基于PC/104工控機(jī)的嵌入式光纖陀螺變形測量
時(shí)間:2007-04-27 23:16:00來源:lijuan
導(dǎo)語:?利用嵌入式PC/104作為平臺,采用模式化設(shè)計(jì)能得到光纖陀螺變形測量系統(tǒng)的最佳方案。
一、概述
光纖陀螺儀是一種基于光學(xué)Sagnac干涉效應(yīng)的新型角速度敏感元件,可測量運(yùn)動(dòng)物體的角速度。將光纖陀螺的測量裝置沿被測曲線或曲面運(yùn)動(dòng),記錄其角速度變化值,可測得該裝置行駛的軌跡,繼而得到被測對象的表面曲線。由于該測量方法只需要架設(shè)測量軌道,基準(zhǔn)點(diǎn)容易確定(以起點(diǎn)為基準(zhǔn)),能夠連續(xù)、長時(shí)間、反復(fù)測量并保證較高的測量精度,所以這是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型測量方法。但實(shí)際工程多半是室外作業(yè),被測對象離監(jiān)控室往往幾十、上百公里,而且環(huán)境惡劣,尤其是水下工程,無法用電纜來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,所以需要將光纖陀螺密封在一個(gè)“黑箱”中,要求其能夠自給電源并完成自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄和存儲任務(wù)。而嵌入式PC在惡劣環(huán)境下(比如高溫、潮濕和震動(dòng)等)能長期可靠工作,所以利用嵌入式PC/104作為平臺,采用模式化設(shè)計(jì)能得到光纖陀螺變形測量系統(tǒng)的最佳方案。
PC/104是嵌入式PC的機(jī)械電氣標(biāo)準(zhǔn),它秉承了IBM-PC開放式總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),完全與PC/AT機(jī)兼容,并且具有超小尺寸、超低功耗、抗干擾、抗惡劣環(huán)境好、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。它采用緊湊的自棧式、模塊化結(jié)構(gòu),軟件采用模塊化語言(如C、C++)和面向?qū)ο蟮木幊谭椒?。整個(gè)嵌入式PC體系結(jié)構(gòu)可以作為一個(gè)超級芯片,具有所有主板功能及RAM和BIOS,無須擔(dān)心PC-BIOS修改。PC/104CPU模塊還具備“固態(tài)盤”,不必?fù)?dān)心程序的“固化”問題。采用PC/104作光纖陀螺測量控制平臺能使控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大,軟件編程容易、系統(tǒng)維護(hù)和升級方便。
二、系統(tǒng)組成與工作原理
本文主要是針對嵌入式光纖陀螺形變測量系統(tǒng)的專用化、靈活性而設(shè)計(jì)的,系統(tǒng)以PC/104為控制中心,配有控制邏輯電路、電子硬盤、液晶顯示器和存儲芯片,可以完成光纖陀螺牽引速度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲,實(shí)時(shí)角速度顯示、啟動(dòng)/停止控制。外接顯示器和打印機(jī)可顯示或打印被測形變曲線。
1、PC/104系統(tǒng)
第一塊PC/104誕生于1987年,但嚴(yán)格意義的規(guī)范說明在1992年才公布。PC/104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線,而IEEE-P996是PC和PC/AT工業(yè)總線規(guī)范,IEEE協(xié)會(huì)將它定義為IEEE-P996.1,因此,PC/104實(shí)質(zhì)上就是一種緊湊型的IEEE-P996。其信號定義和PC/AT基本一致,但電氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同,是一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)。
該系統(tǒng)主控中心采用486DX級別的S104/DX-440主機(jī)板,與普通PC/AT計(jì)算機(jī)完全兼容,具有下列特點(diǎn):
(1)采用低功耗486CPU,并可通過跳線調(diào)節(jié)CPU的頻率。
(2)顯示內(nèi)存由512K增強(qiáng)至1M,進(jìn)一步豐富了圖形顯示功能。
(3)同時(shí)提供CRT/LCD顯示接口,可支持各種顯示屏。
(4)提供一個(gè)在板DOC(Disk On Chip)插座,可支持8M~144M的DOC。
(5)主板支持2個(gè)串行口。COM1為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口;COM2則可在RS232、TTL電平、RS485之間三選一。
(6)DX-440主板上有1個(gè)并行口,為標(biāo)準(zhǔn)的LPT雙向打印口。
2、鍵盤與顯示
通過PC/104主模塊標(biāo)準(zhǔn)鍵盤接口連接小鍵盤,用于對光纖陀螺的牽引速度進(jìn)行查閱、控制和調(diào)節(jié)。
顯示部分可以采用液晶顯示模塊配PC/104顯示接口,通過軟件編程顯示光纖陀螺的測量角速度和被測物體變形曲線。
3、光纖陀螺形變測量原理
放置在測量系統(tǒng)中的光纖陀螺儀是對角速度敏感的傳感器,當(dāng)裝載有光纖陀螺儀的測量裝置緊貼被測物體的表面行進(jìn)時(shí),就可以測得裝置運(yùn)行的軌跡,繼而得到被測物體表面的形變。
4、系統(tǒng)控制軟件
控制軟件采用C語言編程,在TurboC++3.0環(huán)境下開發(fā)系統(tǒng)的控制軟件由主程序、數(shù)據(jù)采集程序、液晶顯示程序等幾部分組成,采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)??刂栖浖軌蛲瓿蓪y量參數(shù)的設(shè)定和顯示/啟動(dòng)和停止測量/記入光纖陀螺和速度計(jì)輸出/繪制被測物體的一維曲線。控制軟件流程圖3所示。
5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在實(shí)驗(yàn)中,我們選用一臺從國外進(jìn)口的數(shù)字輸出型單軸干涉型RD系列光纖角速度陀螺儀,其輸出最高角速度為±100°/s,測量精度為0.014o/s,比例因子為0.00305°/s/bit,數(shù)據(jù)輸出頻率fout=10Hz。我們?yōu)樵撓到y(tǒng)搭建了一個(gè)有坡度和繞度的模型,用以模擬一維曲線。模型原始數(shù)據(jù)用“×”表示(淺色線),實(shí)際測量到的軌道曲線用“-”表示(深色線)。經(jīng)過多次對模型測量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,具有較高的測量精度,能夠滿足工程測量的要求。
三、結(jié)束語
PC體系結(jié)構(gòu)的流行不僅造就了整個(gè)PC產(chǎn)業(yè),也為嵌入式計(jì)算機(jī)提供了一種新的方向,PC/104為嵌入式系統(tǒng)提供了“面向?qū)ο蟆钡脑O(shè)計(jì)理念,它特有的尺寸微型、功能強(qiáng)大、性能高和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)使其成為一個(gè)模塊化部件而廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。
以嵌入式PC/104為平臺的光纖陀螺工程形變測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單,控制靈活,有很強(qiáng)的適應(yīng)性。
(2)大尺寸液晶顯示屏和小鍵盤,人機(jī)界面友好,操作方便簡單。
(3)系統(tǒng)小型化,適應(yīng)野外試驗(yàn),減少人工強(qiáng)度。
(4)電路集成化,提高了系統(tǒng)的可靠性。
在將該裝置投入到實(shí)際應(yīng)用前,我們還需要對該測量系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)和完善,以適應(yīng)實(shí)際大型結(jié)構(gòu)形變測量的需要。
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