CN104880202B - 一种转台控制系统高速数据融合与处理系统及方法 - Google Patents

一种转台控制系统高速数据融合与处理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种转台控制系统高速数据融合与处理系统及方法，其所述的上位计算机包括上位工控机，与上位工控机连接的光电隔离I/O模块和高速串口；该光电隔离I/O模块还与逻辑切换电路连接；所述的下位计算机包括下位工控机，与下位工控机连接的高速串口、DA输出卡、角度计数卡；该下位计算机的高速串口与上位计算机的高速串口相连，通过高速串行接口进行数据通讯；DA输出卡还与逻辑切换电路连接。本发明在转台控制系统中，采用高速串口通讯方式，将上下位机交互的大量高速数据进行融合与处理，巧妙地设计了数据结构及传送机制，上下行数据通道彼此独立，互不干涉，数据解算准确合理，已在多台转台系统上得到实际验证。

Description

一种转台控制系统高速数据融合与处理系统及方法
技术领域
本发明属于惯导测试技术领域，涉及一种转台控制系统高速数据融合与处理系统及方法。
背景技术
高精度测试转台作为检测和评价惯性元件及惯性系统的主要设备，其性能的优劣直接关系到测试的可靠性和置信度，在一定程度上是保证惯导系统精度的前提。测试设备的精度要求比被测仪表的精度至少高三倍以上，一般要高一个数量级。随着惯性导航技术的日益发展，对测试转台的技术要求愈加苛刻，对测试转台的研究和发展也提出了新的要求。以三轴转台为例，如图1所示，通常由负载安装空间1、内环2、内环轴3、中环4、中环轴5、外环6、外环轴7和底座8组成，每个控制回路均包括：环架动力学结构、电机与功率驱动系统、角运动传感器及测量系统、运动伺服控制器及控制单元。其中：运动伺服控制器接收测量反馈信号，并构成相应的闭环伺服系统；控制单元接收外部指令或内部产生相应的运动轨迹。
转台控制系统一般包括人机操作界面及实时控制系统，人机操作界面主要用来接受用户的各种操作命令及显示相关信息曲线，实时控制程序主要接收人机指令实时实现转台的各种功能；转台使用过程中，人机操作界面及实时控制程序之间需要实时相互传递大量数据信息，保证转台正常工作。
发明内容
本发明的目的是针对转台控制系统，提供一种转台控制系统高速数据融合与处理系统及方法，其能够利用有限的硬件资源，最大程度保证转台工作时数据准确可靠。
本发明所述的一种转台控制系统高速数据融合与处理系统，其包括上位计算机、下位计算机、逻辑切换电路；所述的上位计算机包括上位工控机，与上位工控机连接的光电隔离I/O模块和高速串口；该光电隔离I/O模块还与逻辑切换电路连接；所述的下位计算机包括下位工控机，与下位工控机连接的高速串口、DA输出卡、角度计数卡；该下位计算机的高速串口与上位计算机的高速串口相连，通过高速串行接口进行数据通讯；DA输出卡还与逻辑切换电路连接；所述的逻辑切换电路还同时连接若干个线性功率放大器，每个线性功率放大器一一对应连接一个驱动电机及光电码盘；每个光电码盘均连接下位计算机的角度计数卡。
如上所述的一种转台控制系统高速数据融合与处理系统，该系统还包括强电及切换保护电路，与强电及切换保护电路连接的直流电源单位；其中，强电及切换保护电路连接若干个线性功率放大器和上位计算机的光电隔离I/O模块。
如上所述的一种转台控制系统高速数据融合与处理系统，其所述的若干个线性功率放大器为3个，分别为转台外框线性功率放大器、转台中框线性功率放大器、转台内框线性功率放大器；转台外框线性功率放大器连接转台外框驱动电机和光电码盘，转台中框线性功率放大器连接转台中框驱动电机和光电码盘，转台内框线性功率放大器连接转台内框驱动电机和光电码盘。
如上所述的一种转台控制系统高速数据融合与处理系统，其所述的上位工控机连接显示器和键盘、鼠标。
本发明所述的一种系统的转台控制系统高速数据融合与处理方法，其上位计算机的上位工控机通过高速串口在线向下位工控机发出控制指令和接收获取数据；为用户提供友好的操作接口，实现对转台进行操作控制；下位计算机的下位工控机根据上位工控机发出的控制指令，通过角度计数卡采集光电码盘反馈过来的实时位置数据并计算出指令控制量，再通过DA 输出卡转换为模拟量控制电压，该电压加输入到驱动电机从而驱动电机工作；逻辑切换电路用来实现逻辑控制信号的切换和强电的切入。
如上所述的一种转台控制系统高速数据融合与处理方法，其上位计算机通过光电隔离I/O卡实现逻辑信号的切换和状态信号的采集。
如上所述的一种转台控制系统高速数据融合与处理方法，其上位计算机和下位计算机之间通过两个高速串行接口进行数据通讯。
如上所述的一种转台控制系统高速数据融合与处理方法，其所述的上位计算机和下位计算机之间通过两个高速串行接口进行数据通讯，数据包括上行数据和下行数据两部分；其中，下行数据为上位计算机向下位计算机发送的数据内容，包含转台外框、中框和内框三个框架的回零指令、走位指令、速率指令信息；上行数据为下位计算机向上位计算机反馈的数据内容，包含转台外框、中框和内框三个框架的角位置数据、角速度数据、角加速度数据及状态检测信息；上位计算机采用windowsXP系统，并为人机交互界面；在上位计算机运行的人机界面程序中，角位置数据及角速度数据以1ms的更新速率实时更新；下位计算机采用DOS系统；下位计算机响应上位计算机发出的各种指令，在每个控制周期内(1ms)采集光电码盘反馈的角度编码值，计算出指令控制量，实现对转台外框、中框和内框的实时伺服控制。
如上所述的一种转台控制系统高速数据融合与处理方法，其所述的上位计算机和下位计算机之间通过两个高速串行接口进行数据通讯，该数据为双精度浮点型数据；
下位计算机工作时，发送上行数据时将双精度浮点数据转换为长整型数据按照二进制发送，接收下行数据时将收到的二进制数解算成长整型数据，再转换成双精度浮点数使用；
下位计算机工作时，上行角位置数据定义格式如下表1至表4所示：
表1上行发送数据结构体定义格式
表2上行发送数据公用体定义格式
表3上行接收数据结构体定义格式
表4上行接收数据公用体定义格式
在发送数据时：如果需要使用二进制字节型数据，可以调用上行发送数据公用体(HSendCommand_Union)的成员变量字节24个(buf[24])；如果需要使用双精度浮点数据时，可以调用上行发送数据公用体(HSendCommand_Union)的成员变量反馈数据(Fbk_data)的成员变量外框偏航数据(Yaw_data)、中框俯仰数据(Pitch_data)、内框滚转数据(Roll_data)的任意一个，不需要进行任何的数据转换过程；接受数据时过程同上；
上位计算机接收到下位计算机传送的高速数据时，需要将其中的角位置数据、角速度数据及角加速度数据进行实时显示和数据存储；上位机程序运行在windows非实时系统下；
采用带有数据缓冲功能的高速串行接口，利用数据缓冲功能，将下位计算机按照1ms周期发送的数据进行数据缓冲，通常以1000个周期为基准，即在上位计算机中按照1s周期进行定时采集，上位计算机1s定时采集到的高速数据(下位机1000个周期的数据)需要将前后两个1s周期的数据进行数据拼接，拼接采用软件编程实现，按照数据迭代方式进行实时更新，保证前后周期的数据首尾衔接，及时有效；
上位计算机中的人机交互程序采用VB语言编程；采用VB环境下的数据解算机制；通过调用VB函数库中CopyMemory功能函数，将协议内容中浮点数类型按照内存复制的方式整体进行数值转换，在VB编译环境下定义联合体变量如下表5和表6所示：
表5下行发送数据公用体定义格式
表6下行接收数据公用体定义格式
定义sendbuf[24]为字节型变量；
调用CopyMemory UNIONSEND sendbuf 24即可实现双精度浮点数转换为二进制数。
本发明的效果在于：本发明所述的转台控制系统高速数据融合与处理 系统及方法，其在转台控制系统中，采用高速串口通讯方式，将上下位机交互的大量高速数据进行融合与处理，巧妙地设计了数据结构及传送机制，上下行数据通道彼此独立，互不干涉，数据解算准确合理，已在多台转台系统上得到实际验证。
附图说明
图1典型三轴转台结构示意图；
图2转台控制系统组成图；
图3系统数据传递结构图
图中：1.负载安装空间；2.内环；3.内环轴；4.中环；5.中环轴；6.外环；7.外环轴；8.底座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种转台控制系统高速数据融合与处理方法作进一步描述。
如图2所示，本发明所述的一种转台控制系统高速数据融合与处理系统，其包括上位计算机、下位计算机、逻辑切换电路。
所述的上位计算机包括上位工控机，与上位工控机连接的光电隔离I/O模块和高速串口；该光电隔离I/O模块还与逻辑切换电路连接。
所述的下位计算机包括下位工控机，与下位工控机连接的高速串口、DA输出卡、角度计数卡；该下位计算机的高速串口与上位计算机的高速串口相连，通过高速串行接口进行数据通讯；DA输出卡还与逻辑切换电路连接。
所述的逻辑切换电路还同时连接3个线性功率放大器，分别为转台外框线性功率放大器、转台中框线性功率放大器、转台内框线性功率放大器；转台外框线性功率放大器连接转台外框驱动电机和光电码盘，转台中框线性功率放大器连接转台中框驱动电机和光电码盘，转台内框线性功率放大器连接转台内框驱动电机和光电码盘。
上述系统还包括强电及切换保护电路，与强电及切换保护电路连接的直流电源单位；其中，强电及切换保护电路连接3个线性功率放大器和上位计算机的光电隔离I/O模块。
上述上位工控机连接显示器和键盘、鼠标。
本发明所述的转台控制系统高速数据融合与处理方法，其具体为：
上位计算机的上位工控机通过高速串口在线向下位工控机发出控制指令和接收获取各种数据、曲线显示；为用户提供友好的操作接口，实现对转台进行操作控制。
下位计算机的下位工控机根据上位工控机发出的控制指令，通过角度计数卡采集光电码盘反馈过来的实时位置数据并计算出指令控制量，再通过DA输出卡转换为模拟量控制电压，该电压加输入到驱动电机从而驱动电机工作。
逻辑切换电路用来是实现逻辑控制信号的切换和强电的切入。
上位计算机通过光电隔离I/O卡实现逻辑信号的切换和状态信号的采集。
如图3所示，上位计算机和下位计算机之间通过两个高速串行接口进行数据通讯。针对转台控制系统上下位计算机的数据内容，以三轴转台为例，主要包括上行数据和下行数据两部分组成。一般来说，角位置数据分辨率为0.0001°，角速度数据0.001°/s，角加速度数据0.01°/s2，交换数据大都为双精度浮点型数据，而串口传送机制支持二进制数值，理论上只能传送整数型数据，为此下位计算机工作时，发送上行数据时需要将双精度浮点数据转换为长整型数据按照二进制发送，接收下行数据时需要将收到的二进制数解算成长整型数据，再转换成双精度浮点数使用；
下行数据为上位计算机向下位计算机发送的数据内容，包含转台外框、中框和内框三个框架的指令信息，例如回零指令、走位指令、速率指令等。
上行数据为下位计算机向上位计算机反馈的数据内容，包含转台外框、中框和内框三个框架的角位置数据、角速度数据、角加速度数据及状态检 测信息。
上位计算机采用windowsXP系统，并为人机交互界面；在上位计算机运行的人机界面程序中，角位置数据及角速度数据以1ms的更新速率实时更新；
下位计算机采用DOS系统；下位计算机响应上位计算机发出的各种指令，在每个控制周期内(1ms)采集光电码盘反馈的角度编码值，计算出指令控制量，实现对转台外框、中框和内框的实时伺服控制。
转台在正常工作时，每1ms需要同时传送三轴9个双精度浮点数据，即72个字节的高速数据，这样导致收发程序代码较长，执行效率很低。为解决此类问题，利用C语言的编程特点，采用了结构体与公用体复合编程方式，巧妙利用公用体的内部运行机制进行数值转换。在C语言中，有时需要将几种不同类型的变量存放在同一段内存单元中，也就是使用覆盖技术，使几个变量互相覆盖，这种使几个变量共占同一段内存的结构，称为“公用体”。
下位计算机工作时，上行角位置数据定义格式如下表1至表4所示：
表1上行发送数据结构体定义格式
表2上行发送数据公用体定义格式
表3上行接收数据结构体定义格式
表4上行接收数据公用体定义格式
在发送数据时：如果需要使用二进制字节型数据，可以调用上行发送数据公用体(HSendCommand_Union)的成员变量字节24个(buf[24])；如果需要使用双精度浮点数据时，可以调用上行发送数据公用体(HSendCommand_Union)的成员变量Fbk_data的成员变量Yaw_data、Pitch_data、Roll_data的任意一个，不需要进行任何的数据转换过程；接受数据时过程同上；
上位计算机接收到下位计算机传送的高速数据时，需要将其中的角位置数据、角速度数据及角加速度数据进行实时显示和数据存储；上位机程序运行在windows非实时系统下；
采用带有数据缓冲功能的高速串行接口，利用数据缓冲功能，将下位计算机按照1ms周期发送的数据进行数据缓冲，通常以1000个周期为基准，即在上位计算机中按照1s周期进行定时采集，上位计算机1s定时采集到的高速数据(下位机1000个周期的数据)需要将前后两个1s周期的数据进行数据拼接，拼接采用软件编程实现，按照数据迭代方式进行实时更新，保证前后周期的数据首尾衔接，及时有效；
上位计算机中的人机交互程序采用VB语言编程；采用VB环境下的数据解算机制；通过调用VB函数库中CopyMemory功能函数，将协议内容中 浮点数类型按照内存复制的方式整体进行数值转换，代码简洁，执行效率高，在VB编译环境下定义联合体变量如下表5和表6所示：
表5下行发送数据公用体定义格式
表6下行接收数据公用体定义格式
定义sendbuf[24]为字节型变量；
调用CopyMemory UNIONSEND sendbuf 24即可实现双精度浮点数转换为二进制数。

Claims (1)

1.一种转台控制系统高速数据融合与处理方法，其特征在于：该方法采用系统包括上位计算机、下位计算机、逻辑切换电路；
所述的上位计算机包括上位工控机，与上位工控机连接的光电隔离I/O模块和高速串口；该光电隔离I/O模块还与逻辑切换电路连接；
所述的下位计算机包括下位工控机，与下位工控机连接的高速串口、DA输出卡、角度计数卡；该下位计算机的高速串口与上位计算机的高速串口相连，通过高速串行接口进行数据通讯；DA输出卡还与逻辑切换电路连接；
所述的逻辑切换电路还同时连接若干个线性功率放大器，每个线性功率放大器一一对应连接一个驱动电机及光电码盘；每个光电码盘均连接下位计算机的角度计数卡；
上位计算机的上位工控机通过高速串口在线向下位工控机发出控制指令和接收获取数据；为用户提供友好的操作接口，实现对转台进行操作控制；
下位计算机的下位工控机根据上位工控机发出的控制指令，通过角度计数卡采集光电码盘反馈过来的实时位置数据并计算出指令控制量，再通过DA输出卡转换为模拟量控制电压，该电压加输入到驱动电机从而驱动电机工作；
逻辑切换电路用来实现逻辑控制信号的切换和强电的切入；
上位计算机通过光电隔离I/O卡实现逻辑信号的切换和状态信号的采集；
上位计算机和下位计算机之间通过两个高速串行接口进行数据通讯；
所述的上位计算机和下位计算机之间通过两个高速串行接口进行数据通讯，数据包括上行数据和下行数据两部分；
其中，下行数据为上位计算机向下位计算机发送的数据内容，包含转台外框、中框和内框三个框架的回零指令、走位指令、速率指令信息；上行数据为下位计算机向上位计算机反馈的数据内容，包含转台外框、中框和内框三个框架的角位置数据、角速度数据、角加速度数据及状态检测信息；
上位计算机采用windowsXP系统，并为人机交互界面；在上位计算机运行的人机界面程序中，角位置数据及角速度数据以1ms的更新速率实时更新；
下位计算机采用DOS系统；下位计算机响应上位计算机发出的各种指令，在每个控制周期内1ms采集光电码盘反馈的角度编码值，计算出指令控制量，实现对转台外框、中框和内框的实时伺服控制；
所述的上位计算机和下位计算机之间通过两个高速串行接口进行数据通讯，该数据为双精度浮点型数据；
下位计算机工作时，发送上行数据时将双精度浮点数据转换为长整型数据按照二进制发送，接收下行数据时将收到的二进制数解算成长整型数据，再转换成双精度浮点数使用；
下位计算机工作时，上行角位置数据定义格式如下表1至表4所示：
表1上行发送数据结构体定义格式
表2上行发送数据公用体定义格式
表3上行接收数据结构体定义格式
表4上行接收数据公用体定义格式
在发送数据时：如果需要使用二进制字节型数据，调用上行发送数据公用体(HSendCommand_Union)的成员变量字节24个(buf[24])；如果需要使用双精度浮点数据时，调用上行发送数据公用体(HSendCommand_Union)的成员变量反馈数据(Fbk_data)的成员变量外框偏航数据(Yaw_data)、中框俯仰数据(Pitch_data)、内框滚转数据(Roll_data)的任意一个，不需要进行任何的数据转换过程；接受数据时过程同上；
上位计算机接收到下位计算机传送的高速数据时，需要将其中的角位置数据、角速度数据及角加速度数据进行实时显示和数据存储；上位机程序运行在windows非实时系统下；
采用带有数据缓冲功能的高速串行接口，利用数据缓冲功能，将下位计算机按照1ms周期发送的数据进行数据缓冲，通常以1000个周期为基准，即在上位计算机中按照1s周期进行定时采集，上位计算机1s定时采集到的高速数据下位机1000个周期的数据，需要将前后两个1s周期的数据进行数据拼接，拼接采用软件编程实现，按照数据迭代方式进行实时更新，保证前后周期的数据首尾衔接，及时有效；
上位计算机中的人机交互程序采用VB语言编程；采用VB环境下的数据解算机制；通过调用VB函数库中CopyMemory功能函数，将协议内容中浮点数类型按照内存复制的方式整体进行数值转换，在VB编译环境下定义联合体变量如下表5和表6所示：
表5下行发送数据公用体定义格式
表6下行接收数据公用体定义格式
定义sendbuf[24]为字节型变量；
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