摘 要： 為了滿足慣導故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)實時高精度地采集慣導姿態(tài)數據的需要，研制了基于PXI總線的高精度慣導姿態(tài)數據采集卡。該數據采集卡能多塊卡同步對慣導航向、縱搖和橫搖數據進行采集。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轉換后的數字量進行粗精組合，得到高精度的角度量供后續(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。
關鍵詞： 慣性導航系統(tǒng)； PXI總線； 多極旋轉變壓器； PCI9030
慣性導航系統(tǒng)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)。它能夠為艦船航海、武備等部門連續(xù)地提供艦船的經緯度、航向、縱橫搖以及航速等多種導航參數。在保證艦船航行安全的同時，慣性導航系統(tǒng)也是武器系統(tǒng)的重要組成部分[1]。在研制的慣導故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)中，要求測試計算的參數較多、測試過程復雜、較高的可靠性、良好的維護性、體積小、操作簡單等；同時，為了保證精度，慣導航向、縱橫搖信息的發(fā)送通常利用三路正余弦多極旋轉變壓器分別進行航向、縱搖、橫搖模擬信號發(fā)送。所研制的慣導故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)需要對慣導以模擬信號輸出的航向、縱橫搖等導航參數進行連續(xù)記錄和分析。為此，本文采用基于PXI總線架構進行系統(tǒng)設計，其高精度慣導數據采集卡可對正余弦多極旋轉變壓器粗精通道信號同步進行A/D轉換，然后利用軟件對A/D轉換后的數字量進行粗精組合，得到高精度的角度量供后續(xù)分析處理。
1 硬件設計
本采集卡用于對慣導航向、縱橫搖等導航參數進行連續(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，并增加了專門的同步總線和主要軟件特性,使PXI成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺[2]。但是PXI總線協(xié)議十分復雜，其接口的實現比ISA困難得多，直接為它設計相匹配的數字邏輯控制電路難度較大。PXI總線的電氣規(guī)范大部分與PCI相同，只是增加了一些儀器特性?；谝陨峡紤]，本采集卡選用PCI接口芯片來實現。
本采集卡選用符合PXI電氣性能要求的接口芯片PCI9030[3]。PCI9030是PLX公司產品，其符合 PCI2.2 規(guī)范，3.3 V核心電壓，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：地址數據復用信號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#)、停止數據傳送信號(STOP#)、初始化設備選擇信號(IDSEL)、設備選擇信號(DEVSEL#)、數據奇偶校驗錯誤報告信號(PERR#)、系統(tǒng)錯誤報告信號(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]，本地數據總線為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。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?；诜逯挡蓸拥男D變壓器A/D轉換電路轉換精度不高，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精度很高，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精度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。其主要性能指標為精度±4.5′，跟蹤速率27 r/s，階躍響應100 ms[4]。
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，但是多數需要了解操作系統(tǒng)的核心工作機制，難度比較大。經過比較，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。本采集卡采用第一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精度只能達到幾個角分。而船用慣性導航系統(tǒng)姿態(tài)測量精度則達到角秒級。多極旋轉變壓器的精度通?？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不可能同步變化[5]。如變速比為I=2M的多極旋轉變壓器，經軸角轉換模塊轉換后，粗、精機各位輸出數碼的權系數具有如下關系：
理想情況下，粗、精讀數的重合位在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)具有更好的精度，只要把粗機讀數的前M位和全部精機讀數依次排列輸出就可得到組合系統(tǒng)的讀數。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)中不可避免的現象。
為此，本設計采用余數比較法消除誤差。根據粗、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。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，即精機讀數的最高兩位(A、B)和與之對應的粗機讀數的第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位開始到最末位數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便產生了矛盾。既然精機位于第一象限，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，因第K位少1，將產生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，而粗機已經進入第一象限，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,所以粗機只能位于第一或第三象限，在第K位上不會產生多1或少1的現象,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。經測試表明，本文研究設計的基于PXI總線的高精度慣導數據采集卡驅動程序和硬件工作正常，A/D轉換速率和精度已經達到了預期的功能和精度要求，現已應用于某型慣導故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)中。
參考文獻
[1] 周永余，許江寧，高敬東. 艦船導航系統(tǒng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2006：19-35.
[2] 張重雄. 虛擬儀器技術分析與設計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007：33-39.
[3] PLX Technology Inc. PCI 9030 data book[Z]. 2002.
[4] 中船重工集團公司第七一六研究所. 2005產品數據手冊[Z]. 2005.
[5] 談振藩，周洪宇，袁贛南. 導航系統(tǒng)信息轉換[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1992:56-62.
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