基于PCI-E的惯组高速数据采集系统设计与实现

  作者:宋仔标 崔洪亮 高倩 刘宁 时间:2019-03-29来源:电子产品世界

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

宋仔标,崔洪亮,高倩,刘宁
(火箭军士官学校,山东 青州 262500)

       摘要:惯组数据的采集是进行惯组标定及导航姿态解算的基础,其数据采集精度对惯组的标定和导航精度有重要的影响。提出了一套基于PCI-E总线的惯性测量组合数据高速采集与处理系统,基于研华PCIE-1751板卡设计并实现了系统的硬件组成,在VC#平台下通过相应的数据采集控件实现了数据的高速定时采集,通过卡尔曼滤波方法对环境噪声进行消除,在VC#平台下进行DirectX的3D开发,直观展示惯组当前姿态。实验表明该系统具有直观、高效、实时及强大的数据处理与显示等优点。
      关键词:PCI-E总线;惯性测量组合;数据采集;卡尔曼滤波
      基金项目:军内科研预研基金资助项目(编号不公开)

  0 引言

       惯性导航为自主式导航技术,通过惯性测量组合(陀螺仪和加速度表)的测量输出,利用牛顿定律计算出载体当前时刻的速度、位置和姿态。惯性导航不依赖外界信息,也不向外界辐射任何能量,能够自主地、隐蔽地进行连续的三维定向和三维定位,被广泛应用于航天、航空、航海等领域[1] 。实现惯性导航需要惯组提供载体的比力和姿态信息,而这些信息可以被加速度计和陀螺仪敏感到,因此加速度计和陀螺仪的精度在很大程度上决定着惯性导航的精度。提高惯组的精度,一方面可通过提高惯组器件的制造精度,另一方面则可通过提高惯性器件误差模型的精度和标定精度。为了保证导航精确,在实验室对惯性器件进行精确误差模型的标定非常必要。要进行惯组的标定,首先需要对惯组输出的多数高速数据进行实时准确地采集,另外在采集到的数据中不可避免地会掺杂各种实验室环境噪声[2] 。基于以上考虑,设计并实现了一套基于PCI Express总线的惯组高速数据采集系统,利用PCI-E型总线高宽带的特点,能满足惯组高速数据输出的实时采集,在系统中通过卡尔曼滤波平滑噪声的优点对环境噪声进行有效滤除,另外,为更直观地显示当前惯组的输出和当前姿态,通过三维模型实时跟踪惯组的转动。
  1 系统总体设计

  本系统由硬件部分和软件部分组成。
  硬件部分用于控制惯组的加电和产生敏感信号。通过设计控制回路,自动完成惯组的加温、配电,并设计辅助电路,完成惯组的加温、通电运行等状态监控。为构建惯组动力学环境,设计了三轴转台,通过三轴转台带动惯组转动,模拟导弹在空间姿态变化,通过施加激励产生角速率和视加速度输出,产生各自由度上的敏感信号,使惯组在加电工作状态能够调整姿态。设计了信号匹配电路,实现惯组输出和数据采集卡输入之间的电平匹配和隔离。软件部分主要实现惯组输出数据的采集,实验室环境噪声的滤除、姿态解算、多路输出数据的动态显示,以及惯组姿态对三维模型的控制等功能。

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  2 硬件设计

  本系统硬件由UPS电源、信号控制箱、惯组本体、三轴转台、信号匹配箱、多路数据采集卡、工控机及显示器组成。硬件连接图如图1所示。
  2.1 PCI-E总线高速数据采集卡

  数据采集卡主要用于对惯组输出的多路数据进行实时采集,为满足惯组数据的高速需求,本系统中采用总线的数据采集卡。PCI Express是新一代的总线接口,由英特尔公司提出并由多家业界主导公司起草技术规范。该总线采用点对点串行连接,相比PCI及更早期的计算机总线的共享并行架构,每个设备都有自己的专用连接,不需要向整个总线请求带宽,可以把数据传输率提高到一个很高的频率,达到PCI所不能提供的高带宽[3]
  本系统选用研华PCIE-1751型板卡。PCIE-1751是一款采用通用PCI Express总线的48路DI/O和3路计数器卡。它提供了48路并行数字量输入/输出以及3个计数器。板卡采用高密度SCSI 68针接口,易于连接现场设备且连接稳定、可靠。PCIE-1751的其它2个特性使其在工业设置方面更具有实用性优势。如果用户将跳线JP1设置为启用此特性,则系统被热启动后(电源未关闭),PCIE-1751能够保持I/O接口的设置和输出值;否则,端口设置和输出值将恢复为默认状态,或者切换到其它跳线设置的状态。
  的另一实用特性是它支持湿接点和干接点,因而更容易连接其他设备。
  板卡计数器0、1和2为用户提供了六种选择:、One shot、、、和Pulse modulation。本系统中设置为模式。
  2.2 信号控制箱

  控制箱是一个集电源变换(220 V交流电转换成惯组、继电器、数字电路、加温电路、显示电路所需的直流电压)、指令控制、配电控制、显示监控等功能于一体的设备。上位机通电进行数据采集前,按程序完成惯组配电(加温、陀螺启动等),使惯组正常工作。
  控制箱主要完成惯组的程序配电和状态监控,惯组正常工作必须先加温、启动陀螺、接通功放回路,有指标和时间控制要求。为此,设计相应控制电路完成惯组加温控制与监控、陀螺启动与监控以及功放回路接通与监控等关键配电环节管理。硬件控制回路主要包括程控装置设计、接口电路设计、继电器控制回路设计、状态监控与显示电路设计等。为提高温控精度,温控电路对本体采用模拟式多点温控,使温度精度控制在±2 ℃之间;对重要部件,如纵向加速度计则采用二级温控,使温控精度控制在±0.5 ℃度之间。
  本系统设计和完成的信号控制箱如图2所示。

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  2.3 三轴转台

  三轴转台是本系统关键设备之一,用来安装惯组本体及产生惯性测量组合动力学环境,使惯组在加电工作状态可以通过转台调整姿态,模拟运载体在空间的姿态角度和角速率变化,产生各自由度上的敏感信号。因此三轴转台需要一定精度和运转平滑性以及一定的负载能力,同时对加工材料提出了较高要求,关键部件采用铜铝材料,减少对测试的干扰。
  三轴转台由底座、平台、航向圆齿轮、航向摇把、倾斜半圆蜗轮、倾斜摇把套筒、俯仰半圆蜗轮、俯仰摇把套筒、刻度盘(航向、倾斜、俯仰)、水准器可调支座、锁紧支腿等部件组成。航向摇把在底座上直接与航向圆齿轮啮合,倾斜和俯仰共用一个摇把,都通过摇把套筒上的蜗杆与各自的半圆蜗轮相啮合。平台装在俯仰半圆蜗轮上。T形槽用来安装控制仪移动托盘或惯性组合装置支架。
  使用转台时,必须用压板将三轴转台固定在稳定的基座上,并用三个可调支座锁紧支腿和水准器进行水平调整[4]
  三轴转台主要技术参数为:三轴转台各轴转动范围:航向±170 °、倾斜、俯仰±35 °;平台外部尺寸mm、T形槽间距75 mm、最大载重负荷30 kg。

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  2.4 其他

  (1)UPS电源:为惯组和全系统正常工作提供不间断电源,根据实际需求,选用UPS电源为艾默生,该UPS电源功率3 kW。
  (2)信号匹配箱:主要用于惯组输出的脉冲信号与数据采集卡之间的电平转换与隔离。因此在设计信号匹配箱时,需考虑以下三点因素:惯组输出与数据采集卡输入之间的电平匹配;输入与输出之间信号的干扰,本系统采用光耦隔离方式;惯组的高速输出。综上考虑,设计和完成的信号匹配箱内部结构如图3所示。
  (3)工控机:定制研华IPC-610H型工控机。该工控机配置CPU为P4(主频3.0 G)、内存为4 G,并确保有足够的PCI Express插槽以满足多路数据采集的需求。
  3 软件设计

  在搭建硬件平台的基础上,通过软件设计实现数据的采集、预处理、姿态解算、采集数据的曲线显示和运载体三维模型的姿态控制等功能。本系统硬件平台为研华工控机,软件开发平台为XP,开发环境为VC#2010和DirectX 3D。
  在程序设计中,为保证数据的连续采集,达 到 不 丢 脉 冲 的 目的,在软件设计时引入多线程技术,线程1用于数据的实时采集、处理和显示,线程2用于三维运载体模 型 的 渲 染 。 软 件流程设计图如图4所示。
  设计的系统主界面如图5所示。
  3.1 数据采集

  采集系统在VC#环境下进行开发,有两种方法可以实现VC#基础上的数据采集:DAQ控件和研华提供的动态库函数编程。在本系统设计中,通过DAQ控件进行数据采集。
  参照安装手册,完成数据采集卡的安装,在进行实际数据采集之前,先通过YB1602H数字合成函数信号发生器对数据采集卡进行测试,测试合格后再用于惯组数据的采集。
  3.2 数据处理

  惯组标定的好坏将直接影响惯性测量组合的输出精度。一般采用分立标定法标定陀螺常值漂移和加速度计零偏,即利用转台提供水平和方位基准,将地球自转角速度和重力加速度作为参考输入,并与陀螺仪和加速度计的输出进行比较,采用最小二乘法标定陀螺常值漂移和加速度计零偏。分立标定实验时直接利用陀螺与加速度计输出进行比较,器件噪声以及环境干扰都会影响标定效果。因此,带误差的标定值带来的标定误差会残留在初始对准阶段,进而造成姿态误差。因此对直接从惯性测量组合输出的信号必须经过一定的处理,才能进行标定。针对上述问题,利用卡尔曼滤波所具有的平滑噪声的特性对陀螺和加速度计输出进行预处理,滤除对准环境中干扰噪声的影响[5]
  3.3 姿态解算

  姿态解算主要是完成坐标系的变换,即将测得的加速度和角速率转换到导航坐标系下,同时计算出飞行器的姿态、速度和位置。目前常用的姿态解算算法有欧拉角法、方向余弦法和四元数法。由于欧拉角法求解时,方程中存在奇点,所以不能用于全姿态飞行器上。方向余弦法虽然可以全姿态解算,但是由于计算量大,所以也不能用于导弹姿态实时解算。本系统采用四元数法进行导航计算。四元数的概念是1843年由哈密顿首先提出的,为现代数学中的内容之一。近些年来,随着控制理论、惯性技术、计算技术的发展,为了更简便地描述刚体的角运动,设计控制系统,广泛采用了四元数这个数学工具,用它来描述刚体角运动的3个欧拉角参数在设计控制系统时的不足。该算法无奇点,计算量小,可实时解算 [6] 。
  3.4.1 数据显示

  和三维模型渲染数据的实时显示为了直观地显示惯组输出的多路信号,通过数据曲线的方式将多路信号在程序界面进行动态显示。在程序主界面中划出动态显示区域,每个区域显示1路信号,由网格曲线和数据曲线组成。由于程序界面大小的限制,每组只动态绘制最近采样的300个数据。如图5中上部分所示。
  另外,为了方便对采集到的数据进行分析处理,在进行数据采样时,每采样一次便将采集到的数据作为一组保存在测试界面的文本框中。通过和saveFileDialog控件实现打开历史数据和保存当前测试数据的功能。每一次测试结束后,需要将当前测试的数据进行保存,通过点击“保存数据”调用控件,将文本框的数据以txt的格式保存到本地磁盘,该文本文件记录了采样的次数及每次采样的数据,方便以后通过MATLAB等软件进行数据分析和处理。为查看历史数据,通过点击“历史数据”按钮调用openFileDialog控件,将存储在本地磁盘的历史数据打开在文本框中显示。如图5中下部分所示。

  3.4.2 三维模型渲染

  为了直观地显示当前惯组在三轴转台上的姿态,在程序界面上通过三维模型动画实时跟踪惯组的转动。本系统通过在VC#下进行DirectX的3D开发,实现三维模型的渲染。
  是一套用于创建游戏和多媒体程序的底层应用程序接口,其支持高性能的二维和三维图形显示、声音以及输入等。在导入模型到程序之前,首先需要利用3DMAX软件制作一个三维模型,然后通过插件将三维模型的.max文件导出为DirectX 3D可用的.X文件。在进入数据采集界面时,通过自设计的LoadMesh()函数将导弹模型的.X文件导入到程序界面中的控件上,此时在控件所在的区域上能出现静止且位置为初始位置的运载体三维模型。开始采样后,启动线程2,每20 ms读取一次当前惯组的姿态角信息,以控制三维模型的旋转变化。
  4 小结

  本系统能对实验室环境下惯组输出的高速数据进行实时准确地采集,对采集到的数据能方便存储,利于后续的分析处理,具有可靠性高、直观、高效、实时及强大的数据处理与显示等优点。如要用于野外,则需考虑对惯组输出信号的奇异值进行相应处理,为下一步需要完善的地方做准备。

  参考文献
  [1] 邓正隆.惯性导航原理[M].哈尔滨工业大学出版社.1994:117~136.
  [2] Titterton D H, Weston J L. Strapdown inertial navigation technology [M]. London: Peter Peregrinus Ltd, 2004: 148-173.
  [3] Anderson D, Shanley T. PCI Express System Architecture. Addison-Wesley Professional.2004.
  [4] 李强.三轴仿真转台设计及动力学研究[D].哈尔滨工程大学,2007.
  [5] FOO P H, NG G W. Combining the interacting multiple model method with particle filters for maneuvering target tracking [J]. IET Radar, Sonar and Navigation, 2011, 5(3): 234-255.
  [6] 张荣辉,贾宏光,陈涛,等.基于四元数法的捷联式惯性导航系统的姿态解算[J].光学精密仪器,2008,16(10):1963-1970.
  作者简介:
  宋仔标(1980—),男,湖北潜江人,博士,主要研究方向:测试与控制等方面的研究。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第4期第49页,欢迎您写论文时引用,并注明出处

关键词: 201904 PCI-E总线 惯性测量组合 数据采集 卡尔曼滤波

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