摘 要： 由ARM Cortex-M3單片機(jī)通過USB-HID接口和計算機(jī)（筆記本電腦）構(gòu)成的上下位機(jī)模式的陀螺儀測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單軸系陀螺儀組的各種靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)測試。由上位計算機(jī)通過USB-HID端口發(fā)出各種控制狀態(tài)，操縱下位機(jī)使得陀螺儀組模擬出實(shí)際的工作狀態(tài)，完成了單軸系陀螺儀組的動態(tài)響應(yīng)測試。
關(guān)鍵詞： 陀螺儀；ARM Cortex-M3；USB-HID；信號調(diào)理電路；測試軟件
單軸系陀螺儀組是由若干個陀螺儀組成的一個軸系方向（X）角運(yùn)動位置檢測裝置。檢測單軸系陀螺儀組的傳統(tǒng)方法是通過一定數(shù)量的控制開關(guān)、指示燈，電壓表、電流表來測試其靜態(tài)的工作狀態(tài)與性能。單軸系陀螺儀組的動態(tài)特性是非常重要的技術(shù)指標(biāo)[1]，反映了陀螺儀組的性能和實(shí)際工作的特性。通過由上下位機(jī)構(gòu)成的陀螺儀測試系統(tǒng)可以完成單軸系陀螺儀組的靜態(tài)、動態(tài)特性的多項(xiàng)測試，對陀螺儀組做出正確的功能分析和質(zhì)量評價[2]。
1 測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
單軸系陀螺儀測試系統(tǒng)由ARM Cortex-M3單片機(jī)作為中心主體，通過16路DI、DO數(shù)字輸入、數(shù)字輸出模塊和16位A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理電路、電源等構(gòu)成。測試系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
陀螺儀組通過信號調(diào)理電路接入測試系統(tǒng)，信號調(diào)理電路由DO控制轉(zhuǎn)換電路和陀螺儀組的輸出轉(zhuǎn)換電路組成，完成ARM Cortex-M3單片機(jī)發(fā)出的DO控制信號轉(zhuǎn)換為符合陀螺儀組的要求的控制信號，并將陀螺儀組的輸出轉(zhuǎn)換為符合A/D模塊采集要求的信號。
16位的并行高速A/D轉(zhuǎn)換芯片及16通道的多路模擬開關(guān)構(gòu)成A/D采集模塊，保證了數(shù)據(jù)采集精度和分辨率，并保證了信號的速率，降低了相位誤差。
上位機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)的USB端口，以HID通信模式和下位機(jī)交換數(shù)據(jù)和發(fā)出功能指令。下位機(jī)的測試數(shù)據(jù)通過USB端口送到上位機(jī)，由上位機(jī)的測試程序進(jìn)行處理和顯示。
2 測試系統(tǒng)軟件
上位機(jī)測試系統(tǒng)軟件完成7類12項(xiàng)檢測功能，采用模塊化設(shè)計，按照測試功能分類。對陀螺儀組的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定其該項(xiàng)指標(biāo)是否超限（并顯示指標(biāo)上、下限）。各種操作均有彈出向?qū)дf明操作步驟和陀螺儀連接方法。由系統(tǒng)時鐘作為基礎(chǔ)時間切片，時鐘中斷作為USB端口的掃描控制。USB接口程序使用HID模式實(shí)現(xiàn)熱插拔功能，以命令組的包模式對下位機(jī)通信。
下位機(jī)采用C語言編程，控制DO、DI、AD模塊，AD采集模塊采用實(shí)時的修改后中值濾波算法，降低了噪聲影響，保證信號的可靠性。修改后中值濾波算法數(shù)學(xué)公式為：
3 測試系統(tǒng)工作原理
陀螺儀組特性測試系統(tǒng)上位機(jī)測試軟件按照測試項(xiàng)目和流程，通過USB端口對下位機(jī)發(fā)出相應(yīng)的命令組控制包，ARM Cortex-M3單片機(jī)收到命令組控制包后，按照測試要求輸出控制狀態(tài)，經(jīng)調(diào)理電路中的DO控制轉(zhuǎn)換電路變換為符合陀螺儀組的控制信號，送到陀螺儀組?？刂仆勇輧x組進(jìn)入工作狀態(tài)，陀螺儀組的輸出信號經(jīng)信號變換驅(qū)動后，送入A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)行中值濾波，將數(shù)據(jù)組合為數(shù)據(jù)包通過USB端口送至上位機(jī)，由測量程序按照設(shè)定的流程進(jìn)行處理和圖形顯示。
4 測試應(yīng)用效果
測試系統(tǒng)除了數(shù)字顯示以外，圖形顯示功能也很強(qiáng)大[3]，可對陀螺儀組動態(tài)性能進(jìn)行直觀地描述，直接可以顯示出陀螺儀組性能優(yōu)劣。
圖3是采集的陀螺儀組的動態(tài)工作電流波形，從波形圖上可以清楚反映陀螺儀組中各陀螺儀及其附件的組合、分離與各種工作狀態(tài)加載特性以及控制響應(yīng)時間特性。
由上下位機(jī)構(gòu)成的單軸系陀螺儀組測試系統(tǒng)，ARM Cortex-M3單片機(jī)作為下位機(jī)，其性能優(yōu)良，運(yùn)算速度快，內(nèi)部存儲器大，USB接口，外加16位的并行接口的A/D轉(zhuǎn)換模塊，DO、DI模塊和調(diào)理電路，使得下位機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，使用USB端口的HID模式通信，速度快，接口電纜標(biāo)準(zhǔn)，對上位機(jī)的要求大大降低，不僅可以使用一般計算機(jī)完成測試，也可以使用筆記本電腦作為上位機(jī)。由于采用USB-HID模式，上位機(jī)不用安裝驅(qū)動，系統(tǒng)可自動識別通信端口，極大簡化了測試系統(tǒng)連接方式，降低了結(jié)構(gòu)成本且維護(hù)簡單。
參考文獻(xiàn)
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