基于PCI-E的慣組高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Design and implementation of high-speed data acquisition system for inertial measurement unit based on PCI express bus

宋仔標(biāo)，崔洪亮，高倩，劉寧
（火箭軍士官學(xué)校，山東 青州 262500）

       摘要：慣組數(shù)據(jù)的采集是進(jìn)行慣組標(biāo)定及導(dǎo)航姿態(tài)解算的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)采集精度對(duì)慣組的標(biāo)定和導(dǎo)航精度有重要的影響。提出了一套基于PCI-E總線的慣性測(cè)量組合數(shù)據(jù)高速采集與處理系統(tǒng)，基于研華PCIE-1751板卡設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件組成，在VC#平臺(tái)下通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集控件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速定時(shí)采集，通過(guò)卡爾曼濾波方法對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行消除，在VC#平臺(tái)下進(jìn)行DirectX的3D開發(fā)，直觀展示慣組當(dāng)前姿態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有直觀、高效、實(shí)時(shí)及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與顯示等優(yōu)點(diǎn)。
      關(guān)鍵詞：PCI-E總線；慣性測(cè)量組合；數(shù)據(jù)采集；卡爾曼濾波
      基金項(xiàng)目：軍內(nèi)科研預(yù)研基金資助項(xiàng)目（編號(hào)不公開）

　　0 引言

       慣性導(dǎo)航為自主式導(dǎo)航技術(shù)，通過(guò)慣性測(cè)量組合（陀螺儀和加速度表）的測(cè)量輸出，利用牛頓定律計(jì)算出載體當(dāng)前時(shí)刻的速度、位置和姿態(tài)。慣性導(dǎo)航不依賴外界信息，也不向外界輻射任何能量，能夠自主地、隱蔽地進(jìn)行連續(xù)的三維定向和三維定位，被廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海等領(lǐng)域^[1] 。實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航需要慣組提供載體的比力和姿態(tài)信息，而這些信息可以被加速度計(jì)和陀螺儀敏感到，因此加速度計(jì)和陀螺儀的精度在很大程度上決定著慣性導(dǎo)航的精度。提高慣組的精度，一方面可通過(guò)提高慣組器件的制造精度，另一方面則可通過(guò)提高慣性器件誤差模型的精度和標(biāo)定精度。為了保證導(dǎo)航精確，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)慣性器件進(jìn)行精確誤差模型的標(biāo)定非常必要。要進(jìn)行慣組的標(biāo)定，首先需要對(duì)慣組輸出的多數(shù)高速數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集，另外在采集到的數(shù)據(jù)中不可避免地會(huì)摻雜各種實(shí)驗(yàn)室環(huán)境噪聲^[2] ?；谝陨峡紤]，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于PCI Express總線的慣組高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用PCI-E型總線高寬帶的特點(diǎn)，能滿足慣組高速數(shù)據(jù)輸出的實(shí)時(shí)采集，在系統(tǒng)中通過(guò)卡爾曼濾波平滑噪聲的優(yōu)點(diǎn)對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行有效濾除，另外，為更直觀地顯示當(dāng)前慣組的輸出和當(dāng)前姿態(tài)，通過(guò)三維模型實(shí)時(shí)跟蹤慣組的轉(zhuǎn)動(dòng)。
　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。
　　硬件部分用于控制慣組的加電和產(chǎn)生敏感信號(hào)。通過(guò)設(shè)計(jì)控制回路，自動(dòng)完成慣組的加溫、配電，并設(shè)計(jì)輔助電路，完成慣組的加溫、通電運(yùn)行等狀態(tài)監(jiān)控。為構(gòu)建慣組動(dòng)力學(xué)環(huán)境，設(shè)計(jì)了三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)慣組轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬導(dǎo)彈在空間姿態(tài)變化，通過(guò)施加激勵(lì)產(chǎn)生角速率和視加速度輸出，產(chǎn)生各自由度上的敏感信號(hào)，使慣組在加電工作狀態(tài)能夠調(diào)整姿態(tài)。設(shè)計(jì)了信號(hào)匹配電路，實(shí)現(xiàn)慣組輸出和數(shù)據(jù)采集卡輸入之間的電平匹配和隔離。軟件部分主要實(shí)現(xiàn)慣組輸出數(shù)據(jù)的采集，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境噪聲的濾除、姿態(tài)解算、多路輸出數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示，以及慣組姿態(tài)對(duì)三維模型的控制等功能。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件由UPS電源、信號(hào)控制箱、慣組本體、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、信號(hào)匹配箱、多路數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)及顯示器組成。硬件連接圖如圖1所示。
　　2.1 PCI-E總線高速數(shù)據(jù)采集卡

　　數(shù)據(jù)采集卡主要用于對(duì)慣組輸出的多路數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，為滿足慣組數(shù)據(jù)的高速需求，本系統(tǒng)中采用總線的數(shù)據(jù)采集卡。PCI Express是新一代的總線接口，由英特爾公司提出并由多家業(yè)界主導(dǎo)公司起草技術(shù)規(guī)范。該總線采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接，相比PCI及更早期的計(jì)算機(jī)總線的共享并行架構(gòu)，每個(gè)設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個(gè)總線請(qǐng)求帶寬，可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個(gè)很高的頻率，達(dá)到PCI所不能提供的高帶寬^[3] 。
　　本系統(tǒng)選用研華PCIE-1751型板卡。PCIE-1751是一款采用通用PCI Express總線的48路DI/O和3路計(jì)數(shù)器卡。它提供了48路并行數(shù)字量輸入/輸出以及3個(gè)計(jì)數(shù)器。板卡采用高密度SCSI 68針接口，易于連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備且連接穩(wěn)定、可靠。PCIE-1751的其它2個(gè)特性使其在工業(yè)設(shè)置方面更具有實(shí)用性優(yōu)勢(shì)。如果用戶將跳線JP1設(shè)置為啟用此特性，則系統(tǒng)被熱啟動(dòng)后（電源未關(guān)閉），PCIE-1751能夠保持I/O接口的設(shè)置和輸出值；否則，端口設(shè)置和輸出值將恢復(fù)為默認(rèn)狀態(tài)，或者切換到其它跳線設(shè)置的狀態(tài)。
　　的另一實(shí)用特性是它支持濕接點(diǎn)和干接點(diǎn)，因而更容易連接其他設(shè)備。
　　板卡計(jì)數(shù)器0、1和2為用戶提供了六種選擇：、One shot、、、和Pulse modulation。本系統(tǒng)中設(shè)置為模式。
　　2.2 信號(hào)控制箱

　　控制箱是一個(gè)集電源變換（220 V交流電轉(zhuǎn)換成慣組、繼電器、數(shù)字電路、加溫電路、顯示電路所需的直流電壓）、指令控制、配電控制、顯示監(jiān)控等功能于一體的設(shè)備。上位機(jī)通電進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，按程序完成慣組配電（加溫、陀螺啟動(dòng)等），使慣組正常工作。
　　控制箱主要完成慣組的程序配電和狀態(tài)監(jiān)控，慣組正常工作必須先加溫、啟動(dòng)陀螺、接通功放回路，有指標(biāo)和時(shí)間控制要求。為此，設(shè)計(jì)相應(yīng)控制電路完成慣組加溫控制與監(jiān)控、陀螺啟動(dòng)與監(jiān)控以及功放回路接通與監(jiān)控等關(guān)鍵配電環(huán)節(jié)管理。硬件控制回路主要包括程控裝置設(shè)計(jì)、接口電路設(shè)計(jì)、繼電器控制回路設(shè)計(jì)、狀態(tài)監(jiān)控與顯示電路設(shè)計(jì)等。為提高溫控精度，溫控電路對(duì)本體采用模擬式多點(diǎn)溫控，使溫度精度控制在±2 ℃之間；對(duì)重要部件，如縱向加速度計(jì)則采用二級(jí)溫控，使溫控精度控制在±0.5 ℃度之間。
　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)和完成的信號(hào)控制箱如圖2所示。

　　2.3 三軸轉(zhuǎn)臺(tái)

　　三軸轉(zhuǎn)臺(tái)是本系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，用來(lái)安裝慣組本體及產(chǎn)生慣性測(cè)量組合動(dòng)力學(xué)環(huán)境，使慣組在加電工作狀態(tài)可以通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整姿態(tài)，模擬運(yùn)載體在空間的姿態(tài)角度和角速率變化，產(chǎn)生各自由度上的敏感信號(hào)。因此三軸轉(zhuǎn)臺(tái)需要一定精度和運(yùn)轉(zhuǎn)平滑性以及一定的負(fù)載能力，同時(shí)對(duì)加工材料提出了較高要求，關(guān)鍵部件采用銅鋁材料，減少對(duì)測(cè)試的干擾。
　　三軸轉(zhuǎn)臺(tái)由底座、平臺(tái)、航向圓齒輪、航向搖把、傾斜半圓蝸輪、傾斜搖把套筒、俯仰半圓蝸輪、俯仰搖把套筒、刻度盤（航向、傾斜、俯仰）、水準(zhǔn)器可調(diào)支座、鎖緊支腿等部件組成。航向搖把在底座上直接與航向圓齒輪嚙合，傾斜和俯仰共用一個(gè)搖把，都通過(guò)搖把套筒上的蝸桿與各自的半圓蝸輪相嚙合。平臺(tái)裝在俯仰半圓蝸輪上。T形槽用來(lái)安裝控制儀移動(dòng)托盤或慣性組合裝置支架。
　　使用轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)，必須用壓板將三軸轉(zhuǎn)臺(tái)固定在穩(wěn)定的基座上，并用三個(gè)可調(diào)支座鎖緊支腿和水準(zhǔn)器進(jìn)行水平調(diào)整^[4] 。
　　三軸轉(zhuǎn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)為：三軸轉(zhuǎn)臺(tái)各軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：航向±170 °、傾斜、俯仰±35 °；平臺(tái)外部尺寸mm、T形槽間距75 mm、最大載重負(fù)荷30 kg。

　　2.4 其他

　　（1）UPS電源：為慣組和全系統(tǒng)正常工作提供不間斷電源，根據(jù)實(shí)際需求，選用UPS電源為艾默生，該UPS電源功率3 kW。
　?。?）信號(hào)匹配箱：主要用于慣組輸出的脈沖信號(hào)與數(shù)據(jù)采集卡之間的電平轉(zhuǎn)換與隔離。因此在設(shè)計(jì)信號(hào)匹配箱時(shí)，需考慮以下三點(diǎn)因素：慣組輸出與數(shù)據(jù)采集卡輸入之間的電平匹配；輸入與輸出之間信號(hào)的干擾，本系統(tǒng)采用光耦隔離方式；慣組的高速輸出。綜上考慮，設(shè)計(jì)和完成的信號(hào)匹配箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。
　　（3）工控機(jī)：定制研華IPC-610H型工控機(jī)。該工控機(jī)配置CPU為P4（主頻3.0 G）、內(nèi)存為4 G，并確保有足夠的PCI Express插槽以滿足多路數(shù)據(jù)采集的需求。
　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　在搭建硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理、姿態(tài)解算、采集數(shù)據(jù)的曲線顯示和運(yùn)載體三維模型的姿態(tài)控制等功能。本系統(tǒng)硬件平臺(tái)為研華工控機(jī)，軟件開發(fā)平臺(tái)為XP，開發(fā)環(huán)境為VC#2010和DirectX 3D。
　　在程序設(shè)計(jì)中，為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，達(dá) 到 不 丟 脈 沖 的 目的，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)引入多線程技術(shù)，線程1用于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和顯示，線程2用于三維運(yùn)載體模 型 的 渲 染 。 軟 件流程設(shè)計(jì)圖如圖4所示。
　　設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主界面如圖5所示。
　　3.1 數(shù)據(jù)采集

　　采集系統(tǒng)在VC#環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)VC#基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)采集：DAQ控件和研華提供的動(dòng)態(tài)庫(kù)函數(shù)編程。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)DAQ控件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
　　參照安裝手冊(cè)，完成數(shù)據(jù)采集卡的安裝，在進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)采集之前，先通過(guò)YB1602H數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試合格后再用于慣組數(shù)據(jù)的采集。
　　3.2 數(shù)據(jù)處理

　　慣組標(biāo)定的好壞將直接影響慣性測(cè)量組合的輸出精度。一般采用分立標(biāo)定法標(biāo)定陀螺常值漂移和加速度計(jì)零偏，即利用轉(zhuǎn)臺(tái)提供水平和方位基準(zhǔn)，將地球自轉(zhuǎn)角速度和重力加速度作為參考輸入，并與陀螺儀和加速度計(jì)的輸出進(jìn)行比較，采用最小二乘法標(biāo)定陀螺常值漂移和加速度計(jì)零偏。分立標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)直接利用陀螺與加速度計(jì)輸出進(jìn)行比較，器件噪聲以及環(huán)境干擾都會(huì)影響標(biāo)定效果。因此，帶誤差的標(biāo)定值帶來(lái)的標(biāo)定誤差會(huì)殘留在初始對(duì)準(zhǔn)階段，進(jìn)而造成姿態(tài)誤差。因此對(duì)直接從慣性測(cè)量組合輸出的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)一定的處理，才能進(jìn)行標(biāo)定。針對(duì)上述問(wèn)題，利用卡爾曼濾波所具有的平滑噪聲的特性對(duì)陀螺和加速度計(jì)輸出進(jìn)行預(yù)處理，濾除對(duì)準(zhǔn)環(huán)境中干擾噪聲的影響^[5] 。
　　3.3 姿態(tài)解算

　　姿態(tài)解算主要是完成坐標(biāo)系的變換，即將測(cè)得的加速度和角速率轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系下，同時(shí)計(jì)算出飛行器的姿態(tài)、速度和位置。目前常用的姿態(tài)解算算法有歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法。由于歐拉角法求解時(shí)，方程中存在奇點(diǎn)，所以不能用于全姿態(tài)飛行器上。方向余弦法雖然可以全姿態(tài)解算，但是由于計(jì)算量大，所以也不能用于導(dǎo)彈姿態(tài)實(shí)時(shí)解算。本系統(tǒng)采用四元數(shù)法進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。四元數(shù)的概念是1843年由哈密頓首先提出的，為現(xiàn)代數(shù)學(xué)中的內(nèi)容之一。近些年來(lái)，隨著控制理論、慣性技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，為了更簡(jiǎn)便地描述剛體的角運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，廣泛采用了四元數(shù)這個(gè)數(shù)學(xué)工具，用它來(lái)描述剛體角運(yùn)動(dòng)的3個(gè)歐拉角參數(shù)在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)的不足。該算法無(wú)奇點(diǎn)，計(jì)算量小，可實(shí)時(shí)解算 [6] 。
　　3.4.1 數(shù)據(jù)顯示

　　和三維模型渲染數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示為了直觀地顯示慣組輸出的多路信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)曲線的方式將多路信號(hào)在程序界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。在程序主界面中劃出動(dòng)態(tài)顯示區(qū)域，每個(gè)區(qū)域顯示1路信號(hào)，由網(wǎng)格曲線和數(shù)據(jù)曲線組成。由于程序界面大小的限制，每組只動(dòng)態(tài)繪制最近采樣的300個(gè)數(shù)據(jù)。如圖5中上部分所示。
　　另外，為了方便對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時(shí)，每采樣一次便將采集到的數(shù)據(jù)作為一組保存在測(cè)試界面的文本框中。通過(guò)和saveFileDialog控件實(shí)現(xiàn)打開歷史數(shù)據(jù)和保存當(dāng)前測(cè)試數(shù)據(jù)的功能。每一次測(cè)試結(jié)束后，需要將當(dāng)前測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，通過(guò)點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”調(diào)用控件，將文本框的數(shù)據(jù)以txt的格式保存到本地磁盤，該文本文件記錄了采樣的次數(shù)及每次采樣的數(shù)據(jù)，方便以后通過(guò)MATLAB等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。為查看歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)擊“歷史數(shù)據(jù)”按鈕調(diào)用openFileDialog控件，將存儲(chǔ)在本地磁盤的歷史數(shù)據(jù)打開在文本框中顯示。如圖5中下部分所示。

　　3.4.2 三維模型渲染

　　為了直觀地顯示當(dāng)前慣組在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上的姿態(tài)，在程序界面上通過(guò)三維模型動(dòng)畫實(shí)時(shí)跟蹤慣組的轉(zhuǎn)動(dòng)。本系統(tǒng)通過(guò)在VC#下進(jìn)行DirectX的3D開發(fā)，實(shí)現(xiàn)三維模型的渲染。
　　是一套用于創(chuàng)建游戲和多媒體程序的底層應(yīng)用程序接口，其支持高性能的二維和三維圖形顯示、聲音以及輸入等。在導(dǎo)入模型到程序之前，首先需要利用3DMAX軟件制作一個(gè)三維模型，然后通過(guò)插件將三維模型的.max文件導(dǎo)出為DirectX 3D可用的.X文件。在進(jìn)入數(shù)據(jù)采集界面時(shí)，通過(guò)自設(shè)計(jì)的LoadMesh()函數(shù)將導(dǎo)彈模型的.X文件導(dǎo)入到程序界面中的控件上，此時(shí)在控件所在的區(qū)域上能出現(xiàn)靜止且位置為初始位置的運(yùn)載體三維模型。開始采樣后，啟動(dòng)線程2，每20 ms讀取一次當(dāng)前慣組的姿態(tài)角信息，以控制三維模型的旋轉(zhuǎn)變化。
　　4 小結(jié)

　　本系統(tǒng)能對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下慣組輸出的高速數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)能方便存儲(chǔ)，利于后續(xù)的分析處理，具有可靠性高、直觀、高效、實(shí)時(shí)及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與顯示等優(yōu)點(diǎn)。如要用于野外，則需考慮對(duì)慣組輸出信號(hào)的奇異值進(jìn)行相應(yīng)處理，為下一步需要完善的地方做準(zhǔn)備。

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　　作者簡(jiǎn)介：
　　宋仔標(biāo)（1980—），男，湖北潛江人，博士，主要研究方向：測(cè)試與控制等方面的研究。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第49頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處