摘要：光纖陀螺儀是一種新型角速度敏感元件，本文詳細(xì)介紹了光纖陀螺和以PC/104作平臺(tái)的嵌入式光纖陀螺形變測(cè)量系統(tǒng)的工作原理,并給出了系統(tǒng)的硬件組成及軟件設(shè)計(jì)方法。 關(guān)鍵詞：光纖陀螺；PC/104；形變測(cè)量 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(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的角速度。將光纖陀螺的測(cè)量裝置沿被測(cè)曲線或曲面運(yùn)動(dòng)，記錄其角速度變化值，可測(cè)得該裝置行駛的軌跡，繼而得到被測(cè)對(duì)象的表面曲線。由于該測(cè)量方法只需要架設(shè)測(cè)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(zhǎng)時(shí)間、反復(fù)測(cè)量并保證較高的測(cè)量精度，所以這是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型測(cè)量方法。但實(shí)際工程多半是室外作業(yè)，被測(cè)對(duì)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(wú)法用電纜來(lái)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(chǔ)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(zhǎng)期可靠工作，所以利用嵌入式PC/104作為平臺(tái)，采用模式化設(shè)計(jì)能得到光纖陀螺變形測(cè)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(yǔ)言（如C、C++）和面向?qū)ο蟮木幊谭椒āＵ麄€(gè)嵌入式PC體系結(jié)構(gòu)可以作為一個(gè)超級(jí)芯片，具有所有主板功能及RAM和BIOS，無(wú)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(wèn)題。采用PC/104作光纖陀螺測(cè)量控制平臺(tái)能使控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大，軟件編程容易、系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)方便。 二、系統(tǒng)組成與工作原理 本文主要是針對(duì)嵌入式光纖陀螺形變測(cè)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(chǔ)芯片，可以完成光纖陀螺牽引速度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(cè)形變曲線。其主要組成原理如圖1所示。 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(shuō)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(hào)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(jí)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(guò)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(guò)PC/104主模塊標(biāo)準(zhǔn)鍵盤接口連接小鍵盤，用于對(duì)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(guò)軟件編程顯示光纖陀螺的測(cè)量角速度和被測(cè)物體變形曲線。 3、光纖陀螺形變測(cè)量原理 放置在測(cè)量系統(tǒng)中的光纖陀螺儀是對(duì)角速度敏感的傳感器，當(dāng)裝載有光纖陀螺儀的測(cè)量裝置緊貼被測(cè)物體的表面行進(jìn)時(shí)，就可以測(cè)得裝置運(yùn)行的軌跡，繼而得到被測(cè)物體表面的形變。 假定光纖陀螺沿圖中一維曲線運(yùn)行，在i時(shí)刻運(yùn)行到（Xi,Yi）點(diǎn)，已知陀螺的線速度為Vi，光纖陀螺的角速度為Ω，當(dāng)測(cè)量時(shí)間間隔足夠小時(shí)，i+1點(diǎn)的坐標(biāo)可以用以下公式近似計(jì)算： 其中，速度與X軸的夾角為：θi=θi-1+Ωi·△t 測(cè)量時(shí)間間隔?t內(nèi)測(cè)量裝置走過(guò)的距離△L=Vi·△t。在工程測(cè)量中，將光纖陀螺沿被測(cè)表面運(yùn)行，通過(guò)PC/104記入光纖陀螺的角速度和線速度數(shù)據(jù)，根據(jù)這組公式可以計(jì)算出陀螺的實(shí)際運(yùn)行軌跡，繼而得到被測(cè)對(duì)象的變形曲線。 4、系統(tǒng)控制軟件 控制軟件采用C語(yǔ)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?duì)測(cè)量參數(shù)的設(shè)定和顯示/啟動(dòng)和停止測(cè)量/記入光纖陀螺和速度計(jì)輸出/繪制被測(cè)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(tái)從國(guó)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(cè)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(cè)量到的軌道曲線用“－”表示（深色線）。經(jīng)過(guò)多次對(duì)模型測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有較高的測(cè)量精度，能夠滿足工程測(cè)量的要求。 三、結(jié)束語(yǔ) 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(tái)的光纖陀螺工程形變測(cè)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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)該測(cè)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(cè)量的需要。