光纤陀螺多通道并行自动测试工艺技术

李梅娟，马 瑞，时东海

（北京航天时代光电科技有限公司，北京100094）

0 引言

随着光纤陀螺应用的逐步推广，产品的需求量正在稳步增长，一些型号已经进入批产阶段。如何提高产品的生产效率，适应批产需求，就成为急需解决的问题。在陀螺仪生产工序中，测试是一个耗时较长的过程。目前对批量生产的陀螺仪，测试的相关工艺技术仍缺少可以借鉴的成熟技术。因此，要立足自主研究，积极探索、创新陀螺测试工艺，减少测试时间，提高生产效率，为批产顺利进行提供有力的技术支持。

本文针对光纤陀螺测试工艺过程及其体积小的特点，提出多通道并行自动测试方法。通过开发自动化测试软件、设计测试工装、测试电路等硬件系统，可快速提高测试效率，减少测试时间。

1 总体设计

光纤陀螺多通道自动测试技术是指通过设计多陀螺并行测试的软硬件系统，依据陀螺仪产品实际测试工艺流程，研究能在转台上一键式触发、同时自动测试8只光纤陀螺，且能自动分析处理测试数据、自动生成测试报告的测试工艺技术。

1.1 测试内容

单光纤陀螺测试系统图如图1所示。其中，1为转台下测试电缆，2为转台上转接电缆。电源及测试电路均在转台外面，测试软件通过232⁃USB转接线获取测试数据。

光纤陀螺在转台上的测试，主要包括角速率试验和 “地西南”位置测试。其中，角速率试验和位置测试各进行6遍。试验时将光纤陀螺安装在测试工装内，测试系统连接好后，光纤陀螺通电开始测试。静态测试完成后，再进行速率测试。

角速率试验的目的是测试常温及高、低温下光纤陀螺指标。角速率试验需进行6遍常温角速率试验，在0℃、 ＋15℃、 ＋30℃、 ＋40℃、 ＋50℃、＋60℃各进行1遍速率和位置试验。光纤陀螺的测试过程中共涉及12次转速率，速率试验需要转26个速率点。

由位置试验和角速率试验过程可以看出，测试过程要经过多个轮次的高、低温循环，转速率试验也十分耗时。在产品研制阶段采用的一个工装安装一个光纤陀螺，即在温箱内采用单套测试设备的方式，试验时间长，效率低。

1.2 多通道并行自动测试方案

根据对光纤陀螺测试流程和测试过程中存在问题的研究分析，采用多套并行的自动化测试方案，对测试系统进行重新设计和配置，采用在转台上同时安装8只光纤陀螺进行测试的方案，如图2所示。在设计测试工装时，考虑转台尺寸有限、安装产品多、便于光纤陀螺安装盒拆卸操作，设计时采用花瓣形内外两层结构方案，外层用来安装固定8只光纤陀螺，内层用来安装固定测试电路和二次电源模块。

2 系统硬件设计

测试系统的硬件主要包括工装、测试电路、供电电源、测试电缆和测试工装。测试电路由采集1路陀螺数据变为并行采集8路陀螺数据，需要对电路进行重新设计；为了使系统稳定可靠，将供电模式由一次电源供电改为二次电源供电；测试工装设计为圆形，使其在做速率试验时所受向心力相同。

2.1 工装设计

转台尺寸有限，承重有限，为实现8只陀螺仪并行测试，设计工装时兼顾结构的强度和质量，既要保证陀螺仪安装测试的安全性，又不能超过转台的承载能力。因此，工装设计为两层，以增加有效使用的面积，上层用来安装固定8只光纤陀螺仪，如图1所示；下层用来固定测试电路、供电电源、并有走线设计，如图3所示。将陀螺仪、电源和测试电路都安装在测试工装中，优点在于避免将电源放置在转台下面而使用长距离的电缆，测试电路和二次电源模块距离很近，电信号经过路径短，可以减少电磁干扰。工装设计了6个安装孔，其中一个为定位孔，公差要求更为严格，完全模拟了陀螺仪在惯组应用中的实际安装情况。

2.2 电气设计

相对原有单套产品的测试系统，由于测试系统电气接口的变化，需要重新设计测试电缆，使1套电缆满足8只陀螺仪的并行测试要求。为提高电连接器的使用效率和插拔操作的可靠性，要重新选择电连接器。

测试系统电气连接如图4所示。其中，a为RS422转接线，b为转台下转接电缆，电缆b与转台配套的电连接器型号为JY27467⁃T23B32PN和JY27467T23B34SN，与一次电源配套的电连接器为DB25针，与RS422配套的电连接器是DB9插头；c为转台上转接电缆（两种插头两种电缆），电缆c与转台配套的电连接器是JY27467T23B32PN和JY27467T23B34SN，目的是专缆专用，使其明显地区别于其他电缆，防止电缆的误接错用。工装上电缆接口设计为DB25针和DB25孔，防止电缆插错引起陀螺仪芯片烧坏。电缆线均采用屏蔽线以避免信号线的电磁干扰，另外考虑测试电缆上的压降对陀螺仪内电路板的影响，采用多点多线，布线长度尽量短。

在单陀螺仪测试系统中，测试电源放置于转台下面，通过滑环给陀螺仪供电。为缩短陀螺仪到电源之间的距离，测试电路需要安装在离电源模块和陀螺仪都比较近的位置上。因此，需要在工装上设计测试电路板、二次电源的安装位置。根据测试系统的配置、电源模块和测试电路的外形尺寸，将测试电路、电源模块安装在测试工装的背面。电路板的安装方式占用空间小，有利于测试工装整体尺寸的控制。

测试盒的核心是高速数据采集单元，高速数据采集单元通过RS232接口实现与陀螺仪通信，高速数据采集单元采用基于ARM＋FPGA的高性能嵌入式系统。

为实现整个数据采集单元的实时性以及应用任务的方便编写，数据采集单元采用嵌入式实时操作系统（RTOS）。RTOS有效保证了系统对相应事件处理的实时性，并且对应用任务提供了统一的任务扩展、调度接口函数，以方便应用任务的开发及调试。数据采集单元采用FPGA技术实现各种接口协议，并实现对各种通信数据的硬件时标，如图5所示。

3 测试软件设计

本测试系统采用Microsoft Visual Studio开发测试软件，软件具有转台控制、数据采集、数据处理、判断的功能。设计充分考虑测试过程中容易出错的部分，在软件中增加自动建立文件夹、数据实时保存功能；为减少数据处理的复杂步骤，在软件中增加数据自动处理、判断的功能。为使软件能兼容不同型号陀螺仪的自动化测试，在软件中增加模式设置（用于固定不同型号的速率点），增加Matlab服务器动态链接（用于变换不同型号的数据处理程序）。在菜单栏中设计有速率标定和开始两种模式的测试方式，速率标定用于速率试验的自动化测试，开始按钮用于零位、温度循环、老炼等不需要控制设备的测试。软件设计中还设有转台速度显示窗口，测试开始时间和结束时间，Matlab命令输入窗口等。同时，软件还可以根据测试陀螺仪的个数变换窗口显示的数量。

测试软件的运行流程如图6所示，以常温速率试验为例，启动测试软件后，选择转台型号，选择产品型号，填写产品编号并选择串口号，程序将自动判断一只或多只的测试模式；自动建立数据保存路径与名称，接收数据串口、控制设备串口、读取面板上的控件参数，向转台发送命令，若转台稳定，检查数据接收标志，进行数据的读取、翻译、显示，测试完成后进行数据的处理、判断并生成测试报告。测试软件的工作界面如图7所示，包括8通道测试数据显示区、输出数据区、菜单设置区。

测试软件收到的数据是从测试电路中发送出来的422串口信号，其发送周期为100ms/帧，32位数据位，采取和校验，帧长12字节，每帧数据包含帧头、通道数、陀螺数据、温度数据、校验位和帧尾等一系列信息，波特率为115200。

测试软件运行具有高度的自动化，如测试参数均由软件自动设置，转台的启动、转动状态也由软件控制、判断等。因此，可以减轻操作员操作、监视转台转动的重复劳动，减少在操控转台过程中可能出现的人为误操作现象，从而提高测试的准确性、一致性。

对比单陀螺测试和8陀螺并行测试的效率，某型号光纤陀螺进行测试的时间比较结果如表1所示。一方面，采用开发的测试软件可以减少人为判断转台稳定、控制转台的操作时间；另一方面，8只陀螺并行测试可以将整体测试效率提高7倍以上，大大提高生产效率。

表1 单陀螺与8只陀螺测试时间比较Table 1 Test time comparison between single FOG and 8⁃FOG

4 结论

本文针对光纤陀螺测试过程的项目多、耗费时间长、产品生产效率低的问题，提出8只陀螺并行测试方法，构建测试系统，设计了工装及电缆等硬件，开发了相应的测试软件。自动化的软件操作，减少误操作机率，降低工人的劳动强度，提高了测试的准确性。多组合测试方法提高产品的测试效率7倍以上，降低了测试成本，适合于光纤陀螺产品的批量生产，为光纤陀螺的广泛应用提供可靠保障。