一種改進的等精度轉臺角速度測試方法的實現

常歡，張靜靜，于豐源

（北京長城計量測試技術研究所，北京，100095）

0 引言

轉臺是慣導系統測試校準的主要設備，其技術指標和性能對慣導系統的精度起著十分重要的作用。而轉臺的重要指標之一就是角速度，角速度測量精度是轉臺控制系統精度的保證。角速度測試一直采用定角測時或定時測角方法，實質上都是采用長時間求平均值的方法進行測試，控制轉臺按規定的角速度運行，穩定后，用數字頻率計連續多次測量轉臺定角信號，再求出平均值。這種方法的采樣時間比較長，不能對轉速進行實時的評價。并且數字頻率計的體積較大，價格昂貴，且攜帶不便[1~2]。

目前，有基于單片機的改進型變閘門測頻法，用被測信號的上升沿來控制實際的閘門時間，實際的測量時間為被測信號周期的整數倍，但由于單片機自身處理速度的局限性，無法完成高頻率的測量，不能滿足角速度測量的實時性要求[3]。利用CPLD 和FPGA 高速，靈活的特點，實現了較高頻率范圍內數字頻率計，驗證了利用CPLD 或FPGA 實現快速測頻的可行性[4~6]。

本文設計的便攜式轉臺角速度測試系統，采用改進等精度法實時測試轉臺的角速度，并將測試結果實時地傳輸到工控機中進行數據處理。鑒于FPGA 可以實現高速頻率測量，采用高集成度、高速的現場可編程門陣列FPGA 能夠滿足轉臺角速度的實時測試要求。此外，FPGA 集成度高，可以實現片上系統。因此可以實現搭建更簡單，高效的測試系統的目標。

1 總體方案設計

通過對轉臺角速度測試方法的研究，實現轉臺角速度的實時測試，從而評測轉臺的實時角速度。研制便攜式轉臺角速度測試系統，代替以往用來進行角速度測試的大型數字頻率計等設備，并用虛擬儀器搭建人機交互平臺，實現轉臺角速度的實時處理，代替以往的人工錄入再進行數據處理的方法，從而實現轉臺的角速度現場測試。

便攜式轉臺角速度測試系統由FPGA 高速測頻模塊、信號調理模塊、便攜式工控機組成，如圖1 所示。信號調理模塊通過轉臺圓光柵將轉臺的實時角速度信號調理為TTL脈沖波信號。信號調理模塊的輸出信號連接FPGA 的脈沖計數管腳。經過FPGA 測頻模塊將采集的結果上傳到上位機進行數據處理、顯示、保存。

圖1 轉臺角速度測試系統框圖

轉臺角速度測試裝置主要指標如下：

2 轉臺角速度測試方法研究

轉臺的角速度ω與圓光柵信號細分后頻率f的關系如式(1)。

式（1）中，N為圓光柵刻線數；m為圓光柵信號細分數。

測量轉臺角速度，實際上就是測量圓光柵信號細分后的脈沖周期T，用式(2)換算成角速度的瞬時值。

每個脈沖的周期T，用高精度測頻電路測量。

2.1 現有角速度測試方法

常用的直接測頻方法主要有測頻法和測周期法兩種[7~8]。

測頻法是在確定的時間TW內，測量被測信號的周期數NX，則被測信號的頻率為：

測頻法適合測高頻。

測周期法在被測信號一個周期TX內，測量時基脈沖（頻率為fS）個數NS，則被測信號的頻率為：

測周期法適合測低頻。

等精度測頻是設置兩個同步閘門，同時對被測信號和時基脈沖進行計數。其閘門時間是被測信號周期的整數倍，閘門起點和終點均與被測脈沖正沿同步。其測頻原理如圖2所示。

標準信號的頻率為fS。預置閘門時間為t1，在t1 開始時，對被測信號和標準信號計數的計數器均不開始工作。在實際閘門時間t中，對被測信號計數的計數器值為Nx，對標準信號計數的計數器值為NS。則被測信號的頻率為：

2.2 改進的等精度角速度測試方法

本文采用改進等精度法，同步被測信號的相鄰兩個上升沿作為閘門信號，即保證預置閘門信號周期比被測信號周期短。即將等精度測頻方法被測信號整數倍周期明確為1 個周期，從而實現保證角速度測量的實時性。改進后等精度法測頻原理波形圖如圖3 所示。

圖3 改進后等精度法測頻原理波形圖

將本文提出的改進等精度法應用到在轉臺角速度測試過程中，由于將被測信號的上升沿作為計數器的閘門信號，因此計數器啟停與閘門信號的同步對角速度的測試至關重要，涉及計數器等計數單元的速度和延遲時間的準確估計，如果處理不好，都可能影響到測試的結果。

3 軟件設計

本文通過LabVIEW 軟件搭建人機交互平臺，LabVIEW可以快速高效地完成數據采集、分析、顯示、存儲等功能，利用LabVIEW 設計的程序具有較大的靈活性和開放性，給角速度的分析帶來極大的方便。將轉臺的角速度測試結果實時傳輸到便攜式工控機中，進行數據處理和存儲。

上位機軟件實現數據處理和顯示。其功能框圖如4、5所示。

圖4 上位機軟件功能框圖

圖5 上位機軟件界面

要實時測量轉臺角速度，要求測頻的精度高，速度快。單片機測頻速度較慢，無法滿足要求。FPGA 的時鐘延遲可達到ns 級，采用并行工作方式，在超高速、實時測控方面有非常廣闊的應用前景[9~10]。

FPGA 測頻模塊軟件功能框圖如圖6 所示?；l信號通過控制預制閘門信號和實際閘門信號，對送至計數器的計數脈沖信號進行計數。被測信號在同步閘門的控制下，通過實際閘門送至計數器進行計數。兩者數據同時輸入計數器數據緩沖區進行數據處理。處理結果通過通訊模塊送入上位機。本系統使用的FPGA 芯片的時鐘輸入所使用的是100MHz，能夠滿足系統的測試需求。

圖6 FPGA 測頻模塊軟件功能框圖

4 系統測量結果不確定度分析評定

標準圓光柵為5000 線，使用IBV6072 細分和數字化電子電路對圓光柵的輸出信號加2 細分，轉臺轉速為1000°/s時，圓光柵信號細分后頻率f可由式(6)計算得出。

采用信號發生器產生標準頻率信號，對本文設計的FPGA 測頻模塊進行驗證(FPGA 時鐘基準為100MHz)，測試結果如表1 所示。

由表1 可得，FPGA 測頻模塊的測頻誤差在0.1‰以內。

用本文設計的便攜式轉臺角速度測試系統對轉臺進行角速度測試和測量不確定度分析[11~12]。

轉臺角速度測量不確定度的來源主要考慮：測頻模塊引入的測量不確定度分量u1，以及圓光柵角度測量引起的測量不確定度分量u2。被測脈沖角速度及其標準偏差是s(k)分別為：

式中T0為測頻模塊標準信號周期；CTi為被測脈沖周期測量值；CB為被測脈沖周期理論值。

得到角速度測量不確定度如式(9)。

圓光柵測角度測量引起的測量不確定度分量u2。

角度θ由于在轉動中無法得到，故按B 類評定，假設為均勻分布，圓光柵的精度為eθ。不確定度分量u2按式(10)計算。

由于轉臺角速度測量不確定度分量u1、u2互不相關，則合成標準不確定度為：

擴展不確定度U(k=2)：

轉臺轉速對應的速率精度、分辨率和測量不確定度如表2 所示。

表2 轉臺轉速對應的速率精度、分辨率和測量不確定度

表3 轉臺速率精度比對

使用數字頻率計對本系統測量得出的轉臺速率精度進行比對。

由表可知本文設計的便攜式轉臺角速度測試系統與標準設備在測量同一指標時，速率精度在同一數量級上。

5 創新點和技術進步點

（1）提出改進等精度法，采用FPGA 測頻技術實現了轉臺角速度實時測量。

（2）采用LabVIEW 對數據進行快速高效的采集、分析、顯示、存儲，研制便攜式轉臺角速度測試裝置，實現了轉臺角速度現場、快速測試。

6 結論

本文介紹了基于改進等精度法的轉臺角速度測試系統，研究了轉臺角速度測試技術，設計了便攜式轉臺角速度測試裝置。研究了FPGA 在轉臺角速度測試中的應用技術，編寫了轉臺角速度測試軟件，用于采集、處理試驗數據，通過試驗驗證，實現了轉臺角速度現場、快速測試。