基于PCI-E的慣組高速數據采集系統設計與實(shí)現

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

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

       摘要：慣組數據的采集是進(jìn)行慣組標定及導航姿態(tài)解算的基礎，其數據采集精度對慣組的標定和導航精度有重要的影響。提出了一套基于PCI-E總線(xiàn)的慣性測量組合數據高速采集與處理系統，基于研華PCIE-1751板卡設計并實(shí)現了系統的硬件組成，在VC#平臺下通過(guò)相應的數據采集控件實(shí)現了數據的高速定時(shí)采集，通過(guò)卡爾曼濾波方法對環(huán)境噪聲進(jìn)行消除，在VC#平臺下進(jìn)行DirectX的3D開(kāi)發(fā)，直觀(guān)展示慣組當前姿態(tài)。實(shí)驗表明該系統具有直觀(guān)、高效、實(shí)時(shí)及強大的數據處理與顯示等優(yōu)點(diǎn)。
      關(guān)鍵詞：PCI-E總線(xiàn)；慣性測量組合；數據采集；卡爾曼濾波
      基金項目：軍內科研預研基金資助項目（編號不公開(kāi)）

　　0 引言

       慣性導航為自主式導航技術(shù)，通過(guò)慣性測量組合（陀螺儀和加速度表）的測量輸出，利用牛頓定律計算出載體當前時(shí)刻的速度、位置和姿態(tài)。慣性導航不依賴(lài)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)行連續的三維定向和三維定位，被廣泛應用于航天、航空、航海等領(lǐng)域^[1] 。實(shí)現慣性導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和陀螺儀敏感到，因此加速度計和陀螺儀的精度在很大程度上決定著(zhù)慣性導航的精度。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定精度。為了保證導航精確，在實(shí)驗室對慣性器件進(jìn)行精確誤差模型的標定非常必要。要進(jìn)行慣組的標定，首先需要對慣組輸出的多數高速數據進(jìn)行實(shí)時(shí)準確地采集，另外在采集到的數據中不可避免地會(huì )摻雜各種實(shí)驗室環(huán)境噪聲^[2] ?；谝陨峡紤]，設計并實(shí)現了一套基于PCI Express總線(xiàn)的慣組高速數據采集系統，利用PCI-E型總線(xiàn)高寬帶的特點(diǎn)，能滿(mǎn)足慣組高速數據輸出的實(shí)時(shí)采集，在系統中通過(guò)卡爾曼濾波平滑噪聲的優(yōu)點(diǎn)對環(huán)境噪聲進(jìn)行有效濾除，另外，為更直觀(guān)地顯示當前慣組的輸出和當前姿態(tài)，通過(guò)三維模型實(shí)時(shí)跟蹤慣組的轉動(dòng)。
　　1 系統總體設計

　　本系統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。通過(guò)設計控制回路，自動(dòng)完成慣組的加溫、配電，并設計輔助電路，完成慣組的加溫、通電運行等狀態(tài)監控。為構建慣組動(dòng)力學(xué)環(huán)境，設計了三軸轉臺，通過(guò)三軸轉臺帶動(dòng)慣組轉動(dòng)，模擬導彈在空間姿態(tài)變化，通過(guò)施加激勵產(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，使慣組在加電工作狀態(tài)能夠調整姿態(tài)。設計了信號匹配電路，實(shí)現慣組輸出和數據采集卡輸入之間的電平匹配和隔離。軟件部分主要實(shí)現慣組輸出數據的采集，實(shí)驗室環(huán)境噪聲的濾除、姿態(tài)解算、多路輸出數據的動(dòng)態(tài)顯示，以及慣組姿態(tài)對三維模型的控制等功能。

　　2 硬件設計

　　本系統硬件由UPS電源、信號控制箱、慣組本體、三軸轉臺、信號匹配箱、多路數據采集卡、工控機及顯示器組成。硬件連接圖如圖1所示。
　　2.1 PCI-E總線(xiàn)高速數據采集卡

　　數據采集卡主要用于對慣組輸出的多路數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，為滿(mǎn)足慣組數據的高速需求，本系統中采用總線(xiàn)的數據采集卡。PCI Express是新一代的總線(xiàn)接口，由英特爾公司提出并由多家業(yè)界主導公司起草技術(shù)規范。該總線(xiàn)采用點(diǎn)對點(diǎn)串行連接，相比PCI及更早期的計算機總線(xiàn)的共享并行架構，每個(gè)設備都有自己的專(zhuān)用連接，不需要向整個(gè)總線(xiàn)請求帶寬，可以把數據傳輸率提高到一個(gè)很高的頻率，達到PCI所不能提供的高帶寬^[3] 。
　　本系統選用研華PCIE-1751型板卡。PCIE-1751是一款采用通用PCI Express總線(xiàn)的48路DI/O和3路計數器卡。它提供了48路并行數字量輸入/輸出以及3個(gè)計數器。板卡采用高密度SCSI 68針接口，易于連接現場(chǎng)設備且連接穩定、可靠。PCIE-1751的其它2個(gè)特性使其在工業(yè)設置方面更具有實(shí)用性?xún)?yōu)勢。如果用戶(hù)將跳線(xiàn)JP1設置為啟用此特性，則系統被熱啟動(dòng)后（電源未關(guān)閉），PCIE-1751能夠保持I/O接口的設置和輸出值；否則，端口設置和輸出值將恢復為默認狀態(tài)，或者切換到其它跳線(xiàn)設置的狀態(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備。
　　板卡計數器0、1和2為用戶(hù)提供了六種選擇：、One shot、、、和Pulse modulation。本系統中設置為模式。
　　2.2 信號控制箱

　　控制箱是一個(gè)集電源變換（220 V交流電轉換成慣組、繼電器、數字電路、加溫電路、顯示電路所需的直流電壓）、指令控制、配電控制、顯示監控等功能于一體的設備。上位機通電進(jìn)行數據采集前，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，有指標和時(shí)間控制要求。為此，設計相應控制電路完成慣組加溫控制與監控、陀螺啟動(dòng)與監控以及功放回路接通與監控等關(guān)鍵配電環(huán)節管理。硬件控制回路主要包括程控裝置設計、接口電路設計、繼電器控制回路設計、狀態(tài)監控與顯示電路設計等。為提高溫控精度，溫控電路對本體采用模擬式多點(diǎn)溫控，使溫度精度控制在±2 ℃之間；對重要部件，如縱向加速度計則采用二級溫控，使溫控精度控制在±0.5 ℃度之間。
　　本系統設計和完成的信號控制箱如圖2所示。

　　2.3 三軸轉臺

　　三軸轉臺是本系統關(guān)鍵設備之一，用來(lái)安裝慣組本體及產(chǎn)生慣性測量組合動(dòng)力學(xué)環(huán)境，使慣組在加電工作狀態(tài)可以通過(guò)轉臺調整姿態(tài)，模擬運載體在空間的姿態(tài)角度和角速率變化，產(chǎn)生各自由度上的敏感信號。因此三軸轉臺需要一定精度和運轉平滑性以及一定的負載能力，同時(shí)對加工材料提出了較高要求，關(guān)鍵部件采用銅鋁材料，減少對測試的干擾。
　　三軸轉臺由底座、平臺、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(pán)（航向、傾斜、俯仰）、水準器可調支座、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(pán)或慣性組合裝置支架。
　　使用轉臺時(shí)，必須用壓板將三軸轉臺固定在穩定的基座上，并用三個(gè)可調支座鎖緊支腿和水準器進(jìn)行水平調整^[4] 。
　　三軸轉臺主要技術(shù)參數為：三軸轉臺各軸轉動(dòng)范圍：航向±170 °、傾斜、俯仰±35 °；平臺外部尺寸mm、T形槽間距75 mm、最大載重負荷30 kg。

　　2.4 其他

　?。?）UPS電源：為慣組和全系統正常工作提供不間斷電源，根據實(shí)際需求，選用UPS電源為艾默生，該UPS電源功率3 kW。
　?。?）信號匹配箱：主要用于慣組輸出的脈沖信號與數據采集卡之間的電平轉換與隔離。因此在設計信號匹配箱時(shí)，需考慮以下三點(diǎn)因素：慣組輸出與數據采集卡輸入之間的電平匹配；輸入與輸出之間信號的干擾，本系統采用光耦隔離方式；慣組的高速輸出。綜上考慮，設計和完成的信號匹配箱內部結構如圖3所示。
　?。?）工控機：定制研華IPC-610H型工控機。該工控機配置CPU為P4（主頻3.0 G）、內存為4 G，并確保有足夠的PCI Express插槽以滿(mǎn)足多路數據采集的需求。
　　3 軟件設計

　　在搭建硬件平臺的基礎上，通過(guò)軟件設計實(shí)現數據的采集、預處理、姿態(tài)解算、采集數據的曲線(xiàn)顯示和運載體三維模型的姿態(tài)控制等功能。本系統硬件平臺為研華工控機，軟件開(kāi)發(fā)平臺為XP，開(kāi)發(fā)環(huán)境為VC#2010和DirectX 3D。
　　在程序設計中，為保證數據的連續采集，達 到 不 丟 脈 沖 的 目的，在軟件設計時(shí)引入多線(xiàn)程技術(shù)，線(xiàn)程1用于數據的實(shí)時(shí)采集、處理和顯示，線(xiàn)程2用于三維運載體模 型 的 渲 染 。 軟 件流程設計圖如圖4所示。
　　設計的系統主界面如圖5所示。
　　3.1 數據采集

　　采集系統在VC#環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，有兩種方法可以實(shí)現VC#基礎上的數據采集：DAQ控件和研華提供的動(dòng)態(tài)庫函數編程。在本系統設計中，通過(guò)DAQ控件進(jìn)行數據采集。
　　參照安裝手冊，完成數據采集卡的安裝，在進(jìn)行實(shí)際數據采集之前，先通過(guò)YB1602H數字合成函數信號發(fā)生器對數據采集卡進(jìn)行測試，測試合格后再用于慣組數據的采集。
　　3.2 數據處理

　　慣組標定的好壞將直接影響慣性測量組合的輸出精度。一般采用分立標定法標定陀螺常值漂移和加速度計零偏，即利用轉臺提供水平和方位基準，將地球自轉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的輸出進(jìn)行比較，采用最小二乘法標定陀螺常值漂移和加速度計零偏。分立標定實(shí)驗時(shí)直接利用陀螺與加速度計輸出進(jìn)行比較，器件噪聲以及環(huán)境干擾都會(huì )影響標定效果。因此，帶誤差的標定值帶來(lái)的標定誤差會(huì )殘留在初始對準階段，進(jìn)而造成姿態(tài)誤差。因此對直接從慣性測量組合輸出的信號必須經(jīng)過(guò)一定的處理，才能進(jìn)行標定。針對上述問(wèn)題，利用卡爾曼濾波所具有的平滑噪聲的特性對陀螺和加速度計輸出進(jìn)行預處理，濾除對準環(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系的變換，即將測得的加速度和角速率轉換到導航坐標系下，同時(shí)計算出飛行器的姿態(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，但是由于計算量大，所以也不能用于導彈姿態(tài)實(shí)時(shí)解算。本系統采用四元數法進(jìn)行導航計算。四元數的概念是1843年由哈密頓首先提出的，為現代數學(xué)中的內容之一。近些年來(lái)，隨著(zhù)控制理論、慣性技術(shù)、計算技術(shù)的發(fā)展，為了更簡(jiǎn)便地描述剛體的角運動(dòng)，設計控制系統，廣泛采用了四元數這個(gè)數學(xué)工具，用它來(lái)描述剛體角運動(dòng)的3個(gè)歐拉角參數在設計控制系統時(shí)的不足。該算法無(wú)奇點(diǎn)，計算量小，可實(shí)時(shí)解算 [6] 。
　　3.4.1 數據顯示

　　和三維模型渲染數據的實(shí)時(shí)顯示為了直觀(guān)地顯示慣組輸出的多路信號，通過(guò)數據曲線(xiàn)的方式將多路信號在程序界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。在程序主界面中劃出動(dòng)態(tài)顯示區域，每個(gè)區域顯示1路信號，由網(wǎng)格曲線(xiàn)和數據曲線(xiàn)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)數據。如圖5中上部分所示。
　　另外，為了方便對采集到的數據進(jìn)行分析處理，在進(jìn)行數據采樣時(shí)，每采樣一次便將采集到的數據作為一組保存在測試界面的文本框中。通過(guò)和saveFileDialog控件實(shí)現打開(kāi)歷史數據和保存當前測試數據的功能。每一次測試結束后，需要將當前測試的數據進(jìn)行保存，通過(guò)點(diǎn)擊“保存數據”調用控件，將文本框的數據以txt的格式保存到本地磁盤(pán)，該文本文件記錄了采樣的次數及每次采樣的數據，方便以后通過(guò)MATLAB等軟件進(jìn)行數據分析和處理。為查看歷史數據，通過(guò)點(diǎn)擊“歷史數據”按鈕調用openFileDialog控件，將存儲在本地磁盤(pán)的歷史數據打開(kāi)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(guān)地顯示當前慣組在三軸轉臺上的姿態(tài)，在程序界面上通過(guò)三維模型動(dòng)畫(huà)實(shí)時(shí)跟蹤慣組的轉動(dòng)。本系統通過(guò)在VC#下進(jìn)行DirectX的3D開(kāi)發(fā)，實(shí)現三維模型的渲染。
　　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文件導出為DirectX 3D可用的.X文件。在進(jìn)入數據采集界面時(shí)，通過(guò)自設計的LoadMesh()函數將導彈模型的.X文件導入到程序界面中的控件上，此時(shí)在控件所在的區域上能出現靜止且位置為初始位置的運載體三維模型。開(kāi)始采樣后，啟動(dòng)線(xiàn)程2，每20 ms讀取一次當前慣組的姿態(tài)角信息，以控制三維模型的旋轉變化。
　　4 小結

　　本系統能對實(shí)驗室環(huán)境下慣組輸出的高速數據進(jìn)行實(shí)時(shí)準確地采集，對采集到的數據能方便存儲，利于后續的分析處理，具有可靠性高、直觀(guān)、高效、實(shí)時(shí)及強大的數據處理與顯示等優(yōu)點(diǎn)。如要用于野外，則需考慮對慣組輸出信號的奇異值進(jìn)行相應處理，為下一步需要完善的地方做準備。

　　參考文獻
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　　[6] 張榮輝，賈宏光，陳濤，等．基于四元數法的捷聯(lián)式慣性導航系統的姿態(tài)解算[J]．光學(xué)精密儀器，2008，16（10）：1963-1970.
　　作者簡(jiǎn)介：
　　宋仔標（1980—），男，湖北潛江人，博士，主要研究方向：測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(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處