光纤陀螺自动化测试系统设计

1、光纤陀螺自动化测试系统设计 代 号 10701 学 号 1011120583 分类号 TP302 密 级 公开 题 （中、英文）目 光纤陀螺自动化测试系统设计 The Design of Fiber-optic Gyroscope Auto-testing System 作 者 姓 名 孙景军 指导教师姓名、职务 初秀琴 副教授 学 科 门 类 工 学 学科、专业 电路与系统 提交论文日期 二一三年一月 西安电子科技大学 学位论文独创性（或创新性）声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注

2、和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 日期 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手

3、段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 日期 导师签名： 日期 摘要 光纤陀螺由于精度高、结构简单、寿命长、成本低等显著特点而广泛应用于 航空、航天以及航海等领域。随着光纤陀螺精度的提高与需求量的增加，传统手 动的测试方法已经不能满足光纤陀螺科研与生产的要求，因此研制一套精度高、 功能齐全的光纤陀螺自动化测试系统具有重大的意义。 本文采用虚拟仪器技术，设计了一套光纤陀螺自动化测试系统，以判断其性 能指标是否达到标准。论文详细阐述了测试系统的硬件单元设计和系统软件设计。 硬件单元包括信号隔离电路、存储电路、以太网模块、电源模

4、块等；系统软件设 计主要包括 FPGA 数据采集的逻辑设计、基于 SOPC 的嵌入式系统软件设计和基 于LabWindows/CVI 的上位机软件设计。基于SOPC 的嵌入式系统软件设计实现采 集数据的高速传输；基于 LabWindows/CVI 的上位机软件实现光纤陀螺数据的接 收、显示和处理，控制温箱转台模拟光纤陀螺测试的试验环境。 本文设计的测试系统经过实际运行测试表现出了良好的稳定性，完成了所有 的测试功能，用户界面操作简单，测试结果准确，完全满足光纤陀螺科研生产的 需求。 关键词：光纤陀螺 虚拟仪器 以太网 数据采集 Abstract Due to its significant c

5、haracteristics of high precision, simple structure, long life and low cost, FOG fiber-optic gyroscope has been widely used in areas such as aviation, aerospace and navigation etc. With the improving accuracy and increasing demand for fiber-optic gyroscope, there is a great shortage of traditional ma

6、nual testing method, which seriously affects the research and production of fiber-optic gyroscope, so the development of a high-precision, fully functional FOG auto-testing system is of great significance. Based on virtual instrument technology, this paper implements a fiber optic gyroscope auto-tes

7、ting system, which can be used to determine whether the performance of FOG is up to the standards. The hardware unit design and system software design of this system are discussed in detail. The hardware unit circuit contains signal isolation circuit, memory circuit, Ethernet circuit and power suppl

8、y circuit etc. The design of the system software is mainly about the FPGA logic design of data acquisition, the embedded software design based on SOPC and the PC software design based on LabWindows/CVI. The embedded software based on SOPC is designed to achieve high-speed transmission of data; the P

9、C software based on LabWindows/CVI is designed to receive, display and process data of FOG, simulate the test experiments for FOG by controlling incubator and turntable. The test system in this paper has been proved to be stable after a period of test and can complete all the test functions. It is e

10、asy to operate and the result is more precise. The test system can fully meet the requirements of research and production of FOG. Keyword: Fiber-optic gyroscope Virtual instrument Ethernet Data acquisition 目录 第一章 绪论. 1 1.1 光纤陀螺的原理及特点. 1 1.2 光纤陀螺国内外的发展概况.2 1.2.1 国外光纤陀螺发展概况.2 1.2.2 国内光纤陀螺发展概况.3 1.3 课题

11、研究背景及意义.3 1.4 论文的主要内容及组织结构.4 第二章 光纤陀螺自动化测试系统方案设计.7 2.1 虚拟仪器概述.7 2.2 光纤陀螺性能测试指标.7 2.3 光纤陀螺自动化测试系统方案设计.9 2.3.1 光纤陀螺自动化测试系统功能要求.9 2.3.2 光纤陀螺自动化测试系统组成架构. 10 第三章 系统硬件设计. 13 3.1 控制采集测试仪总体硬件设计. 13 3.2 存储模块设计. 14 3.2.1 DDR2 SDRAM 内存模块设计. 14 3.2.2 FLASH 存储模块设计. 15 3.3 以太网模块设计. 16 3.4 信号处理模块设计. 17 3.4.1 光纤陀螺信

12、号处理. 18 3.4.2 电流信号处理. 19 3.5 电源模块设计.20 3.6 FPGA 选型及辅助电路设计.23 3.6.1 FPGA 技术简介及选型.23 3.6.2 串口通信电路设计.23 3.7 基于SOPC 的数据采集处理系统设计.24 3.7.1 PowerPC 硬核处理器.25 3.7.2 基于PowerPC440 的硬件架构.25 第四章 系统软件设计.29 4.1 FPGA 数据采集逻辑设计.29 4.1.1 RS422 串行数据采集.29 4.1.2 脉冲数据采集. 32 4.2 基于SOPC 的嵌入式系统软件设计. 32 4.2.1 XMK 软件系统. 32 4.2

13、.2 LwIP 协议简介. 33 4.2.3 下位机软件设计. 34 4.3 基于LabWindows/CVI 的上位机软件设计. 37 4.3.1 LabWindows/CVI 开发平台简介. 37 4.3.2 上位机软件功能框图. 38 4.3.3 温箱转台控制模块. 39 4.3.4 光纤陀螺数据采集与处理模块.41 4.3.5 显示界面设计模块.44 4.3.6 系统功能测试与结果分析.45 第五章 总结与展望.49 致谢. 51 参考文献. 53 作者在读期间取得的研究成果. 55 第一章 绪论 1 第一章 绪论 光纤陀螺是基于萨格奈特（Sagnac ）效应的一种新型角速率传感器。同

14、静电陀 螺、压电陀螺、激光陀螺等相比，由于其具有结构简单、灵敏度高、寿命长、成 本低、体积小等显著特点而广泛应用于航空、航天及航海等领域，在国防建设和 国民经济中起到了重要的作用。但是光纤陀螺存在较大的个体差异，需要进行大 量的性能测试，随着光纤陀螺精度的提高与需求量的增加，传统手动的测试方式 已经不能满足光纤陀螺科研和生产的需求，因此研制一套精度高、功能齐全的光 纤陀螺性能参数自动化测试系统具有重要意义。 1.1 光纤陀螺的原理及特点 光纤陀螺是一种新型的角速率传感器，它的基本原理是萨格奈特效应，即在 一个闭合回路中，沿顺时针方向和逆时针方向传播的两束光的光程差 与闭合回 ?L 1 路旋转角

15、速度 及闭合回路面积 成正比，与真空的光速 成反比 ，如式（1- 1） ? A C 0 所示： 4A ?L ? （1- 1） C 0 在实际应用中，光纤陀螺的闭合回路是由N 圈光纤绕制而成的，则积累的光 程差 如式 （1-2 ）所示： ?L m 4AN ?L ? （1-2 ） m C 0 此时，相应的相位差? 如式（1-3 ）所示： s 2? 8?AN ? ?L ? （1-3 ） s ? m ? C 0 0 0 其中， 为真空中的波长；设光纤圈的半径为 ，光纤敏感环的总长度为 ， ? R L 0 ? 则光程差 可如式（1-4 ）所示： s 4?RL ? ? K ? （1-4 ） s ? C 0

16、 0 上式中， 称为比例因子，它表征了光纤陀螺灵敏度的大小。所以通过相位 K 差? 就可以确定角速度 ，这就是萨格奈特效应。通过角速度的时间积分就可 ? s 以确定旋转体的角位置或方位角，因此广泛应用于惯导系统中。 光纤陀螺作为一种新型传感器件，与传统的液浮陀螺、动力调谐陀螺、静电 2 光纤陀螺自动化测试系统设计 陀螺及环形激光陀螺相比，具有许多突出的特点： 1 稳定性好，具有良好的抗冲击能力和抗加速度运动的能力； 2 结构简单、价格低、重量轻、体积小、寿命长； 3 检测灵敏度和分辨率高，动态范围宽； 4 启动时间短（理论上可以瞬时启动），易采用集成光路技术。 1.2 光纤陀螺国内外的发展概况

17、 自从1976 年美国犹他大学（Utah）的V.Vail 和R.W.Shorthill 首次成功制作第 一个光纤陀螺，至今，光纤陀螺以其结构简单、灵敏度高、动态范围大、寿命长、 成本低、体积小、抗冲击能力强等显著的特点以及在航空、航海、航天等诸多领 域的诱人应用前景，广泛受到世界各国高等院校以及科研机构的高度重视，经过 三十多年的坎坷历程，光纤陀螺研究取得了飞速的发展并得到了广泛的应用。但 是，由于外部环境和科研水平的不同，光纤陀螺在各国的发展研究状况不尽相同， 2-5 具有各自独立的特点 。 1.2.1 国外光纤陀螺发展概况 国外光纤陀螺的研究主要集中在美国、日本和欧洲的几个国家。美国在高精

18、 度光纤陀螺的研发上占据领导地位；日本则关注于光纤陀螺的商业应用，在中、 低精度光纤陀螺的生产上具有优势；欧洲则致力于中、高精度的光学陀螺研究及 应用。 美国在光纤陀螺研究和应用上一直处于领头羊的地位，其首先开发并研制光 纤陀螺，许多著名的高等学府、科研机构及大公司从事这方面的研究工作，利顿 （Litton）公司的光纤陀螺技术在低、中精度应用领域已经完全成熟，其推出的光 纤陀螺20 世纪90 年代初应用于海军舰载机导航和火控系统；霍尼韦尔（Honeywell ） 公司主要研究高精度光纤陀螺，可应用于潜艇导航系统和深层空间飞行系统；德 雷珀（Draper ）实验室早在1978 就开始研究空间应用

19、的高精度光纤陀螺；麦道公 司早在1984 年就将光纤陀螺应用于油井钻探的定位，1986 年更是研究出应用于火 箭系统的光纤陀螺。 日本紧追美国的步伐，注重于中、低精度光纤陀螺的商业应用，其主要研究 机构有东京大学、住友电工公司、日立公司以及日本航空电子工业公司等。目前， 日本已经完成了干涉式光纤陀螺的基础研究，已经进入了商业化阶段，其在谐振 器光纤陀螺的研究方面也取得了较大的进展。 俄罗斯的光纤陀螺主要有全光纤型和集成光学型，成立于1989 年的Fizoptika 公司研究的光纤陀螺采用嵌入式原创无接合技术，消除了光纤损耗，节约了生产 第一章 绪论 3 时间和成本，已经完全商品化，其主要型号有

20、VG949 、VG941B、VG910D 等，在 俄罗斯颇有市场。 德法等国也非常重视光纤陀螺的研究及应用，法国的Ixsea SAS 公司拥有光纤 陀螺的多项关键专利技术，其研究的光纤陀螺曾应用在巴西的卫星上；德国的Litef 公司、SEL 公司以及Teldix 公司研究的光纤陀螺也广泛应用在军事系统中。 1.2.2 国内光纤陀螺发展概况 同国外相比，我国光纤陀螺的研究和发展起步较晚，直到1987 年光纤陀螺研 究才被列入重点预先研究计划之中。随着我国对光纤陀螺投资力度的不断提高， 在高等学府及科研机构工作人员的不懈努力下，经过二十多年的不断发展，我国 的光纤陀螺研究工作取得了极大的进展，同国

21、外机构的差距不断缩小。中航工业 西安飞行自动控制研究所、西安兵器的205 所、航天三院的33 所、清华大学、浙 江大学、北京航天航空大学、西北工业大学、西安电子科技大学等都在加紧研制 光纤陀螺。目前，我国已经掌握了中、低精度光纤陀螺的研制方法，在一些关键 技术上已达到国际领先水平，这些光纤陀螺广泛应用在航天、航空及航海等领域， 满足了我国军事化建设和民用的需求。但是，我国在高精度光纤陀螺的研究上还 处于相对落后的状态，尚需付出艰辛的努力。 目前，光学陀螺由于体积小、质量轻、成本低、精度高、启动时间短、动态 范围大以及可靠性高等优势，正在逐步替代其他类型的陀螺，其未来的研究趋势 6 主要有三个方

22、面：一是向体积小、价格便宜、集成度高的小型化方向发展 ，为军 事应用及国民经济建设提供可靠廉价的产品；二是向高精度、高可靠性的方向发 展，提供更高精度的惯性系统元件；三是向产品多元化、产业化的方向发展，以 满足市场的不同需求。 1.3 课题研究背景及意义 目前，我国中、低精度的光纤陀螺研究已经达到国际领先水平并进入批量生 产阶段，在军事和民用方面的应用越来越广泛，研究人员正在努力攻克高精度光 纤陀螺的相关技术。光纤陀螺的性能优劣取决于其性能指标是否符合要求，为了 准确评价每一个光纤陀螺的性能（包括静态性能和动态性能），确保其精度和稳定 性，完善的测试方法和高精度的测试系统是必不可少的。 随着光

23、纤陀螺精度的提高和需求的不断增加，以及光纤陀螺存在较大的个体 差异，在光纤陀螺的测试过程中，为了保证测试结果的准确度，必须严格控制外 部环境，进行大量的重复性测试，记录测试结果并进行分析处理。这需要经验丰 富的工作人员设置温箱温度、控制转台速率，记录测试数据并处理。一般的测试 4 光纤陀螺自动化测试系统设计 工作量大、耗费时间长，可能需要几个小时甚至数天。过去，这些复杂的测试工 作通常是由人工完成的，测试结果也是人工计算的，这对工作人员的经验要求较 高并且需要极大的耐心。而今，传统的手工测试方法已不再满足当前高精度光纤 陀螺科研和生产规模化的要求，因此近年来普遍采用自动化测试技术。 光纤陀螺的

24、自动化测试系统是指由工控机控制若干设备（转台、温箱等），通 过专用的数据采集设备完成数据的自动化采集及处理，并给出测试结果。随着光 纤陀螺性能的不断提高，测试系统的复杂性与日俱增，目前已有的一些光纤陀螺 测试系统已不能满足当前测试的要求。如基于MOXA 卡的RS232/RS422 型光纤陀 7 螺数据采集处理系统，基于USB 总线的光纤陀螺测试系统 。这些测试系统在一 定程度上虽然可以完成光纤陀螺的基本性能参数测试，但都存在一些不足。基于 MOXA 卡的RS232/RS422 型光纤陀螺数据采集系统数据传输率慢，当采集高速数 据时，存在丢数和跳大数等问题；基于USB 总线的数据采集系统虽然可以

25、解决数 据传输问题，但其硬件电路相对复杂，难以实现。同时，这些测试系统自动化程 度低，基本只是完成了数据采集及相关参数计算，需要人工控制转台和温箱，使 用万用表测试产品电压，测试数据仍需要人工分析计算，测试结果不直观。这都 成为制约光纤陀螺科研和生产的重要原因，也是光纤陀螺自动化测试系统急需解 决的问题。 因此，本文提出一种基于虚拟仪器架构的光纤陀螺性能参数自动化试测试系 统设计方案，通过专用的控制采集测试仪实现四路光纤陀螺信号采集并通过以太 网发送给上位机进行显示、存储及处理，通过工控机对转台温箱进行实时控制， 通过电压电流表测试产品电流，自动进行数据处理并生成相关报表。 1.4 论文的主要

26、内容及组织结构 本文设计的光纤陀螺自动化测试系统内容涉及硬件电路设计和应用程序开发 两个方面，论文详细阐述了各部分的相关技术和实现方案。 论文共分为五章，各章节的主要内容安排如下： 第一章：绪论。主要介绍光纤陀螺的基本概念、发展历程、研究现状，课题 研究背景、意义和章节安排，并对论文进行了整体的概括。 第二章：光纤陀螺自动化测试系统方案设计。本章首先介绍了虚拟仪器的基 本概念、光纤陀螺的性能测试参数、光纤陀螺的测试环境及系统实现的功能，根 据系统功能制定系统设计方案，为后文的硬件和软件设计奠定基础。 第三章：系统硬件设计。采用模块化的设计方法，将系统硬件电路设计分为 信号调理电路、存储器模块、

27、以太网模块、电源模块和外围辅助电路模块等，完 成了光纤陀螺的数据采集以及采集数据的高速传输。 第一章 绪论 5 第四章：系统软件设计。系统软件设计包括 FPGA 数据采集的逻辑设计、基 于SOPC 的嵌入式系统软件设计和基于LabWindows/CVI 的上位机软件设计。基于 FPGA 的数据采集主要完成光纤陀螺的信号采集；基于SOPC 的嵌入式系统软件设 计主要完成采集数据的高速传输；基于LabWindows/CVI 的上位机软件主要实现光 纤陀螺数据的接收、显示、处理及报表生成，控制温箱转台模拟光纤陀螺测试的 试验环境。 第五章：总结和展望。概括总结了全文的主要内容，根据测试系统实际使用

28、中存在的不足，给出了下一步要做的工作。 第二章 光纤陀螺自动化测试系统方案设计 7 第二章 光纤陀螺自动化测试系统方案设计 本章首先介绍了虚拟仪器的相关技术，接着阐述了光纤陀螺测试的具体性能 参数，然后介绍了光纤陀螺自动化测试系统的功能要求，这些是整个系统方案设 计的基础，最后给出了整个光纤陀螺自动化测试系统具体的设计方案。 2.1 虚拟仪器概述 虚拟仪器是计算机技术与仪器科学技术相结合的产物，是计算机辅助测试的 8 一项重要技术 。它以计算机和高性能的测控模块为核心硬件、结合高效灵活的虚 拟仪器软件来完成各种测试和自动化控制的应用，以达到改善产品质量、缩短产 品生产周期、提高产品生产效率的目

29、的。它以计算机的显示器模拟传统测试设备 的控制面板，以丰富多彩的形式显示测试结果；利用计算机软件完成信号数据的 分析与处理；利用I/O 接口设备实现信号的调理与采集，从而完成各种复杂的测试 功能。虚拟仪器主要由硬件设备、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。 虚拟仪器的硬件系统主要包含两部分：计算机硬件平台和具有测控功能的硬 件设备。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，它是整个硬件平台的核心， 负责管理虚拟仪器的软件资源，提供强大的数据处理功能和图形图像显示功能； 测控功能硬件设备是虚拟仪器开发的基础，主要完成被测信号的调理与采集等。 测控软件是整个虚拟仪器系统的核心，它主要包括虚拟仪器的开发软件

30、和硬 件通信的I/O 接口软件。在虚拟仪器系统中，硬件是基础，软件是主心骨。通过功 能强大的计算机软件来代替传统测试仪器的某些硬件，直接参与测试信号的测量 特性分析，实现传统仪器无法达到的强大功能。虚拟仪器软件主要包括仪器面板 控制软件、数据分析处理软件、仪器驱动软件以及通用I/O 接口软件等。 目前，通用的虚拟仪器编程语言有两种：一是文本式编程语言，如Visual C+、 Visual Basic、LabWindows/CVI 等；二是图形化编程语言，如HPVEE、LabVIEW 等，这些虚拟仪器开发工具为用户开发应用程序提供了极大的便利。 综上所述，虚拟仪器中计算机是载体，软件是核心，可靠稳定的数据采集卡 是关键。所有的虚拟仪器测试设备就是通过硬件测试平台同计算机平台有效的结 合起来，通过功能强大的软件完成测控功能。同其他技术相比，虚拟仪器技术具 有明显的优势：性能高、扩展性强、开发时间短及无缝集成。由于虚拟仪器具有 上述无以伦比的优势，因此本文中采用虚拟仪器技术构建光纤陀螺自动化测试系 统设计方案。 2.2 光纤陀螺性能测试指标 8 光纤陀螺自动化测试系统设计 目前具有权威性共认性的光纤陀螺测试规范主要有两种：一是由国家科学技 术委员会于 200