基于DGUS屏控制器的嵌入式加速度計離心試驗臺

余 臻，秦朝俊

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095）

0 引言

傳統的線加速度計離心試驗一般都需要離心機作為檢測設備。離心機是利用高速旋轉運動產生的標準向心加速度，對線加速度計進行校準的一種慣性器件校準設備。離心機是一種大型試驗設備，通常需要專門的地基、主機設備間、操作控制室、控制機柜等，試驗場地占地面積較大，設施及儀器設備比較復雜，因此它的造價昂貴，離心試驗過程相對復雜，試驗準備時間較長，試驗過程也不夠高效。基于此，設計一套既滿足大多數離心試驗要求，又能簡化試驗場地建設，提高離心試驗效率的離心機設備，成為該領域研發人員的新任務；嵌入式離心試驗臺主要是針對傳統離心機的不足，為了適應人們對離心機小型化、集成化、簡易化的需求而專門設計的。本文介紹一種以DGUS屏（DWIN Graphic Utilized Software） 為控制器的嵌入式加速度計離心試驗臺。

1 嵌入式加速度計離心試驗臺的系統組成及工作過程

該嵌入式加速度計離心試驗臺分為兩個部分，一是機械臺體，二是控制系統。試驗臺機械臺體結構實現了小型化、輕型化的設計，便于安裝調試，同時能節省安裝空間和設備成本。試驗臺控制系統采用基于DGUS屏控制器的嵌入式系統，替代了大型控制機柜和工控計算機，整個系統的功能框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式加速度計離心試驗臺系統框圖

嵌入式控制器按照用戶設定或輸入信息將控制指令發送至通信模塊，通信模塊將指令轉換為驅動電機的控制信號，控制信號再通過功放轉換為大電流信號驅動伺服電機進行旋轉運動。伺服電機定子與離心試驗臺的臺體底座相連，而伺服電機轉子與離心試驗臺的轉臂相連。伺服電機轉動帶動離心試驗臺轉臂，兩者以相同轉速旋轉。編碼器與離心試驗臺轉軸固連，其作用是采集反饋信號，輸送至反饋轉換板轉換成數字信號，并通過通信模塊將信號輸入嵌入式控制器形成閉環反饋。

嵌入式控制器的引入，簡化了傳統離心機的控制系統；成為該離心試驗臺控制系統的核心。

1.1 基于輕型材料和新型結構的機械臺體

嵌入式離心試驗臺的機械臺體為立式單軸轉臂結構，相比大型離心機的轉盤式結構，該轉臂結構可以有效地降低旋轉部分的重量。主軸采用精密機械軸承，轉臂材料選用優質的超硬鋁合金，不同于傳統離心機的鑄鐵或不銹鋼材料。這種設計減輕了旋轉部分的重量，對由此產生的剛度薄弱部位做了加強處理，使結構更加合理，實現了機械結構的小型化和輕型化設計。轉臂設置螺紋孔用于安裝線加速度計等測試件工裝。機械臺體固定在鑄鐵底座上，這種方式可以將底座放置在普通地基地面上，在一定程度上減少了對地基的要求。旋轉主軸外部設置了安全防護罩，當主軸高速旋轉時，防護罩能有效地保障與離心試驗臺在同一房間的操作人員的安全，同時減少了離心試驗臺的安裝使用面積。

1.2 基于DGUS屏控制器的嵌入式控制系統

整個控制系統由嵌入式觸摸屏控制器、無刷直流電機、正弦編碼器和功率放大器組成。該控制方式為全數字閉環的控制系統，以正弦編碼器為反饋元件，通過軟件的數字控制實現高精度的角速率控制，該閉環系統能對負載進行自適應調整，響應速度較快。以上控制過程為全自動數字控制過程，在調試完成后，不需要人工進行調整。

嵌入式觸摸屏控制器采用DGUS觸摸屏，不是使用傳統的工控計算機，使整個控制系統體積大大縮小，設備成本也大大降低。該控制系統將嵌入式觸摸屏控制器、通信模塊及電源和功放都集成于一個小型的控制箱內，使設備的占地面積縮小，操作也更加簡便。

DGUS觸摸屏是由北京迪文科技有限公司（簡稱迪文公司）自主研發的一款基于K600+內核的高可靠性、操作靈活的圖形用戶接口GUI（Graphical User Interface），它的主要特點是將傳統的GUI分解為單個的控件，并按照用戶的要求配置并組合這些控件用于完成界面的開發。這與傳統控制軟件開發主要依靠編寫代碼的方式有較大的區別。用戶對控制軟件的開發是組態式的，也就是說，開發過程更像Photoshop畫圖或是編寫PPT文檔，大幅降低了用戶的代碼編寫量。

迪文公司已經將很多系統底層關于GUI的驅動代碼封裝成專用程序包，燒錄到DGUS屏中專用的T5L芯片內核中。用戶在做項目的時候可以直接以控件形式調用。用戶將開發要用到的一些素材（如字庫、圖標庫、界面等）導入迪文公司專門的開發環境當中，并與相應的控件結合，編譯形成系統配置文件，然后導入DGUS屏的存儲器。

DGUS觸摸屏采用了豐富的顯示控件和觸控控件。通過這些控件可以完成人機交互。用戶在設計開發時需操作界面控件和其中的數據。這些操作都是通過訪問控件和數據的變量地址完成的。DGUS觸摸屏的程序開發完成后，要先經過編譯，再通過SD卡下載到觸摸屏的存儲器中。DGUS觸摸屏與操作者的交互主要通過觸摸屏和通信接口實現。觸摸屏可直接調用相應控件功能，并通過自動切換模式實現觸控屏的用戶免干預。DGUS屏與外界的通信接口一般采用RS232通信接口。

DGUS屏除了可以進行方便快捷的界面設計，還提供了用戶二次開發的接口（DWIN-OS軟件）。系統中復雜的功能界面控件較難開發，對于此問題，迪文公司也有相應的解決方案，即DWIN-OS軟件，用戶可以根據自己的需求進行快速可靠的二次開發。DWIN-OS軟件起到一般系統中工控計算機的作用，相當于外掛一個嵌入式操作系統。這樣既可以降低設計成本，又能提高接口的可靠性（標準HMI人機接口多是基于PC架構，軟件在Windows CE等通用操作系統上開發）。DWINOS內置的指令集類似于匯編語言，通俗易懂，開發周期較短，應用優勢明顯。

1.3 嵌入式加速度計離心試驗臺的工作過程

用戶啟動嵌入式加速度計離心試驗臺后，嵌入式控制器會對系統進行自檢，自檢通過后進入操作主界面。操作人員安裝好被測加速度計后，點擊按鍵即可進行啟動、設置速度、停止等操作，主界面將實時顯示設置的指令速度和編碼器的反饋速度。整個系統的操作非常簡單，并且效率和可靠性都很高。

2 DGUS控制屏在離心試驗臺的應用及效果2.1DGUS控制屏主界面和轉速輸入界面

嵌入式加速度計離心試驗臺的DGUS控制屏操作界面主要有兩個，分別是主界面和轉速輸入界面，圖2（a）為主界面，圖2（b）為轉速輸入界面。

圖2 嵌入式加速度計離心試驗臺主界面和轉速輸入界面

主界面分為轉速控制和顯示區、快捷轉速設置區和功能按鍵區。轉速控制和顯示區位于界面的上部，包含“指令速度”框和“反饋速度”框。“指令速度”框中可以輸入用戶需要的轉速，點擊“指令速度”框即可彈出如圖2（b）所示的轉速輸入界面。在輸入界面中點擊相應數字按鍵可以輸入轉速值，按“確認鍵”返回主界面，同時輸入的速度值顯示在指令速度輸入框中。“反饋速度”框可以實時顯示當前的離心試驗臺轉速。

快捷轉速設置區為中間的6個按鍵。這些按鍵為方便輸入常用的6個轉速而設計，只需一鍵即可將事先計算好的轉速輸入“指令速度”框中，不需要調出輸入界面。這一設計可以較大地提高批量化重復試驗效率。功能按鍵區為主界面底部的3個按鍵，“使能”按鍵的功能是使離心試驗臺上電，“啟動”按鍵的功能是使上電后的離心試驗臺按照“指令速度”框中的數值旋轉，“停止”按鍵的功能是控制離心試驗臺轉臂去電停止旋轉。“使能”按鍵和“啟動”按鍵必須組合使用才能使離心試驗臺轉動，而“停止”按鍵只需一個按鍵就可以使離心試驗臺停止轉動。這種設計一個按鍵使其停止運動的目的是出于安全考慮。兩個按鍵組合控制旋轉可以降低試驗中誤觸發而造成轉臂突然旋轉的可能性，而一個按鍵停止轉動可以在出現異常時快速急停設備。這樣的設計既能有效保護操作者的人身安全，又能保護設備和被測傳感器不受損害。

2.2 DGUS控制屏的DWIN-OS應用

在嵌入式離心試驗臺中，除了響應界面按鍵的操作，系統還需要進行底層的控制操作和后臺的數據處理（比如控制信息的發送和接收、反饋信息的計算和存儲等）。界面控件功能較單一，無法勝任更復雜的任務，這時需要采用上面提到的DWIN-OS系統軟件。用戶在該系統中編寫代碼，比如按鍵中的功能鍵“使能”“啟動”“停止”的功能代碼、反饋速度的計算和存儲、反饋速度與指令速度差值計算和轉換都放在DWIN-OS軟件中。

DWIN-OS軟件代碼的運行方式為定時刷新（80 ms），無限次循環。軟件系統工作過程為首先自檢整個離心試驗臺控制系統，然后將編碼器傳回的反饋值進行計算，并將結果發送至屏幕顯示，同時掃描功能鍵數據緩沖區，查看是否有按鍵按下，如有則轉入按鍵處理程序，如無則返回轉入下一個循環等待。各個環節均有異常處理程序，一旦某一環節出現異常，DWIN-OS軟件系統將向顯示屏發送異常代碼提示并進行異常處理。由于DWIN-OS的軟件代碼運行方式為無限次循環，所以異常處理代碼不能進行死循環操作，否則系統會死機。

2.3 嵌入式加速度計離心式試驗臺實際運行效果

基于DGUS屏控制器的加速度計離心試驗臺研制完成后，可進行批量化的線加速度計離心試驗。經過調試，該套設備現達到的加速度最大值為500 g（4.9×103m/s2），角速率穩定性和精度達到1×10-5（相對值），每小時測試的加速度計數量約100只，整套設備的占地面積約1.5m2。大型離心機的量程一般為200 g（1.96×103m/s2），角速率穩定性和精度為5×10-6（相對值），每小時測試的加速度計數量約20只，整套設備的占地面積約30m2。

對比嵌入式加速度計離心試驗臺及大型離心機的技術指標和使用情況，可知大型離心機的角速率穩定性和精度相對較高，適合高精度、單個或小批量產品的試驗；小型的嵌入式加速度計離心試驗臺角速率穩定性和精度等技術指標略低于大型離心機，但由于轉動慣量較小，量程較大，因此可以滿足大部分的試驗要求，適合中等精度、大批量產品的測試。大型離心機由于旋轉部分的轉動慣量很大，其啟動、停止及加速度計安裝過程較長，造成其效率較低，同時由于設備較大，所以占地面積也較大。在批量化測試時小型離心試驗臺的效率是大型離心機的5倍，而設備的占地面積只有大型離心機的1/20。

3 結語

綜上所述，基于DGUS屏控制器的嵌入式加速度計離心試驗臺能夠滿足大多數線加速度計試驗的要求。該設備已經研制成功并穩定運行，其小型化的、基于DGUS屏控制器的設計簡化了離心機的安裝過程，降低了研制成本，減少了離心機設備的占地面積，在批量化測試任務中極大地提高了測試效率。DGUS屏的采用保證了嵌入式加速度計離心試驗臺研制的過程的簡便和快捷。因此，該裝置在小型化、批量化加速度計離心測試中具有廣闊的應用前景。