多路三軸光纖陀螺自動化測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要 因三軸光纖陀螺的測試過程復(fù)雜、耗時長、測試效率低。提出了一種多路三軸光纖陀螺自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)方案。敘述了測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計思想并給出了完成自動化測試、軟件設(shè)計方法及組建方案。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三軸光纖陀螺測試全程自動化，節(jié)約了成本，提高了測試效率。
關(guān)鍵詞 光纖陀螺；自動化測試系統(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，能同時敏感空間3個正交方向的角速率。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。因而被廣泛應(yīng)用于空對空導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機、輪船等方面。在國內(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、測試過程又相對復(fù)雜，因此快速可靠、機動靈活、高效低費的自動化測試設(shè)備，對提高測試效率有著重要意義。本設(shè)計介紹了測試設(shè)備的硬件平臺的搭建、軟件測試流程的編寫；靈活運用LabWindows／CVI的消息傳遞機制和多線程技術(shù)，可以同時實現(xiàn)4套三軸光纖陀螺的自動化測試。

1 測試系統(tǒng)的設(shè)計要求與硬件組成
1．1 自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計要求
    (1)實現(xiàn)自動化。測試系統(tǒng)實現(xiàn)測試設(shè)備的自身檢測和產(chǎn)品檢測；其中，設(shè)備自動檢測包括設(shè)備的供電電壓檢測和自動通斷點檢測；產(chǎn)品檢測包括產(chǎn)品通斷電壓和電流的檢測。如果電壓電流超過正常范圍，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；自動進行各種環(huán)境實驗，實現(xiàn)所有的測試流程無人值守。
    (2)實現(xiàn)環(huán)境實驗。自動控制溫箱并且準(zhǔn)確實現(xiàn)老練前、老練中、老練后、溫循前、溫循中和溫循后等測試所需要的實驗環(huán)境。
    (3)實現(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)實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理及報表生成。實現(xiàn)對各路數(shù)據(jù)的自動處理，并顯示處理結(jié)果，生成相應(yīng)的報表。
1．2 自動化測試系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)
    三軸光纖陀螺在測試過程中，需要進行老練測試和溫循測試；通過ESPEC公司的溫箱模擬外部實驗環(huán)境。測試設(shè)備的硬件組成主要包括：供電系統(tǒng)、工控機、數(shù)據(jù)采集卡、信號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，主要負(fù)責(zé)整個測試過程的監(jiān)控，控制溫箱，控制陀螺通斷電，測試數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲，實現(xiàn)自動化控制等。
    (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)。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。
    (3)信號分離調(diào)理及通斷電控制箱，處理4套三軸光纖陀螺的輸出信號，實現(xiàn)各路產(chǎn)品通斷電的自動化控制。
    (4)ESPEC溫箱，接收工控機串口發(fā)來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 自動化測試程序設(shè)計實現(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轉(zhuǎn)換成計算機能處理的信號，然后輸入到計算機中；計算機通過軟件實現(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)計采用NI公司的LabWindows／CVI開發(fā)環(huán)境進行測試軟件設(shè)計。LabWindows／CVI是交互式C語言開發(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消息傳遞機制便于測試的自動化。另外，多線程技術(shù)用于實時多任務(wù)系統(tǒng)可以實現(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)在完成多個任務(wù)時，均勻地分配系統(tǒng)時間，使應(yīng)用程序獲得更快的響應(yīng)和最小的阻塞。
2．1 測試界面的設(shè)計實現(xiàn)
    系統(tǒng)測試軟件界面，如圖2所示。測試界面主要包括：4通道實時xyz三軸脈沖曲線、溫度曲線顯示模塊，xyz三軸實時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 測試流程實現(xiàn)
    主測試軟件流程如圖3所示。工控機需要與多個設(shè)備和板卡之間進行通信，產(chǎn)品測試前要確保各個模塊正常工作。因此，主測試軟件流程主要進行設(shè)備自身供電電壓檢測、產(chǎn)品電流檢測、溫箱工作狀態(tài)的檢測、通信參數(shù)的獲取、產(chǎn)品信息的獲取和存儲目錄的創(chuàng)建。測試的準(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。

    總測試線程如圖4所示，總測試線程包括：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)品測試線程、調(diào)用電流測試線程、調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊和設(shè)備的控制等。其中，產(chǎn)品測試線程主要是解析產(chǎn)品輸出的422數(shù)據(jù)幀，并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；電流測試線程主要是測試各個產(chǎn)品的工作電流。

2．3 程序模塊的實現(xiàn)
2．3．1 多線程多任務(wù)及自動化的實現(xiàn)
    測試軟件采用LabWindows／CVI的多線程技術(shù)，重新設(shè)置了線程池的屬性；實現(xiàn)了6個線程同時運行，合理地分配了系統(tǒng)資源，提高了測試效率，解決了同時測試4套三軸光纖陀螺的問題。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行。自動通斷電使用網(wǎng)口向通斷電控制箱發(fā)送通斷電指令。
    LabWindows／CVI提供消息傳遞機制，通過CallCtrlCallback函數(shù)調(diào)用指定控件的回調(diào)函數(shù)，從而達到預(yù)期的自動化處理功能。本設(shè)計在數(shù)據(jù)自動化處理方面，應(yīng)用了LabWindows／CVI的消息傳遞機制。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、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)報表。
2．3．2 四通道RS422數(shù)據(jù)幀自動解析模塊
    三軸光纖陀螺在測試階段輸出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個陀螺同時測試，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時且會丟失數(shù)據(jù)幀；設(shè)計采用擴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)的接收時間來處理上一組接收的數(shù)據(jù)；從而為數(shù)據(jù)的處理、存儲及顯示提供更多可以利用的時間，這是完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。實驗驗證了這種方法的處理效率，能滿足實時數(shù)據(jù)采集的要求。
2．3．3 實時數(shù)據(jù)顯示模塊
    在4個三軸光纖陀螺進行數(shù)據(jù)采集時，數(shù)據(jù)采集及實時顯示占用大部分的時間資源，這對實時數(shù)據(jù)采集是不利的。減少數(shù)據(jù)顯示占用的時間資源是首要解決的問題。軟件采用TAB選項卡來進行多通道數(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頁對應(yīng)通道的實時數(shù)據(jù)。具體實施步驟：(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頁對應(yīng)的數(shù)據(jù)。實際應(yīng)用證明這種方法能很好地解決實時數(shù)據(jù)顯示的問題。
2．3．4 溫箱控制模塊曲線實現(xiàn)
    溫箱采用ESPEC的溫箱，其運行方式有兩種：定值運行和程序運行。定值運行是設(shè)置一個溫度點，溫箱由當(dāng)前溫度按設(shè)置的參數(shù)向設(shè)置溫度跟進。程序運行是編寫溫度曲線，溫箱則按照溫度曲線運行。設(shè)計采用程序運行方式，用程序通過串口控制編寫溫箱程序。溫度曲線如圖5所示。

3 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)處理結(jié)果
    (1)實時采集的數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示，顯示了實時采集后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)可以同時采集4套三軸光纖陀螺。系統(tǒng)對陀螺工作電流的測試精度達到0．5mA。

4 結(jié)束語
    多路自動化測試系統(tǒng)是降低測試成本、提高測試準(zhǔn)確性和改善測效率的有效途徑。設(shè)計是針對三軸光纖陀螺測試流程復(fù)雜且耗時長的特點而開發(fā)的自動化測試系統(tǒng)。實時多任務(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。滿足自動化測試要求，并在某研究所得到了很好應(yīng)用，提高了測試效率。