基于LabView的陀螺加矩电路测试方法

王二伟，姜海峰，黄　钢，张艳霞，王　汀

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

基于LabView的陀螺加矩电路测试方法

王二伟，姜海峰，黄钢，张艳霞，王汀

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

介绍了惯性平台系统陀螺加矩电路工作原理和基于NI公司LabView平台开发测试系统方法。充分利用LabView软件平台在自动化测试领域的优势，结合具有可编程FPGA板卡和7位半万用表板卡，针对陀螺加矩电路设计了自动化陀螺加矩电路数字并行总线控制、粗加矩电路功能测试和精加矩恒流输出稳定性测试方案，并通过实验验证了以上方案的正确性和有效性，提高了陀螺加矩电路板测试效率。

惯性平台；陀螺加矩；自动测试；LabView

0 引言

惯性平台加矩电路主要用于惯性平台系统地面模拟导航、自标和自瞄时陀螺加矩，其自身精度和可靠性影响整个平台系统导航精度［1-2］。为了进一步提高加矩电路输出精度需对该电路多项参数进行补偿，且随着惯性平台系统需求量的提升，要求各电路生产、测试有较高的效率。传统陀螺加矩电路测试多用分散通用设备搭建测试设备，该方法无法完成单板自动化测试，无法实现电流输出温度补偿参数测试、电路零偏补偿参数测试等功能，且存在较大人为测试风险，直接影响生产效率。

针对以上现象和陀螺加矩电路测试项目，本文设计基于LabView的惯性平台加矩电路自动化测试方法，完成了陀螺加矩电路数字并行总线控制、粗加矩电路测试、精加矩恒流输出稳定性测试等，同时完成了陀螺粗精加矩功率电路零位偏移量测试及加矩量程连续变化线性度测试，为加矩电路参数精度补偿提供了有效测试数据。经过大量试验和测试数据分析，证明本方法可实现陀螺加矩电路功能和性能自动化测试要求。

1 陀螺加矩功能接口

陀螺加矩电路主要功能为数字并行总线读写、粗加矩电流输出和精加矩电流输出。加矩电路中，数字并行总线主要负责接收主控CPU控制指令，完成地址和数据译码，控制陀螺粗精加矩电流调制占空比输出。陀螺粗精加矩电路输出端口需连接陀螺力矩器，故该电路测试需连接模拟负载电阻，通过测试电阻两端电压计算其输出电流，陀螺加矩电路功能图如图1所示。

图1　陀螺加矩电路功能图Fig.1 Structure of gyroscope-torquing circuit

2 测试系统方案设计

2.1测试系统硬件平台

陀螺加矩电路为陀螺力矩器提供精准加矩电流，设计测试系统不仅要考虑陀螺加矩电路功能测试，还需考虑电路精度和稳定性测试。为了满足以上测试项目，同时缩短开发周期，被测试方案选择NI公司生产的测试平台［3］，该公司在国际测试测量领域有较高威望，可提供稳定测试硬件平台，且满足精度测试要求。

根据陀螺加矩电路测试项目需求，本设计选择NI公司PXI-7852R/FPGA板卡，该板卡内置Virtex5系列FPGA芯片，外围配置多路数字和模拟I/O端口，经二次开发可实现数字并行总线接口通信，完成对被测对象总线控制。

陀螺加矩电流测试为精度测试，为满足测试项目本设计选用PXI-4071万用表板卡，该板卡达到7/1电压测试精度，可实现对采样电阻长时间高精度电压采集和存储。测试系统硬件平台示意图如图2所示。

图2　测试系统硬件平台示意图Fig.2 Hardware of test system

2.2数字并行总线设计

陀螺加矩电路与主控CPU数据交互使用数字并行总线，该总线包括10位地址、8位数据、读写控制和数据请求信号，并行总线完成一次通信周期约400ns，完成以上总线操作需使用FPGA板卡按照约定时序模拟数字并行总线。FPGA板卡操作有两种方式:一种是使用LabView语言编译生成逻辑代码；另外一种是使用VHDL语言编写功能软件，经过IP导入到VI中生成可下载逻辑代码。本设计中选择后者，在ISE环境下使用VHDL语言编写数字并行总线，将生成的IP导入LabView环境下，再将输入、输出端口映射到FPGA板卡端口［4］。FPGA硬件端口连接关系如图3所示。

图3　FPGA端口连接图Fig.3 Connection of FPGA hardware

2.3数据采集系统设计

数据采集系统的功能是对陀螺加矩电路输出的加矩电流进行采集。陀螺加矩电路输出包括粗加矩输出和精加矩输出，粗加矩输出电流为可调制占空比电压输出，输出端连陀螺力矩器，为达到测试电流需端接负载电阻，按最大正向输出电流约110mA计算负载电阻，使用PXI-4071测试负载电阻两端电压值，计算不同占空比控制时的电流值。

精加矩输出电路要求测量系统电压测量不小于1×10-5稳定性，故选用7/1精度的PXI-4071万用表板卡，满足精度使用要求。精加矩电路输出不仅需要测试功能，还需长时间测试恒流源输出电流稳定性，并对测试结果进行统计计算，最终判定精加矩电路工作性能。

LabView软件平台带有多种数据存储方式，本设计对采集数据保存为TDMS文件，可完成多通道、长时间、大数据量采集数据存储。

3 LabView测试软件设计

3.1FPGA软件设计

本文在LabView环境下使用VHDL语言生成IP核方式完成并行总线读写操作，其中VHDL语言主要完成数字并行总线时序编写。陀螺加矩电路数字并行总线通信时序约束较高为ns级，本文使用FPGA板载时钟40MHz的5倍频时钟作为全局时钟，单时钟周期为5ns，满足目前总线时序要求。内部同时完成数据同步，通过外部中断接收待执行数据，然后使用状态机方式模拟并行总线［5］。其状态关系转移图如图4所示，仿真结果如图5所示。

图4　并行总线读写状态转移图Fig.4 State machine of parallel bus

图5　并行总线仿真结果Fig.5 Simulation of parallel bus

3.2LabView交互软件设计

本文使用NI公司虚拟仪器LabView软件开发平台，所谓虚拟仪器与传统仪器一样，均由数据采集与控制、数据分析预处理及结果显示与存储三部分组成，在虚拟仪器系统中，硬件来处理信号的输入、输出，软件是整个测试仪器系统的关键。

本文中使用FPGA板卡为实时系统，与其他非实时系统板卡差异性较大，其设计及到自身程序独立运行，且通过LabView上层管理可达到测试、测量的目的。本文对数字总线控制在FPGA内部实现，其控制数据和指令通过上位机下发，如图6所示上位机控制FPGA板卡程序，在软件前面板输入地址、数据和控制读、写指令，软件自动将这些参数经过PXI总线下发至FPGA板卡，板卡内部完成数据同步和指令解码等操作，最终这些参数通过数字并行总线传输至陀螺加矩电路板［6-7］。

图6　FPGA上位机程序框图Fig.6 Program structure of FPGA on host machine

本设计中对陀螺加矩电路输出测量使用高集成DMM板卡，PXI-4071为高精度数字万用表，LabView软件开发平台涵盖其所有驱动模块，在软件开发阶段只需配置仪器板卡驱动程序参数就可以完成电压、电流和电阻等电参数测量，如图7所示对DMM测试类型、量程范围、精度范围等常用参数连接至前面板进行控制的同时，前面板显示测量结果，且保存测试结果。考虑本设计中数据量较大，但存储速度不高的特点，选用TDMS文件存储测试数据，且对存储数据关联时间戳。为了方便软件操作人员使用和后期测试数据分析，设计简化控制、显示面板如图8所示。

图7　数据采集与存储程序框图Fig.7 Program structure of data getting and saving

图8　软件控制、显示前面板Fig.8 GUI of the program

4 测试实验结果

4.1并行总线测试结果

实现陀螺加矩电路测试的关键是要模拟产生数字并行总线，本设计使用FPGA板卡实现数字并行总线，并使用该板卡专用转接盒引线与陀螺加矩电路板接口连接。

图9　并行总线测试结果Fig.9 Test result of parallel bus

如图9所示，使用示波器对FPGA板卡模拟陀螺加矩电路数字并行总线时序结果进行测试，其中包括地址、数据、读写和请求信号，经测量满足总线时序使用要求。

4.2陀螺加矩输出测试结果

陀螺加矩电路粗加矩部分测试要求测量正满加矩、负满加矩、零加矩、负半加矩和正半加矩五种状态，测试人员通过控制软件面板参数改变加矩输出量，同时测量输出负载电阻通过电流，粗加矩测试结果如表1所示。根据测试结果可得出粗加矩零位输出偏移量，可为加矩电路粗加矩零位偏移补偿提供参数，且可根据需要增加粗加矩测试项目，分析粗加矩输出电路电流输出线性度，为进一步提高加矩精度提供有效测量参数。

表1　粗加矩输出电路测试结果Table 1 Test result of rough torquing output circuit

本设计实现了精加矩电路功能测试和精加矩恒流源输出稳定性测试。精加矩电路测试需外接10Ω精密电阻，通过测量电阻两端电压计算精加矩输出电流。功能测试主要完成精加矩不同占空比时输出电流值，稳定性测试需要对恒流源满量程输出电流长时间采样，统计测量值方差。精加矩X路长时间测试结果如图10所示。

图10　精加矩输出测试结果Fig.10 Test result of precise torquing

5 结论

本文使用LabView软件平台和PXI总线板卡完成了陀螺加矩电路功能测试和性能测试，其测试项目和测试精度满足加矩电路测试需求；本文同时完成了粗精加矩电路加矩量连续切换测试，为后续加矩电路电流线性度补偿提供有效数据；该测试方法提高了电路自动化测试水平，将电路功能测试从几小时缩短为几分钟，有效提高测试、生产效率。后续将在该系统上扩展精加矩电路电流输出与恒流源温度关系测试，提供精加矩温度补偿参数，为进一步提高精加矩电流输出精度提供有效数据。

［1］陆元九.惯性器件［M］.北京:中国宇航出版社，1990. LU Yuan-jiu.Inertial device［M］.Beijing:China Aerospace Press，1990.

［2］邓益元.静压液浮陀螺平台系统［M］.北京:中国宇航出版社，2012. DENG Yi-yuan.Hydrostatic liquid-bearing gyro stabilized platform［M］.Beijing:China Aerospace Press，2012.

［3］陈树学.LabView宝典［M］.北京:电子工业出版社，2011. CHEN Shu-xue.LabView collection［M］.Beijing:Electronics Industry Press，2011.

［4］马建国.FPGA现代数字系统设计［M］.北京:清华大学出版社，2010. MA Jian-guo.Modern digital system design of FPGA［M］. Beijing:Tsinghua University Press，2010.

［5］田耘.Xilinx FPGA开发实用教程［M］.北京:清华大学出版社，2008. TIAN Yun.Xilinx FPGA developing practical course［M］. Beijing:Tsinghua University Press，2008.

［6］任爱峰.基于FPGA的嵌入式系统设计［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2005. REN Ai-feng.Embedded system design based on FPGA［M］.Xi'an:Xidian University Press，2005.

［7］白云.基于LabView的数据采集与处理技术［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2009. BAI Yun.Data collection and processing technology［M］. Xi'an:Xidian University Press，2009.

Method on Gyroscope-torquing Circuit Test Based on LabView

WANG Er-wei，JIANG Hai-feng，HUANG Gang，ZHANG Yan-xia，WANG Ting
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

This paper described working principle of gyroscope-torquing circuit used on platform inertial navigation system（PINS）and introduced a method on designing test system based on LabView，a software belongs to NI company.This paper took full advantage of LabView which is good at automatic test to design a test method of gyroscope-torquing circuit，including operation of parallel bus，function of cursory torquing and performance of precise torquing.In the process of test，FPGA and multimeter on PXI boards were used，which are compatible with LabView.By experiments，it is concluded that the method is correct and improved the efficiency of gyroscope-torquing circuit test at the same time.

platform inertial navigation system；gyroscope torquing；automatic test；LabView

U666.1

A

1674-5558（2016）05-01153

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.05.018

王二伟，男，助理工程师，研究方向为惯性平台电路设计。

2015-07-08