摘要：為實(shí)現(xiàn)兩軸系陀螺儀組靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，采用工控機(jī)加上DIO控制卡、A/D轉(zhuǎn)換采集卡和信號(hào)調(diào)理電路以及測(cè)試處理軟件構(gòu)成陀螺儀測(cè)試系統(tǒng)。由工控機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，使兩軸系陀螺儀組模擬出實(shí)際的工作狀態(tài)，A/D轉(zhuǎn)換卡采集陀螺儀組的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，經(jīng)處理后以數(shù)字和曲線(xiàn)形式顯示。由測(cè)試結(jié)果可以直觀(guān)的反映出兩軸系陀螺儀組的特性和品質(zhì)參數(shù)，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明測(cè)試系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠，真實(shí)地反映了兩軸系陀螺儀組靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

　　0 引言

　　陀螺儀是導(dǎo)航和控制系統(tǒng)的重要部件，被廣泛用于航空、航天、航海、科學(xué)、技術(shù)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。陀螺儀的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性決定導(dǎo)航和控制系統(tǒng)的與響應(yīng)速度，對(duì)陀螺儀的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試是非常重要的。兩軸系陀螺儀組是由若干個(gè)陀螺儀組成的兩個(gè)軸系方向（x 和y）角運(yùn)動(dòng)位置檢測(cè)和控制調(diào)節(jié)裝置，傳統(tǒng)檢測(cè)兩軸系陀螺儀組的方法是通過(guò)一定數(shù)量的控制開(kāi)關(guān)按照規(guī)定的時(shí)序給陀螺儀組加上不同的電源和控制信號(hào)，通過(guò)指示燈和電壓表、電流表來(lái)測(cè)試其靜態(tài)的工作狀態(tài)與性能，而對(duì)動(dòng)態(tài)特性的測(cè)量則很難實(shí)現(xiàn)。兩軸系陀螺儀組的動(dòng)態(tài)特性是一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，它用來(lái)描述陀螺儀組的中的各陀螺儀的性能與實(shí)際工作的動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)由計(jì)算機(jī)構(gòu)成的陀螺儀測(cè)試系統(tǒng)可以完成兩軸系陀螺儀組的靜態(tài)指標(biāo)、動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)的測(cè)試，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析給出質(zhì)量評(píng)價(jià)。

　　1 測(cè)試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

　　兩軸系陀螺儀測(cè)試系統(tǒng)由工控機(jī)作為中心主體，配以32路DI、DO 數(shù)字輸入、數(shù)字輸出卡和16位A/D 轉(zhuǎn)換卡，信號(hào)調(diào)理電路，電源等構(gòu)成，如圖1所示。

　　由于兩軸系陀螺儀組的控制信號(hào)和輸出信號(hào)電平均不符合DIO卡和A/D轉(zhuǎn)換卡的要求，需要加上信號(hào)調(diào)理電路完成DIO 卡和A/D 轉(zhuǎn)換卡和陀螺儀組的過(guò)渡和鏈接。信號(hào)調(diào)理電路由2部分組成，其一完成DIO控制轉(zhuǎn)換電路到陀螺儀組的控制輸入，其二將陀螺儀組的輸出轉(zhuǎn)換為符合計(jì)算機(jī)A/D 采集的要求信號(hào)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)從工控機(jī)上通過(guò)DIO 卡和信號(hào)調(diào)理電路發(fā)出對(duì)陀螺儀組的動(dòng)作控制信號(hào)，與經(jīng)過(guò)A/D卡采集陀螺儀組的輸出信號(hào)。由于采用16 位的高速A/D 轉(zhuǎn)換卡，保證了數(shù)據(jù)采集和分辨率與信號(hào)的速率、降低了采集相位誤差和失真。

　　2 測(cè)試系統(tǒng)軟件

　　測(cè)試系統(tǒng)軟件完成9類(lèi)18項(xiàng)檢測(cè)功能，采用模塊化設(shè)計(jì)。使用C++ Builder 6編程，底層DO,DI,A/D模塊使用DLL 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，充分使用Windows 的API功能，用Teechat 控件完成各種測(cè)試圖形顯示（見(jiàn)圖2）。按照測(cè)試功能分類(lèi)，對(duì)陀螺儀組的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定其該項(xiàng)指標(biāo)是否超限（并顯示指標(biāo)上、下限）。各種操作均有彈出向?qū)дf(shuō)明操作步驟和陀螺儀連接方法。由系統(tǒng)時(shí)鐘作為基礎(chǔ)時(shí)間切片，時(shí)鐘中斷作為掃描控制，對(duì)端口的狀態(tài)和測(cè)量進(jìn)程控制。

　　A/D采集模塊采用修改后的實(shí)時(shí)中值濾波算法，降低了噪聲影響，保證信號(hào)的可靠性。常用的中值濾波算法不能剔除粗大誤差和瞬時(shí)的脈沖干尖峰擾，經(jīng)過(guò)修改加上剔出粗大干擾的相移算法，其數(shù)學(xué)公式描述如式（1）所示：

　　式中：Vmax 是V 從i-n 到i+n 區(qū)間中的值，Vmin 是V 從i-n 到i+n 區(qū)間中的值。采用長(zhǎng)度為2 × n +1的環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，經(jīng)過(guò)第n 個(gè)采樣后，開(kāi)始濾波處理。對(duì)于Vi 的數(shù)據(jù)是中心對(duì)稱(chēng)，相位偏移，2 × n +1個(gè)數(shù)據(jù)中的和被剔除，剩余2 × n - 1 個(gè)數(shù)據(jù)累加后做平均。n 的取值和采樣速率有關(guān)，一般選在3~5.在較高采樣率的情況下，經(jīng)過(guò)濾波可以消除粗大和隨機(jī)尖峰脈沖干擾。采用中值濾波的優(yōu)點(diǎn)是能保證波形相位延遲，而又不會(huì)將有用的信號(hào)損失，從圖3~圖5中看出典型的濾波效果，圖5陀螺儀組自動(dòng)校正波形是比較特殊的脈沖類(lèi)型。

　　3 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

　　由于兩軸系陀螺儀組的特殊結(jié)構(gòu)，每個(gè)軸系方向都是由多個(gè)陀螺儀和控制單元組成，因而對(duì)兩軸系陀螺儀組特性測(cè)試，系統(tǒng)，測(cè)試軟件按照測(cè)試項(xiàng)目和流程，工控機(jī)的DO控制卡按照測(cè)試要求輸出控制狀態(tài)，經(jīng)調(diào)理電路中的DO 控制轉(zhuǎn)換電路變換為符合陀螺儀組的控制信號(hào)送到陀螺儀組，控制陀螺儀組進(jìn)入工作狀態(tài)。并按照測(cè)試要求通過(guò)DO 控制卡發(fā)出控制信號(hào)對(duì)陀螺儀組的輸出進(jìn)行切換、組合、分離為所需的信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)變換驅(qū)動(dòng)后送A/D轉(zhuǎn)換卡輸入端。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由測(cè)量程序按照設(shè)定的流程進(jìn)行處理和圖形顯示。

　　數(shù)據(jù)采集和控制時(shí)序由軟件定時(shí)器作為主控，其主要測(cè)試過(guò)程首先根據(jù)功能菜單的選擇測(cè)試項(xiàng)目，進(jìn)入測(cè)試功能模塊，計(jì)時(shí)器清零開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)單位為ms,計(jì)時(shí)長(zhǎng)度為180 s.按照測(cè)試要求計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令，通過(guò)DO模塊產(chǎn)生控制動(dòng)作，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路施加到陀螺儀組上，同時(shí)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)開(kāi)始按照測(cè)量順序開(kāi)始采集陀螺儀組的輸出信號(hào)。當(dāng)測(cè)量時(shí)間按照設(shè)定的測(cè)量時(shí)序執(zhí)行到新的控制指令時(shí)刻時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出新的動(dòng)作指令改變陀螺儀組的控制，繼續(xù)采集新?tīng)顟B(tài)下的輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)量時(shí)間完成后，定時(shí)模塊發(fā)出中斷，結(jié)束本次選項(xiàng)的測(cè)試。自動(dòng)查詢(xún)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)并和測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比對(duì)該項(xiàng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。在測(cè)量過(guò)程中由TeeChat 控件完成采集數(shù)據(jù)的圖形繪制。從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示功能。

　　4 測(cè)試應(yīng)用效果采用了圖形和數(shù)字面板的用戶(hù)界面，使得測(cè)試系統(tǒng)具有數(shù)字顯示和動(dòng)態(tài)圖形顯示功能，對(duì)兩軸系陀螺儀組的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能得到直觀(guān)明顯的描述，直接評(píng)價(jià)兩軸系陀螺儀組各項(xiàng)特性。

　　圖4 是測(cè)量陀兩軸系螺儀組的動(dòng)態(tài)工作的電流波形，它直接反映了兩軸系陀螺儀組與外圍附件的工作狀態(tài)的綜合特性，圖4反映出兩軸系陀螺儀組加載特性以及控制響應(yīng)時(shí)間特性。

　　圖5 是兩軸系陀螺儀組的差動(dòng)輸出波形，從圖形顯示出兩軸系陀螺儀組的差動(dòng)輸出輸出幅度、對(duì)稱(chēng)性和偏移大小?？梢苑奖銓?duì)兩軸系陀螺儀組的自身性能、穩(wěn)定性以及信號(hào)放大器輸出的綜合性能做出分析。當(dāng)對(duì)兩軸系陀螺儀組若施加某方向的擾動(dòng)時(shí)，圖形顯示出其響應(yīng)過(guò)程速度，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)和波形可以快速評(píng)價(jià)出兩軸系陀螺儀組的單項(xiàng)特性和綜合指標(biāo)。

　　自動(dòng)校正性能是兩軸系陀螺儀組的重要特征參數(shù)，圖6 是對(duì)兩軸系陀螺儀組進(jìn)行的自動(dòng)校正性能測(cè)試結(jié)果。兩軸系陀螺儀組在靜態(tài)工作過(guò)程中，測(cè)試其漂移和自動(dòng)校正，通過(guò)圖形顯示出校正動(dòng)作持續(xù)時(shí)間和校正間隔時(shí)間。在圖形顯示窗口上使用鼠標(biāo)選取坐標(biāo)后，測(cè)試程序則計(jì)算出的校正動(dòng)作持續(xù)時(shí)間和校正間隔時(shí)間。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　由工控機(jī)組成的兩軸系陀螺儀組測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試項(xiàng)目完整，高，操作簡(jiǎn)單?？梢酝瓿蓛奢S系陀螺儀組的單項(xiàng)特性和綜合指標(biāo)的測(cè)試?？焖僭u(píng)價(jià)兩軸系陀螺儀組的品質(zhì)參數(shù)以及陀螺儀組內(nèi)的部件特性，通過(guò)數(shù)字和圖形顯示判定出兩軸系陀螺儀組和部件的性能和故障。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用表明性能穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果可靠，可以真實(shí)地反映了兩軸系陀螺儀組靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。