两轴系陀螺仪组测量系统

　　摘要：为实现两轴系陀螺仪组静态参数和动态特性测试，采用工控机加上DIO控制卡、A/D转换采集卡和信号调理电路以及测试处理软件构成陀螺仪测试系统。由工控机发出相应的控制指令，使两轴系陀螺仪组模拟出实际的工作状态，A/D转换卡采集陀螺仪组的静态特性和动态响应，经处理后以数字和曲线形式显示。由测试结果可以直观的反映出两轴系陀螺仪组的特性和品质参数，经过实际应用表明测试系统性能稳定，测试结果准确可靠，真实地反映了两轴系陀螺仪组静态和动态特性。

　　0 引言

　　陀螺仪是导航和控制系统的重要部件，被广泛用于航空、航天、航海、科学、技术、军事等各个领域。陀螺仪的静态和动态特性决定导航和控制系统的与响应速度，对陀螺仪的静态和动态特性测试是非常重要的。两轴系陀螺仪组是由若干个陀螺仪组成的两个轴系方向（x 和y）角运动位置检测和控制调节装置，传统检测两轴系陀螺仪组的方法是通过一定数量的控制开关按照规定的时序给陀螺仪组加上不同的电源和控制信号，通过指示灯和电压表、电流表来测试其静态的工作状态与性能，而对动态特性的测量则很难实现。两轴系陀螺仪组的动态特性是一个非常重要的技术指标，它用来描述陀螺仪组的中的各陀螺仪的性能与实际工作的动态特性。通过由计算机构成的陀螺仪测试系统可以完成两轴系陀螺仪组的静态指标、动态特性指标的测试，经过数据分析给出质量评价。

　　1 测试系统的基本结构

　　两轴系陀螺仪测试系统由工控机作为中心主体，配以32路DI、DO 数字输入、数字输出卡和16位A/D 转换卡，信号调理电路，电源等构成，如图1所示。

　　由于两轴系陀螺仪组的控制信号和输出信号电平均不符合DIO卡和A/D转换卡的要求，需要加上信号调理电路完成DIO 卡和A/D 转换卡和陀螺仪组的过渡和链接。信号调理电路由2部分组成，其一完成DIO控制转换电路到陀螺仪组的控制输入，其二将陀螺仪组的输出转换为符合计算机A/D 采集的要求信号。这样就可以实现从工控机上通过DIO 卡和信号调理电路发出对陀螺仪组的动作控制信号，与经过A/D卡采集陀螺仪组的输出信号。由于采用16 位的高速A/D 转换卡，保证了数据采集和分辨率与信号的速率、降低了采集相位误差和失真。

　　

　　2 测试系统软件

　　测试系统软件完成9类18项检测功能，采用模块化设计。使用C++ Builder 6编程，底层DO,DI,A/D模块使用DLL 动态链接库，充分使用Windows 的API功能，用Teechat 控件完成各种测试图形显示（见图2）。按照测试功能分类，对陀螺仪组的检测数据进行分析，判定其该项指标是否超限（并显示指标上、下限）。各种操作均有弹出向导说明操作步骤和陀螺仪连接方法。由系统时钟作为基础时间切片，时钟中断作为扫描控制，对端口的状态和测量进程控制。

　　

　　A/D采集模块采用修改后的实时中值滤波算法，降低了噪声影响，保证信号的可靠性。常用的中值滤波算法不能剔除粗大误差和瞬时的脉冲干尖峰扰，经过修改加上剔出粗大干扰的相移算法，其数学公式描述如式（1）所示：

　　

　　式中：Vmax 是V 从i-n 到i+n 区间中的值，Vmin 是V 从i-n 到i+n 区间中的值。采用长度为2 × n +1的环形数据缓冲区，经过第n 个采样后，开始滤波处理。对于Vi 的数据是中心对称，相位偏移，2 × n +1个数据中的和被剔除，剩余2 × n - 1 个数据累加后做平均。n 的取值和采样速率有关，一般选在3~5.在较高采样率的情况下，经过滤波可以消除粗大和随机尖峰脉冲干扰。采用中值滤波的优点是能保证波形相位延迟，而又不会将有用的信号损失，从图3~图5中看出典型的滤波效果，图5陀螺仪组自动校正波形是比较特殊的脉冲类型。

　　

　　3 测试系统工作原理

　　由于两轴系陀螺仪组的特殊结构，每个轴系方向都是由多个陀螺仪和控制单元组成，因而对两轴系陀螺仪组特性测试，系统，测试软件按照测试项目和流程，工控机的DO控制卡按照测试要求输出控制状态，经调理电路中的DO 控制转换电路变换为符合陀螺仪组的控制信号送到陀螺仪组，控制陀螺仪组进入工作状态。并按照测试要求通过DO 控制卡发出控制信号对陀螺仪组的输出进行切换、组合、分离为所需的信号，再经信号变换驱动后送A/D转换卡输入端。经A/D转换为数字量，由测量程序按照设定的流程进行处理和图形显示。

　　数据采集和控制时序由软件定时器作为主控，其主要测试过程首先根据功能菜单的选择测试项目，进入测试功能模块，计时器清零开始计时，计时单位为ms,计时长度为180 s.按照测试要求计算机发出控制指令，通过DO模块产生控制动作，经过信号调理电路施加到陀螺仪组上，同时在规定的时间内开始按照测量顺序开始采集陀螺仪组的输出信号。当测量时间按照设定的测量时序执行到新的控制指令时刻时，计算机发出新的动作指令改变陀螺仪组的控制，继续采集新状态下的输出数据。当测量时间完成后，定时模块发出中断，结束本次选项的测试。自动查询标准数据并和测量数据对比对该项测试结果进行评判。在测量过程中由TeeChat 控件完成采集数据的图形绘制。从而实现动态显示功能。

　　4 测试应用效果采用了图形和数字面板的用户界面，使得测试系统具有数字显示和动态图形显示功能，对两轴系陀螺仪组的静态和动态性能得到直观明显的描述，直接评价两轴系陀螺仪组各项特性。

　　图4 是测量陀两轴系螺仪组的动态工作的电流波形，它直接反映了两轴系陀螺仪组与外围附件的工作状态的综合特性，图4反映出两轴系陀螺仪组加载特性以及控制响应时间特性。

　　图5 是两轴系陀螺仪组的差动输出波形，从图形显示出两轴系陀螺仪组的差动输出输出幅度、对称性和偏移大小。可以方便对两轴系陀螺仪组的自身性能、稳定性以及信号放大器输出的综合性能做出分析。当对两轴系陀螺仪组若施加某方向的扰动时，图形显示出其响应过程速度，根据测试数据和波形可以快速评价出两轴系陀螺仪组的单项特性和综合指标。

　　自动校正性能是两轴系陀螺仪组的重要特征参数，图6 是对两轴系陀螺仪组进行的自动校正性能测试结果。两轴系陀螺仪组在静态工作过程中，测试其漂移和自动校正，通过图形显示出校正动作持续时间和校正间隔时间。在图形显示窗口上使用鼠标选取坐标后，测试程序则计算出的校正动作持续时间和校正间隔时间。

　　

　　5 结语

　　由工控机组成的两轴系陀螺仪组测试系统，测试项目完整，高，操作简单。可以完成两轴系陀螺仪组的单项特性和综合指标的测试。快速评价两轴系陀螺仪组的品质参数以及陀螺仪组内的部件特性，通过数字和图形显示判定出两轴系陀螺仪组和部件的性能和故障。经过现场的实际应用表明性能稳定，测试结果可靠，可以真实地反映了两轴系陀螺仪组静态和动态特性。