基于PC/104工控機(jī)的嵌入式光纖陀螺變形測(cè)量

摘要：光纖陀螺儀是一種新型角速度敏感元件，本文詳細(xì)介紹了光纖陀螺和以pc/104作平臺(tái)的嵌入式光纖陀螺形變測(cè)量系統(tǒng)的工作原理,并給出了系統(tǒng)的硬件組成及軟件設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：光纖陀螺；pc/104；形變測(cè)量 一、概述 光纖陀螺儀是一種基于光學(xué)sagnac干涉效應(yīng)的新型角速度敏感元件，可測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的角速度。將光纖陀螺的測(cè)量裝置沿被測(cè)曲線或曲面運(yùn)動(dòng)，記錄其角速度變化值，可測(cè)得該裝置行駛的軌跡，繼而得到被測(cè)對(duì)象的表面曲線。由于該測(cè)量方法只需要架設(shè)測(cè)量軌道，基準(zhǔn)點(diǎn)容易確定（以起點(diǎn)為基準(zhǔn)），能夠連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間、反復(fù)測(cè)量并保證較高的測(cè)量精度，所以這是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型測(cè)量方法。但實(shí)際工程多半是室外作業(yè)，被測(cè)對(duì)象離監(jiān)控室往往幾十、上百公里，而且環(huán)境惡劣，尤其是水下工程，無(wú)法用電纜來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以需要將光纖陀螺密封在一個(gè)“黑箱”中，要求其能夠自給電源并完成自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄和存儲(chǔ)任務(wù)。而嵌入式pc在惡劣環(huán)境下（比如高溫、潮濕和震動(dòng)等）能長(zhǎng)期可靠工作，所以利用嵌入式pc/104作為平臺(tái)，采用模式化設(shè)計(jì)能得到光纖陀螺變形測(cè)量系統(tǒng)的最佳方案。pc/104是嵌入式pc的機(jī)械電氣標(biāo)準(zhǔn)，它秉承了ibm-pc開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，完全與pc/at機(jī)兼容，并且具有超小尺寸、超低功耗、抗干擾、抗惡劣環(huán)境好、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。它采用緊湊的自棧式、模塊化結(jié)構(gòu)，軟件采用模塊化語(yǔ)言（如c、c++）和面向?qū)ο蟮木幊谭椒āＵ麄€(gè)嵌入式pc體系結(jié)構(gòu)可以作為一個(gè)超級(jí)芯片，具有所有主板功能及ram和bios，無(wú)須擔(dān)心pc-bios修改。pc/104cpu模塊還具備“固態(tài)盤(pán)”，不必?fù)?dān)心程序的“固化”問(wèn)題。采用pc/104作光纖陀螺測(cè)量控制平臺(tái)能使控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大，軟件編程容易、系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)方便。二、系統(tǒng)組成與工作原理 本文主要是針對(duì)嵌入式光纖陀螺形變測(cè)量系統(tǒng)的專用化、靈活性而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)以pc/104為控制中心，配有控制邏輯電路、電子硬盤(pán)、液晶顯示器和存儲(chǔ)芯片，可以完成光纖陀螺牽引速度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)角速度顯示、啟動(dòng)/停止控制。外接顯示器和打印機(jī)可顯示或打印被測(cè)形變曲線。其主要組成原理如圖1所示。1、pc/104系統(tǒng)第一塊pc/104誕生于1987年，但嚴(yán)格意義的規(guī)范說(shuō)明在1992年才公布。pc/104是一種專門(mén)為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，而ieee-p996是pc和pc/at工業(yè)總線規(guī)范，ieee協(xié)會(huì)將它定義為ieee-p996.1，因此，pc/104實(shí)質(zhì)上就是一種緊湊型的ieee-p996。其信號(hào)定義和pc/at基本一致，但電氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主控中心采用486dx級(jí)別的s104/dx-440主機(jī)板，與普通pc/at計(jì)算機(jī)完全兼容，具有下列特點(diǎn)：（1）采用低功耗486cpu，并可通過(guò)跳線調(diào)節(jié)cpu的頻率。（2）顯示內(nèi)存由512k增強(qiáng)至1m，進(jìn)一步豐富了圖形顯示功能。（3）同時(shí)提供crt/lcd顯示接口，可支持各種顯示屏。（4）提供一個(gè)在板doc（disk on chip）插座，可支持8m～144m的doc。（5）主板支持2個(gè)串行口。com1為標(biāo)準(zhǔn)的rs-232接口；com2則可在rs232、ttl電平、rs485之間三選一。（6）dx-440主板上有1個(gè)并行口，為標(biāo)準(zhǔn)的lpt雙向打印口。2、鍵盤(pán)與顯示 通過(guò)pc/104主模塊標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)接口連接小鍵盤(pán)，用于對(duì)光纖陀螺的牽引速度進(jìn)行查閱、控制和調(diào)節(jié)。 顯示部分可以采用液晶顯示模塊配pc/104顯示接口，通過(guò)軟件編程顯示光纖陀螺的測(cè)量角速度和被測(cè)物體變形曲線。 3、光纖陀螺形變測(cè)量原理放置在測(cè)量系統(tǒng)中的光纖陀螺儀是對(duì)角速度敏感的傳感器，當(dāng)裝載有光纖陀螺儀的測(cè)量裝置緊貼被測(cè)物體的表面行進(jìn)時(shí)，就可以測(cè)得裝置運(yùn)行的軌跡，繼而得到被測(cè)物體表面的形變。如圖2，假定光纖陀螺沿圖中一維曲線運(yùn)行，在i時(shí)刻運(yùn)行到（xi,yi）點(diǎn)，已知陀螺的線速度為vi，光纖陀螺的角速度為ω，當(dāng)測(cè)量時(shí)間間隔足夠小時(shí)，i+1點(diǎn)的坐標(biāo)