高速、低功耗的優點，其6路模擬輸入分為3組（A，B，C），每個輸入端都有一個ADC保持信號用以保證幾個通道能同時進行采樣和轉換。ADS8364的差分輸入可在-VREF到 +VREF之間變化［7］。

圖4 雙峰采樣電路

圖5 采樣脈沖電路輸出波形

圖6 為LPC2292與ADS8364之間的引腳連接示意圖。

圖6 LPC22292與ADS8364連接示意圖

AD轉換的工作過程為：4路交流信號通過采樣保持器轉換為直流信號，通過模擬開關切換，與直流信號一起送到ADC進行轉換。4路旋變信號通過一個模擬開關ADG508，在LPC2292片選控制下依次選通作為ADS8364的一組輸入信號，其他4路直流信號（包括2路陀螺信號和2路加速度計信號）分別單獨作為一組與旋變信號一起送到AD中。通過MCU（LPC2292）的程序控制ADS8364的時序，對輸入的5路直流信號進行AD轉換，克服了以往的8路信號通過模擬開關依次選通而不能同時進行轉換的弊端，達到數據采集和提高精度的目的［8］。

2）采集電路軟件設計

（2）工作流程

圖7 AD轉換時序圖

3）程序流程圖

根據芯片的AD轉換時序和電路要求，設計AD轉換的流程圖如8所示。

圖8 軟件實現流程圖

2.2.3 電機驅動部分硬件設計［10，12］

系統需要在0°和180°兩個位置采樣來消除漂移誤差，需要對電機做兩件事：一是給電機提供±15V的電源電壓；二是給電機提供大電流，使電機正轉或者反轉。

給電機提供電源，只需要一個繼電器作開關，將計±15V電源與電機電源相連就可以了。

給電機提供正轉或反轉電流，本系統采用LMD18200實現。LMD18200的PWM輸入端始終為高電平，如圖9所示，把LPC2292的一個PWM引腳輸出與LMD18200的DIR引腳相連來不斷切換電流輸出方向，LMD18200的兩個輸出端DJ_O和DJ*_O分別接到電機的兩端。這樣就解決了以往不斷切換繼電器來改變電流方向的弊端。圖10是輸入端DIR和PWM引腳的信號變化與輸出OUT1、OUT2的關系。

圖9 LMD18200電流方向控制示意圖

根據圖9可知，DIR引腳的電平決定了輸出電流方向與PWM引腳電壓的關系。高電平時，輸出與PWM同相；低電平時，輸出與PWM反相。所以，使PWM引腳一直處于高電平狀態，不斷改變DIR的電平就達到了控制電機轉向和轉速的目的。連接情況如圖10所示。

1.體驗式教育實踐課程體系設計思路。體驗式教育實踐模式的構建，對人才培養方案中課程設置的種類、數量、比例等都有一定的要求。課程設置應該遵循理論學習與教學實踐相結合的原則，理念上強調“一體化”，達到“夯實基礎課程、整合專業課程、強化教育實踐課程”的目標，突出課程設計的師范性、實踐性。比如專業必修理論課程應適當降低難度，增設興趣選修課程，拓寬知識領域；教育實踐課程強化專業技能訓練，重視實踐體驗，實現特長發展。一體化的教育過程中，專業素養培養與教學技能訓練既相對分離又相互滲透，最終實現人才培養的要求。

圖10 電機驅動連接圖

2.2.4 軟件部分［4，9］

1）應用軟件的總體設計

尋北儀控制系統的軟件設計使用了標準的C語言，采用的是面向對象和面向過程相結合編程思想。ARM所提供的ANSI C語言庫是利用ARM提供的semihost運行環境實現輸入/輸出功能的。所謂semihost是利用主機資源，實現在目標機上運行的程序所需要的輸入/輸出功能的一些技術。C應用程序可以使用C運行時庫中的函數，這時C運行時庫完成下面的功能：

（1）建立C應用程序運行環境，它包括：建立數據棧；如果需要，建立數據堆；初始化需要使用的C運行時庫。

（2）運行主程序main（）。

（3）提供對ISOC標準規定的函數的支持。

當C源程序代碼經過ARM編譯器編譯后生成ELF格式的目標文件。這些目標文件和相應的C運行時庫經過ARM連接器處理后，生成ELF格式的映像文件（image）。這種ELF格式的映像文件被燒寫到嵌入式設備的ROM中，ARM中C運行時庫就是一些ELF格式的目標文件的集合。

2接口軟件的實現

尋北儀系統，一方面要完成快速尋北和方位保持，并向主控計算機發送相關尋北信息；另一方面需要從外界獲得速度、緯度信息，從而實現方位儀的速度、緯度補償。系統通過一些功能模塊與通用微處理器的接口實現信息的交換，通過通用微處理器的調度實現主控計算機及各個模塊工作的協調［10］。

主控計算機和導航儀的接口采用RS-422接口標準，串行、異步通訊方式。

尋北儀與主控計算機之間不可避免地需要進行信息通訊。例如，尋北儀每定時10s向主控計算機發送尋北儀狀態信息，或要接收主控計算機發送的緯度和速度信息，或響應主控計算發送來的詢問命令或狀態查詢命令等。尋北儀與主控計算機之間進行交換的信息都有自己的報文格式，報文的開頭結尾以及每個字節都有特定的意義。

例如在實驗中，由主控計算機發送字符串，LPC2292接收到數據后，判斷接收到的是什么信息，挑選出其中的有效信息，再發送回主機。圖11為串口通信的收發軟件流程。

圖11 串口軟件實現流程

3 結語

介紹了尋北儀計算機控制系統的硬件設計方案，以及相應的軟件實現過程。將嵌入式技術應用于陀螺尋北儀系統的設計，克服了一般的導航方法難以提供這種快速而高精度的方位基準的缺點，提高了陀螺尋北儀的性能。