摘? 要: 介紹了尋北過程和轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)。針對尋北系統(tǒng)" title="尋北系統(tǒng)">尋北系統(tǒng)對轉(zhuǎn)位時(shí)間的特殊要求,提出了RIGOL DS1102CA型數(shù)字示波器" title="數(shù)字示波器">數(shù)字示波器測試轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)性能參數(shù)的實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)驗(yàn)分析表明該示波器測試、分析的轉(zhuǎn)位參數(shù)準(zhǔn)確可靠,并可以簡化測試難度,增加測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,提高測試效率。?

　　關(guān)鍵詞: 尋北系統(tǒng); 光標(biāo)測量; 手動(dòng)方式; 追蹤方式

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　　光纖陀螺尋北系統(tǒng)以慣導(dǎo)系統(tǒng)中初始對準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ),為獲得精確的北向基準(zhǔn),快速性和高精度是其主要指標(biāo)。隨著電子信息時(shí)代的不斷發(fā)展及數(shù)字化測試儀器的普及,各種數(shù)字化自動(dòng)測試手段在各領(lǐng)域中發(fā)揮作用。本文依據(jù)數(shù)字化儀器的優(yōu)點(diǎn),利用數(shù)字示波器中處理、分析數(shù)據(jù)的特長,有針對性地設(shè)計(jì)出能夠測試轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)到位時(shí)間的測試方案并給出了測試實(shí)現(xiàn)過程。?

1 尋北系統(tǒng)?

　　尋北系統(tǒng)主要由兩部分組成: 一部分是由光纖陀螺等慣性器件獨(dú)立構(gòu)成的一個(gè)轉(zhuǎn)位裝置,另一部分是由伺服轉(zhuǎn)位控制計(jì)算機(jī)和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)兩個(gè)模塊構(gòu)成的控制箱。?

　　尋北系統(tǒng)的轉(zhuǎn)位裝置固定在精調(diào)平的轉(zhuǎn)臺(tái)上,在系統(tǒng)靜基座(穩(wěn)定不動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái))自主式對準(zhǔn)工作過程中,設(shè)定一個(gè)初始零位值,控制轉(zhuǎn)位到分別相鄰90°的四個(gè)位置上,每一位置上導(dǎo)航計(jì)算機(jī)采集陀螺與加速度計(jì)數(shù)據(jù)^[1]。回到初始零位值后,解算出準(zhǔn)確北向。整個(gè)系統(tǒng)要求精確轉(zhuǎn)位,另外整個(gè)尋北時(shí)間也有嚴(yán)格要求,由于存在陀螺零漂等影響,分配到各個(gè)位值的時(shí)間都有嚴(yán)格規(guī)定,所以也要求轉(zhuǎn)位的快速性。因此本系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)位誤差小于±0.03°(即小于±108′′),相鄰兩位置間的調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)間小于3s。?

2 轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)?

　　尋北系統(tǒng)的轉(zhuǎn)位控制分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。?

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2.1 控制結(jié)構(gòu)分析?

　　為克服只有位置反饋帶來的動(dòng)態(tài)性能不理想的設(shè)計(jì)缺陷,縮短轉(zhuǎn)位的調(diào)節(jié)時(shí)間,提高尋北系統(tǒng)的抗干擾性,設(shè)計(jì)了基于速度與位置雙反饋的轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)^[2]。由于引入速度反饋,大大提升了系統(tǒng)對干擾的反應(yīng)能力,從而提高了整機(jī)的剛度。?

2.2 控制器設(shè)計(jì)?

　　系統(tǒng)選擇Philips公司LPC2114控制器。它除了具有豐富的外部接口,關(guān)鍵是具有1個(gè)32位ARM7TDMI-S RISC處理器^[3]。內(nèi)核使用ARMV4T結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),包含32位ARM指令集和16位Thumb指令集,其中Thumb指令集具有較高的代碼密度,并且還有多個(gè)32位寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存放,更能滿足本系統(tǒng)的需要。?

2.3 角位置檢測電路與存儲(chǔ)器?

　　多對極雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸固連,表征轉(zhuǎn)動(dòng)角位置。它和A/D解算器將電機(jī)轉(zhuǎn)位的角位置模擬量轉(zhuǎn)換成4位十六進(jìn)制數(shù),送入ARM控制器。尋北初始化時(shí),轉(zhuǎn)位的圓周坐標(biāo)系的初始零度角并非旋變自身特性輸出顯示的圓周坐標(biāo)零度角,所以設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)器,用來存放兩個(gè)坐標(biāo)零位的偏差角,協(xié)助完成校零工作。?

2.4 D/A" title="D/A">D/A轉(zhuǎn)換芯片" title="轉(zhuǎn)換芯片">轉(zhuǎn)換芯片和PI調(diào)節(jié)器?

　　D/A轉(zhuǎn)換芯片采用AD公司高速14位轉(zhuǎn)換器AD7535。在雙極性輸出模式下,接收數(shù)據(jù)13位,轉(zhuǎn)換速度1.5μs,具有外接元件少、功耗低、精度高的特點(diǎn)。并采用模擬式調(diào)節(jié)器及有源校正網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)比例積分調(diào)節(jié)器^[4]。?

2.5 CPLD?

　　CPLD是控制器的邏輯控制核心,控制旋變、存儲(chǔ)器、鍵盤/顯示、D/A轉(zhuǎn)換器的選通與禁止,另外還增加了鍵盤響應(yīng)、顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路、D/A轉(zhuǎn)換芯片的邏輯控制與14位的緩沖區(qū),輔助ARM控制器向存儲(chǔ)器寫入/讀取數(shù)據(jù),控制總線讀取角位置的二進(jìn)制代碼,并在轉(zhuǎn)位時(shí)將控制器計(jì)算的角偏差量實(shí)時(shí)送給D/A轉(zhuǎn)換芯片。?

2.6 通信模塊?

　　與上位機(jī)采用串口RS232方式通信,選取具有16字節(jié)緩沖區(qū)的16c550串并轉(zhuǎn)換芯片,為以后擴(kuò)展功能及大信息量傳輸做準(zhǔn)備,接口與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)PC104相連。尋北過程中,由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)位指令,控制轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)精確轉(zhuǎn)位。轉(zhuǎn)動(dòng)到位后,由ARM控制器向PC104發(fā)送到位信息,導(dǎo)航計(jì)算機(jī)開始采集陀螺與加速度計(jì)數(shù)據(jù)。為了便于調(diào)試和測試,設(shè)計(jì)了鍵盤顯示接口模塊。?

3 測試方案?

3.1 測試難點(diǎn)?

　　由于轉(zhuǎn)位系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)位精確、快速,所以轉(zhuǎn)到各個(gè)位置的轉(zhuǎn)位時(shí)間是一個(gè)重要測試指標(biāo)。如果借助秒用人眼觀察轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu),會(huì)造成測試不準(zhǔn)確,難以達(dá)到系統(tǒng)要求,而且也觀察不到轉(zhuǎn)位的實(shí)際動(dòng)態(tài)過程,這給分析轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的等效傳遞函數(shù)、調(diào)整PID參數(shù)帶來不便。尋北系統(tǒng)在工作過程中,轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)置于測試轉(zhuǎn)臺(tái)上,線纜連接遠(yuǎn)程控制箱增加了觀察法測試的難度。如果能夠準(zhǔn)確獲得到位時(shí)間,則對整個(gè)尋北系統(tǒng)耗費(fèi)時(shí)間會(huì)有定量的統(tǒng)計(jì)。通過分析與合理調(diào)整分配到各個(gè)過程的時(shí)間來提高尋北系統(tǒng)性能。?

3.2? 測試實(shí)現(xiàn)?

　　分析整個(gè)控制結(jié)構(gòu)可以看出,到位的標(biāo)準(zhǔn)是給定值與反饋值的偏差為零,此時(shí)D/A輸出應(yīng)當(dāng)為零。當(dāng)給入轉(zhuǎn)位命令時(shí),給定值與反饋值偏差最大,之后功率驅(qū)動(dòng)電路使得電機(jī)朝著減小偏差的方向轉(zhuǎn)動(dòng),D/A值越來越小,最終減為零。所以將D/A輸出值做為觀測點(diǎn),當(dāng)給入轉(zhuǎn)位命令時(shí),相當(dāng)于給入階躍信號(hào),此時(shí)D/A值最大。之后轉(zhuǎn)位慢慢縮小偏差,最終停止,D/A值也隨之衰減最后到零。測試出D/A由最大值減為零的過程即為一次轉(zhuǎn)位時(shí)間。?

　　依據(jù)測試方案,測試連接示意圖如圖2所示。由PC機(jī)模擬替代PC104,PC機(jī)的串口與控制箱連接,通過串口調(diào)試軟件向控制箱發(fā)送轉(zhuǎn)位命令。示波器通過USB與PC機(jī)相連,PC機(jī)使用Ultrascope 軟件操控示波器,可以簡化測試難度,節(jié)省測試時(shí)間,提高測試準(zhǔn)確度,僅在PC機(jī)上方便地切換軟件就可以達(dá)到控制轉(zhuǎn)位與測試到位時(shí)間的目的。

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4 試驗(yàn)結(jié)果分析?

　　模擬尋北轉(zhuǎn)位的全過程用PC機(jī)的串口調(diào)試軟件發(fā)送轉(zhuǎn)位的目標(biāo)位置(16進(jìn)制),顯示模塊實(shí)時(shí)輸出A/D解算器得出的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)際角位置(16進(jìn)制),使用DS1102CA型RIGOL示波器探測位置偏差量變化情況,通過Ultrascope for DS1000 series軟件操控示波器進(jìn)行分析。Ultrascope 軟件的操控界面如圖3所示,測試結(jié)果如表1和圖4、圖5所示。表1中的測試步驟1 表示由0°轉(zhuǎn)到90°的測試過程,依此類推測試步驟4表示由270°轉(zhuǎn)到0°的測試過程。圖4、圖5表示用示波器測試步驟1時(shí)位置偏差的變化過程。?

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　　RIGOL示波器的光標(biāo)模式允許用戶通過移動(dòng)光標(biāo)進(jìn)行測量,光標(biāo)測量分為3種模式:手動(dòng)方式、追蹤方式、自動(dòng)測量方式^[5]。?

　　(1)手動(dòng)方式:光標(biāo)X或Y方式成對出現(xiàn),并可手動(dòng)調(diào)整光標(biāo)的間距。顯示的讀數(shù)即為測量電壓或時(shí)間值。?

　　(2)追蹤方式:水平與垂直光標(biāo)交叉構(gòu)成十字光標(biāo)。十字光標(biāo)自動(dòng)定位在波形上,通過旋動(dòng)多功能旋鈕可以調(diào)整十字光標(biāo)在波形上水平的位置。?

　　(3)自動(dòng)測量方式:系統(tǒng)顯示對應(yīng)的電壓或時(shí)間光標(biāo),以揭示測量的物理意義。根據(jù)信號(hào)變化自動(dòng)調(diào)整光標(biāo)位置,并計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)值。?

　　圖4是在手動(dòng)方式下測試步驟1位置偏差變化波形分析圖,測得ΔX是1.9s。而圖5是在追蹤方式下同樣是測試步驟1時(shí)位置偏差變化的測試分析圖,得知Y等于20mV時(shí)X是2.008s。兩者比較可以發(fā)現(xiàn)在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試分析時(shí),手動(dòng)方式只能單一地以觀察X軸或Y軸坐標(biāo)變化為依據(jù),測量出的時(shí)間有一定的誤差; 而追蹤方式可根據(jù)X軸和Y軸坐標(biāo)同時(shí)變化為參考依據(jù),精確獲得當(dāng)Y軸坐標(biāo)變化到零時(shí),兩坐標(biāo)點(diǎn)上X軸的變化量,達(dá)到準(zhǔn)確測量參數(shù)的目的。表1中的轉(zhuǎn)位時(shí)間是從追蹤模式下測量出的準(zhǔn)確時(shí)間。由于靜摩擦力等非線性因素的存在,轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)不能完全克服因此產(chǎn)生的阻力,難以絲毫不差地轉(zhuǎn)到給定位置,所以在轉(zhuǎn)動(dòng)停止時(shí)還存在微小的偏差,D/A輸出值也不能完全為零,同時(shí)也解釋了表1中存在的轉(zhuǎn)位誤差。?

??? 從測試結(jié)果可以得出基于雙反饋策略和ARM控制器的轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng),完全滿足尋北系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)位迅速和到位精確的指標(biāo)。?

　　本文介紹了用RIGOL數(shù)字示波器測試轉(zhuǎn)位系統(tǒng)性能參數(shù)的實(shí)現(xiàn)方案。利用USB數(shù)據(jù)接口和Ultrascope for DS1000 series軟件能夠很方便地在PC機(jī)上進(jìn)行測試與控制轉(zhuǎn)位的隨時(shí)切換,降低測試難度,提高了測試效率。RIGOL數(shù)字示波器能夠及時(shí)存儲(chǔ)被測信號(hào)的波形,便于對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型深入了解,為設(shè)計(jì)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)提供參考,大大縮短了系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間。示波器高級功能中的光標(biāo)測量提供了適用于測試本轉(zhuǎn)位系統(tǒng)到位時(shí)間的追蹤模式,計(jì)算出準(zhǔn)確的到位時(shí)間,順利達(dá)到測試效果。采用RIGOL數(shù)字示波器和PC機(jī)緊密結(jié)合的測試方案,發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn),輕松完成復(fù)雜測量,獲得極高的測量精度,進(jìn)一步可根據(jù)準(zhǔn)確地測試結(jié)果改進(jìn)系統(tǒng)方案,使設(shè)計(jì)臻于完善。?

參考文獻(xiàn)?

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