基于PXI的高慣導姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

出處：傅軍1，胡柏青1，蘇雪峰2 發(fā)布于：2011-08-26 16:59:15

　　摘要：為了滿足慣導故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)實時高地采集慣導姿態(tài)數(shù)據(jù)的需要，研制了基于PXI總線的高慣導姿態(tài)數(shù)據(jù)采集卡。該數(shù)據(jù)采集卡能多塊卡同步對慣導航向、縱搖和橫搖數(shù)據(jù)進行采集。每塊卡對正余弦多極旋轉變壓器粗精通道信號進行同步A/D轉換后，利用軟件對A/D轉換后的數(shù)字量進行粗精組合，得到高的角度量供后續(xù)分析處理。介紹了采集卡PXI總線接口的硬件設計及雙通道多極旋轉變壓器粗精組合模糊位軟件消除方法。

　　慣性導航系統(tǒng)（INS，以下簡稱慣導）是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統(tǒng)。其工作環(huán)境不僅包括空中、地面，還可以在水下。慣導的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。

　　屬于一種推算導航方式．即從一已知點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運載體航向角和速度推算出其下一點的位置．因而可連續(xù)測出運動體的當前位置。慣性導航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個導航坐標系使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來測量運動體的加速度經(jīng)過對時間的積分得到速度，速度再經(jīng)過對時間的積分即可得到距離。慣性導航系統(tǒng)有如下主要優(yōu)點．（1）由于它是不依賴于任何外部信息．也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)．故隱蔽性好，也不受外界電磁干擾的影響；（2）可全天流、全時間地工作于空中、地球表面乃至水下．（3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導航信息連續(xù)性好而且噪聲低．（4）數(shù)據(jù)更新率高、短期和穩(wěn)定性好．其缺點是．（1）由于導航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時間而增大，長期差；（2）每次使用之前需要較長的初始對準時間；（3）設備的價格較昂貴；（4）不能給出時間信息

　　1 硬件設計

　　本采集卡用于對慣導航向、縱橫搖等導航參數(shù)進行連續(xù)采集。由于不同型號慣性導航系統(tǒng)所用旋轉變壓器的激磁和信號電壓不盡相同，采集卡的設計要求能對不同的激磁和信號電壓進行靈活配置。為了便于攜帶，研制的慣導故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)選用3 U高度的PXI機箱。PXI機箱可以為系統(tǒng)提供堅固的模塊化封裝，通常為4槽、6槽、8槽、14槽或18槽的3 U或6 U機箱(U(rack unit)是一種測量單位，用來描述安裝在機架上的設備的高度。1 U=44.45 mm(1.75英寸))。受慣導故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)選用的機箱3U高度的限制,本采集卡只能對一路粗精組合通道的旋轉變壓器信號進行采集，而慣導故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)要求同時進行航向、縱搖、橫搖模擬信號的采集，這樣要求多塊采集卡協(xié)同工作時能對不同通道的旋轉變壓器信號進行同步采集。采集卡硬件結構框圖如圖1所示。

　　1.1 PXI總線接口

　　面向儀器系統(tǒng)的PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)是一種由NI公司發(fā)布的堅固的基于PC的測量和自動化平臺。PXI結合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性發(fā)展成適合于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應用的機械、電氣和軟件規(guī)范。制訂PXI規(guī)范的目的是為了將臺式PC的性能價格比優(yōu)勢與PCI總線面向儀器領域的必要擴展完美地結合起來，形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。這使它成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺。

　　本采集卡選用符合PXI電氣性能要求的接口芯片PCI9030。PCI9030是PLX公司產(chǎn)品，其符合 PCI2.2 規(guī)范，3.3 V電壓，低功耗，176 引腳 PQFP封裝或180 引腳 BGA 封裝,本地總線可以設置為8位、16位、32位復用和非復用模式。PCI9030作為一種橋接芯片,具有PCI總線、EEPROM和本地總線3個接口，各部分的接口電路介紹如下：

　　(1)PCI9030與PCI總線的接口。在本采集卡中也即為與PXI總線的電氣接口。其信號包括：地址數(shù)據(jù)復用信號AD[31:0]、總線命令和字節(jié)使能信號C/BE[3:0]、奇偶校驗信號(PAR)、幀周期信號(FRAME#)、主設備準備好信號(IRDY#)、從設備準備好信號(TRDY#)、停止數(shù)據(jù)傳送信號(STOP#)、初始化設備選擇信號(IDSEL)、設備選擇信號(DEVSEL#)、數(shù)據(jù)奇偶校驗錯誤信號(PERR#)、系統(tǒng)錯誤信號(SERR#)、時鐘輸入信號(CLK)、復位信號(RST#)、中斷信號(INTA#)等。電路連接中，與總線上對應的引腳直接相連。

　　(2)PCI9030與EEPROM的接口。EEPROM選用NATIONAL公司的4 KB的低電壓串行存儲器NM93CS66L，用來存儲PCI9030的配置信息并在芯片復位時進行加載，從而使PCI板卡具有即插即用的功能。PCI9030有EESK、EEDO、EEDI和EECS 4根信號線用于與EEPROM的連接。

　　(3)PCI9030本地總線接口。PCI9030部分的信號與含有用戶接口邏輯的XC95144相連。在接口芯片的本地總線中，將MODE信號接地使用非復用模式。本地地址總線使用LA[9:2]，本地數(shù)據(jù)總線為16位，使用了LD[15:0]。另外還有LBE#字節(jié)使能信號，LW/R讀寫信號,READY#、ADS#信號等。

　　1.2 CPLD邏輯設計

　　XC95144完成由PCI9030本地總線接口與A/D模塊用戶總線之間的協(xié)議轉換。為了便于如圖2中A/D采集通道部分的模塊化設計，在XC95144與A/D轉換芯片之間又單獨定義了一個本地用戶總線。本地A/D模塊用戶總線的邏輯功能由1片專用XC9536來實現(xiàn)。單A/D轉換通道電原理圖如圖2所示。這樣1路A/D轉換芯片便需要配置1片XC9536邏輯控制芯片。雖然也可將XC9536所完成的邏輯功能與XC95144的邏輯功能合并到1片CPLD中，但是為了便于擴展和便于設計重用的考慮，還是將本地用戶總線的邏輯專門放到1片單獨的XC9536中。例如,當需要將采集卡高度改為6 U，并擴展多路A/D轉換通道時，即可方便地將擴展A/D通道掛在本地用戶總線上,而不必修改XC95144的程序。XC9536的主要功能是根據(jù)XC95144送到A/D模塊用戶總線上的控制命令完成勵磁電壓、信號電壓、以及A/D轉換通道的選擇。

　　1.3 旋轉變壓器信號的A/D轉換

　　目前對于正余弦旋轉變壓器信號的A/D轉換方法主要有峰值采樣、跟蹤式軸角轉換以及光電編碼軸角轉換三種,這三種方法各有其特點。基于峰值采樣的旋轉變壓器A/D轉換電路轉換不高，易受干擾，但價格低廉，對工作環(huán)境要求不高；基于光電編碼器的轉換電路轉換很高，但價格昂貴，對工作環(huán)境要求比較苛刻,要求與被測對象之間進行直接軸連接，使用不便；而基于跟蹤式軸角轉換的轉換電路轉換介于以上兩種電路之間，價格適中，抗干擾能力強，能夠適應惡劣的工作環(huán)境。因此本采集卡中采用716所生產(chǎn)的14XSZ-02系列跟蹤式軸角轉換模塊進行旋轉變壓器信號的A/D轉換。其主要性能指標為±4.5′，跟蹤速率27 r/s，階躍響應100 ms。

　　2 軟件設計

　　2.1 驅動程序設計

　　在板卡調試完成后，需要編寫驅動程序。驅動程序的開發(fā)工具較多，但是多數(shù)需要了解操作系統(tǒng)的工作機制，難度比較大。經(jīng)過比較，本文采用了Jungo公司的WinDriver進行驅動程序的開發(fā)。利用WinDriver不必熟悉操作系統(tǒng)的內核知識就可以快速開發(fā)出驅動程序。用WinDriver開發(fā)PCI設備驅動程序一般有兩種方法:(1)使用向導(Driver Wizard)。Driver Wizard能夠自動生成驅動程序的框架代碼，用戶只需修改代碼，加入定制的功能，再在用戶態(tài)執(zhí)行和調試代碼即可。(2)直接在應用程序中調用WinDriver的API函數(shù)。本采集卡采用種方法對驅動程序進行開發(fā)。

　　2.2 旋轉變壓器粗精組合模糊位消除

　　通常使用單通道旋轉變壓器來測量差角只能達到幾個角分。而船用慣性導航系統(tǒng)姿態(tài)測量則達到角秒級。多極旋轉變壓器的通?？勺龅?～30角秒，因而船用慣性導航系統(tǒng)中模擬發(fā)送部分通常使用多極旋轉變壓器進行姿態(tài)發(fā)送。由于進行A/D轉換時,粗、精兩通道是分別進行轉換的，而由于多極旋轉變壓器制造上的誤差，使得兩個通道的讀數(shù)不可能同步變化。如變速比為I=2M的多極旋轉變壓器，經(jīng)軸角轉換模塊轉換后，粗、精機各位輸出數(shù)碼的權系數(shù)具有如下關系：

　　理想情況下，粗、精讀數(shù)的重合位在F～J與A～E應完全相同。通常認為精機系統(tǒng)比粗機系統(tǒng)具有更好的，只要把粗機讀數(shù)的前M位和全部精機讀數(shù)依次排列輸出就可得到組合系統(tǒng)的讀數(shù)。但是粗、精兩通道是分別進行轉換的，因為制造上的誤差，兩個通道的讀數(shù)不可能同步變化,有時當精通道還沒轉完一整圈時，粗通道的第F位可能已提前向第K位進1，因組合讀數(shù)不取第F～J位，所以第K位多計1，造成了很大的正誤差。這種誤差稱為模糊誤差，它是這種類型組合系統(tǒng)中不可避免的現(xiàn)象。

　　為此，本設計采用余數(shù)比較法消除誤差。根據(jù)粗、精通道之間的相對誤差的大小來決定判斷有無模糊誤差所需重合位位數(shù)。當粗通道的誤差不大于精機一圈所代表的角度值的1/4時，如當多極旋轉變壓器的速比為16時,只要多極旋轉變壓器的粗通道的誤差控制在5°37.5′以內，即可用兩個重合位進行糾錯。這一點對多極旋轉變壓器的制造是很容易做到的。所以只需處理兩個重合位，即精機讀數(shù)的兩位(A、B)和與之對應的粗機讀數(shù)的第F、G位。下面分四種情況進行分析：

　　如果把精機一圈劃為4個象限，則AB=00表明精機的轉角不大于90°。與此相對應，粗機的FG=11表明從第F位開始到末位數(shù)字所代表的角度小于精機1圈的角度，而大于精機3/4，處在精機的第三象限。這樣粗精機之間讀數(shù)便產(chǎn)生了矛盾。既然精機位于象限，表明它剛剛轉過一整圈，如果粗、精通道同步的話，此時第K位應加1。但是FG=11表明第F位還沒有向第K位進位，第K位上則少計了一個1，這樣構成的組合數(shù)，因第K位少1，將產(chǎn)生11°15′的負誤差。為了糾正這一誤差，應在第K位加上1。

　　精機此時位于第四象限，而粗機已經(jīng)進入象限，第K位肯定多計了一個1，為糾正這一誤差，應在第K位減去1。

　　(3)當AB=01時

　　此時精機位于第二象限，因假定粗通道誤差不大于精機1圈的1/4,所以粗機只能位于或第三象限，在第K位上不會產(chǎn)生多1或少1的現(xiàn)象,因而無模糊誤差。

　　(4)當AB=10時，無模糊誤差。

　　采集卡軟硬件設計完成后對其性能進行了測試。測試平臺由NI公司PXI-1036六槽機箱和NI PXIe-8360控制器組成。經(jīng)測試表明，本文研究設計的基于PXI總線的高慣導數(shù)據(jù)采集卡驅動程序和硬件工作正常，A/D轉換速率和已經(jīng)達到了預期的功能和要求，現(xiàn)已應用于某型慣導故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)中。