多路三軸光纖陀螺自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 因三軸光纖陀螺的測(cè)試過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、測(cè)試效率低。提出了一種多路三軸光纖陀螺自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。敘述了測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)思想并給出了完成自動(dòng)化測(cè)試、軟件設(shè)計(jì)方法及組建方案。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三軸光纖陀螺測(cè)試全程自動(dòng)化，節(jié)約了成本，提高了測(cè)試效率。
關(guān)鍵詞 光纖陀螺；自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)；多通道；多線程

    三軸光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)的光學(xué)角速率傳感器，能同時(shí)敏感空間3個(gè)正交方向的角速率。具有靈敏度高、功耗小、精度高、體積小、質(zhì)量輕及成本低等優(yōu)點(diǎn)。因而被廣泛應(yīng)用于空對(duì)空導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機(jī)、輪船等方面。在國(guó)內(nèi)，三軸光纖陀螺的研究已成熟；但由于三軸光纖陀螺的產(chǎn)量多、測(cè)試過(guò)程又相對(duì)復(fù)雜，因此快速可靠、機(jī)動(dòng)靈活、高效低費(fèi)的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備，對(duì)提高測(cè)試效率有著重要意義。本設(shè)計(jì)介紹了測(cè)試設(shè)備的硬件平臺(tái)的搭建、軟件測(cè)試流程的編寫；靈活運(yùn)用LabWindows／CVI的消息傳遞機(jī)制和多線程技術(shù)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)4套三軸光纖陀螺的自動(dòng)化測(cè)試。

1 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與硬件組成
1．1 自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
    (1)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備的自身檢測(cè)和產(chǎn)品檢測(cè)；其中，設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)包括設(shè)備的供電電壓檢測(cè)和自動(dòng)通斷點(diǎn)檢測(cè)；產(chǎn)品檢測(cè)包括產(chǎn)品通斷電壓和電流的檢測(cè)。如果電壓電流超過(guò)正常范圍，則切斷相應(yīng)通道產(chǎn)品的電源，防止產(chǎn)品損壞，并記錄在案；自動(dòng)進(jìn)行各種環(huán)境實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)所有的測(cè)試流程無(wú)人值守。
    (2)實(shí)現(xiàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)。自動(dòng)控制溫箱并且準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)老練前、老練中、老練后、溫循前、溫循中和溫循后等測(cè)試所需要的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
    (3)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)采集?？梢栽O(shè)置PC與采集卡的通信協(xié)議、產(chǎn)品名、溫度因子等。能夠同步采集三軸光纖陀螺的422數(shù)據(jù)、電流和電壓；能夠?qū)嵅斤@示采集到x軸、y軸和z軸零偏數(shù)據(jù)、溫度、脈沖數(shù)和溫箱的工作狀態(tài)。
    (4)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理及報(bào)表生成。實(shí)現(xiàn)對(duì)各路數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，并顯示處理結(jié)果，生成相應(yīng)的報(bào)表。
1．2 自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
    三軸光纖陀螺在測(cè)試過(guò)程中，需要進(jìn)行老練測(cè)試和溫循測(cè)試；通過(guò)ESPEC公司的溫箱模擬外部實(shí)驗(yàn)環(huán)境。測(cè)試設(shè)備的硬件組成主要包括：供電系統(tǒng)、工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)分離及通斷電控制箱和溫箱等。
    系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    (1)工控機(jī)，主要負(fù)責(zé)整個(gè)測(cè)試過(guò)程的監(jiān)控，控制溫箱，控制陀螺通斷電，測(cè)試數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等。
    (2)數(shù)據(jù)采集部分，主要包括PCI數(shù)據(jù)采集控制卡和4串口Moxa卡(422信號(hào))。其中PCI數(shù)據(jù)采集控制卡采集電流和電壓，4串口Moxa卡傳輸三軸光纖陀螺產(chǎn)生的422信號(hào)。
    (3)信號(hào)分離調(diào)理及通斷電控制箱，處理4套三軸光纖陀螺的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各路產(chǎn)品通斷電的自動(dòng)化控制。
    (4)ESPEC溫箱，接收工控機(jī)串口發(fā)來(lái)的控制命令模擬所需的外部環(huán)境。
    (5)供電系統(tǒng)，提供設(shè)備所需要的各種電壓。

2 自動(dòng)化測(cè)試程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    虛擬儀器技術(shù)為數(shù)據(jù)采集提供了便利條件，主要由數(shù)據(jù)采集的硬件部分和數(shù)據(jù)分析處理的軟件部分組成。硬件部分將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的信號(hào)，然后輸入到計(jì)算機(jī)中；計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取及分析處理，并將處理結(jié)果反饋到用戶界面。設(shè)計(jì)采用NI公司的LabWindows／CVI開發(fā)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試軟件設(shè)計(jì)。LabWindows／CVI是交互式C語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境，不僅提供豐富的界面資源和各種控件，方便軟件開發(fā)者根據(jù)具體需要編輯用戶界面；而且，LabWindows／CVI消息傳遞機(jī)制便于測(cè)試的自動(dòng)化。另外，多線程技術(shù)用于實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的效率，便于系統(tǒng)資源的調(diào)度與數(shù)據(jù)傳輸?？梢允共僮飨到y(tǒng)在完成多個(gè)任務(wù)時(shí)，均勻地分配系統(tǒng)時(shí)間，使應(yīng)用程序獲得更快的響應(yīng)和最小的阻塞。
2．1 測(cè)試界面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)測(cè)試軟件界面，如圖2所示。測(cè)試界面主要包括：4通道實(shí)時(shí)xyz三軸脈沖曲線、溫度曲線顯示模塊，xyz三軸實(shí)時(shí)脈沖值溫度值顯示框，數(shù)據(jù)處理模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、各通道通信參數(shù)設(shè)置模塊、測(cè)試狀態(tài)顯示模塊；數(shù)據(jù)處理主要包括：曲線顯示模塊、處理數(shù)據(jù)顯示模塊、處理曲線選擇模塊等。

2．2 測(cè)試流程實(shí)現(xiàn)
    主測(cè)試軟件流程如圖3所示。工控機(jī)需要與多個(gè)設(shè)備和板卡之間進(jìn)行通信，產(chǎn)品測(cè)試前要確保各個(gè)模塊正常工作。因此，主測(cè)試軟件流程主要進(jìn)行設(shè)備自身供電電壓檢測(cè)、產(chǎn)品電流檢測(cè)、溫箱工作狀態(tài)的檢測(cè)、通信參數(shù)的獲取、產(chǎn)品信息的獲取和存儲(chǔ)目錄的創(chuàng)建。測(cè)試的準(zhǔn)備工作包括：溫箱通信端口初始化、Moxa串口卡初始化、PCI數(shù)據(jù)采集控制卡通信端口初始化。

    總測(cè)試線程如圖4所示，總測(cè)試線程包括：創(chuàng)建工作目錄及各通道的數(shù)據(jù)文件、分配各通道所需要的內(nèi)存資源、設(shè)置溫箱工作曲線、讀取溫箱狀態(tài)、調(diào)用產(chǎn)品測(cè)試線程、調(diào)用電流測(cè)試線程、調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊和設(shè)備的控制等。其中，產(chǎn)品測(cè)試線程主要是解析產(chǎn)品輸出的422數(shù)據(jù)幀，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；電流測(cè)試線程主要是測(cè)試各個(gè)產(chǎn)品的工作電流。

2．3 程序模塊的實(shí)現(xiàn)
2．3．1 多線程多任務(wù)及自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)
    測(cè)試軟件采用LabWindows／CVI的多線程技術(shù)，重新設(shè)置了線程池的屬性；實(shí)現(xiàn)了6個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行，合理地分配了系統(tǒng)資源，提高了測(cè)試效率，解決了同時(shí)測(cè)試4套三軸光纖陀螺的問(wèn)題。另外，在電流數(shù)據(jù)與422數(shù)據(jù)同步上可以采用線程之間的通信進(jìn)行。自動(dòng)通斷電使用網(wǎng)口向通斷電控制箱發(fā)送通斷電指令。
    LabWindows／CVI提供消息傳遞機(jī)制，通過(guò)CallCtrlCallback函數(shù)調(diào)用指定控件的回調(diào)函數(shù)，從而達(dá)到預(yù)期的自動(dòng)化處理功能。本設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理方面，應(yīng)用了LabWindows／CVI的消息傳遞機(jī)制。采集完成后，首先向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)處理消息，數(shù)據(jù)處理模塊接到消息后，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理功能；然后向存儲(chǔ)、打印模塊發(fā)送消息，模塊接到消息后，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表。
2．3．2 四通道RS422數(shù)據(jù)幀自動(dòng)解析模塊
    三軸光纖陀螺在測(cè)試階段輸出RS422數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀的格式如表1所示。數(shù)據(jù)幀包括幀頭(1 Byte)、陀螺x軸脈沖數(shù)(2 Byte)、陀螺y軸脈沖數(shù)(2 Bvte)、陀螺z軸脈沖數(shù)(2 Byte)、溫度(2 Byte)和溫度標(biāo)志位(1Byte)，數(shù)據(jù)幀每0．312 5 ms更新一次，其中溫度數(shù)據(jù)采用分時(shí)復(fù)用的方式，根據(jù)溫度標(biāo)志的不同溫度數(shù)據(jù)分別為x、y、z軸和電路板的溫度。

    由于最多可以4個(gè)陀螺同時(shí)測(cè)試，數(shù)據(jù)量為每秒12 800幀數(shù)據(jù)；采用961 200 bit·s-1的傳輸速率，接收幀數(shù)據(jù)然后處理并顯示很費(fèi)時(shí)且會(huì)丟失數(shù)據(jù)幀；設(shè)計(jì)采用擴(kuò)大串口的接收緩存的方式，把接收緩存的大小設(shè)為32 000，這樣可以利用下一組數(shù)據(jù)的接收時(shí)間來(lái)處理上一組接收的數(shù)據(jù)；從而為數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)及顯示提供更多可以利用的時(shí)間，這是完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的處理效率，能滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的要求。
2．3．3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊
    在4個(gè)三軸光纖陀螺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)顯示占用大部分的時(shí)間資源，這對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集是不利的。減少數(shù)據(jù)顯示占用的時(shí)間資源是首要解決的問(wèn)題。軟件采用TAB選項(xiàng)卡來(lái)進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)顯示，用專門的回電函數(shù)控制數(shù)據(jù)顯示，只顯示當(dāng)前處于激活狀態(tài)的子TAB頁(yè)對(duì)應(yīng)通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。具體實(shí)施步驟：(1)給TAB控件添加回調(diào)函數(shù)，重新顯示當(dāng)前TAB對(duì)應(yīng)通道產(chǎn)品已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)；(2)在數(shù)據(jù)采集線程中，只顯示處于激活狀態(tài)子TAB頁(yè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用證明這種方法能很好地解決實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示的問(wèn)題。
2．3．4 溫箱控制模塊曲線實(shí)現(xiàn)
    溫箱采用ESPEC的溫箱，其運(yùn)行方式有兩種：定值運(yùn)行和程序運(yùn)行。定值運(yùn)行是設(shè)置一個(gè)溫度點(diǎn)，溫箱由當(dāng)前溫度按設(shè)置的參數(shù)向設(shè)置溫度跟進(jìn)。程序運(yùn)行是編寫溫度曲線，溫箱則按照溫度曲線運(yùn)行。設(shè)計(jì)采用程序運(yùn)行方式，用程序通過(guò)串口控制編寫溫箱程序。溫度曲線如圖5所示。

3 測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)處理結(jié)果
    (1)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示，顯示了實(shí)時(shí)采集后x、y和z軸脈沖和溫度曲線。

    (2)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果如圖6右側(cè)所示，從上至下依次為x、y和z軸的零偏和零偏穩(wěn)定性。
    (3)系統(tǒng)可以同時(shí)采集4套三軸光纖陀螺。系統(tǒng)對(duì)陀螺工作電流的測(cè)試精度達(dá)到0．5mA。

4 結(jié)束語(yǔ)
    多路自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)是降低測(cè)試成本、提高測(cè)試準(zhǔn)確性和改善測(cè)效率的有效途徑。設(shè)計(jì)是針對(duì)三軸光纖陀螺測(cè)試流程復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)而開發(fā)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，使用LabWindows／CVI開發(fā)環(huán)境的多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高的效率，便于系統(tǒng)資源的調(diào)度與數(shù)據(jù)傳輸。滿足自動(dòng)化測(cè)試要求，并在某研究所得到了很好應(yīng)用，提高了測(cè)試效率。