CN106134435B

CN106134435B - 一种数字输出角速率信号的带宽及延时测量系统

Info

Publication number: CN106134435B
Application number: CN201218002639.5A
Authority: CN
Inventors: 汪守利; 刘海涛; 董帅; 王磊
Original assignee: Beijing Institute of Telemetry Technology
Current assignee: Beijing Institute of Telemetry Technology
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2032-07-20

Abstract

一种数字输出角速率信号的带宽及延时测量系统，利用现有的角振动台设备，完成了数字输出角速率信号的幅相特性参数测量。本系统将产品固定于角振动台上，当被测产品与测量电路加电后，测量电路固件程序开始运行，上位机接收测量电路发出的数据并进行数据处理，计算产品角速率幅频特性、相频特性参数。本发明解决了数字输出产品的角速率信号幅相特性参数的精确测量，且测量过程简单易行。

Description

一种数字输出角速率信号的带宽及延时测量系统

技术领域

本发明涉及一种数字输出角速率信号的带宽及延时测量系统，属于角速率信号处理软硬件设计领域。

背景技术

角速率参数是航空、航天等多个领域的重要参数之一。武器型号用陀螺仪主要用于测量载体的角速度，用于导弹姿态、导航和控制回路解算，实现弹体的姿态稳定和制导飞行。陀螺仪的幅频特性参数及相频特性参数在导弹武器的飞行控制中起重要作用。因此需要对陀螺仪的信号带宽及信号延时进行精确测量，以满足武器型号的需要。

武器型号系统中将会越来越多的应用数字输出的陀螺仪。现有的带宽及延时测量方法只能粗略测量陀螺仪幅频、相频特性参数，无法满足武器型号的需要。因此有必要提出一种对数字式输出陀螺仪信号带宽及信号延时进行精确测量的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供了一种数字输出角速率信号的带宽及延时测量系统。

本发明的技术解决方案是：

一种数字输出角速率信号的带宽及延时测量系统，包括角振动台、角振动台控制柜、直流电源、测量电路和上位机；将待测量的产品放置于角振动台上，角振动台通过角振动台控制柜控制，直流电源给待测量的产品和测量电路供电，测量电路采集角振动台输出的基准轴角信号，并且接收待测产品发出的数字信号，之后通过数字接口与上位机进行通讯，将采集到的基准轴角信号及产品输出的数字信号打包发送给上位机进行处理得到数字输出角速率信号的带宽及延时；

所述测量电路包括数字信号接口电路、AD转换器、DSP、和RS422协议接口电路；待测量产品输出的数字信号打包之后通过数字信号接口电路发送给DSP，直到DSP收到完整的数据包，DSP控制AD转换器工作，将角振动台输出的基准轴角信号进行模数转换之后送到DSP中，DSP将模数转换之后的基准轴角信号和待测量产品输出的数字信号数据包通过RS422协议接口电路发送到上位机中进行处理。

上位机对基准轴角信号及产品输出的数字信号进行处理具体通过如下步骤进行：

(1)上位机接收测量电路发出的数据，包括角振动台的基准轴角信号及产品输出的数字信号；

(2)通过公式

pg＝lsqcurvefit(h(pg，t)，pg0，t，gyro)

pb＝lsqcurvefit(h(pb，t)，pb0，t，theta＊2＊pi＊f)

将角振动台的基准轴角信号及产品输出的数字信号进行拟合，且拟合成

h(pg，t)＝pg(1)＊cos(2＊pi＊pg(2)＊t+pg(3))+pg(4)

h(pb，t)＝pb(1)＊cos(2＊pi＊pb(2)＊t+pb(3))+pb(4)

的形式，从而计算出

pg＝[pg(1)，pg(2)，pg(3)，pg(4)]

pb＝[pb(1)，pb(2)，pb(3)，pb(4)]

的值，

其中，lsqcurvefit()和lsqcurvefit()为MATLAB中的函数，gyro为产品输出的数字信号，theta为角振动台输出基准轴角信号，pg0、pb0分别为pg、pb的初值，t为时间，f为角振动台的角振动频率。

h(pb，t)与h(pg，t)分别为拟合后的基准轴角信号曲线及产品输出的数字信号曲线；

pg(1)和pb(1)为表征拟合正弦曲线幅值的参数，pg(1)＞0，pb(1)＞0；

pg(2)和pb(2)表征拟合正弦曲线频率的参数；

pg(3)和pb(3)表征拟合正弦曲线相位的参数；

pg(4)和pb(4)表征拟合正弦曲线直流偏置的参数；

(3)通过公式

A(f)＝20＊log10(pg(1)/pb(1))

Dt(f)＝(pb(3)+pi/2-pg(3))＊f＊1000/(2＊pi)

分别计算产品的幅频特性A(f)和产品的延时Dt(f)。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

现有的带宽及延时测量方法只能粗略测量陀螺仪幅频、相频特性参数，无法满足武器型号的需要。一种数字输出角速率信号的带宽及延时测量方法，解决了数字输出产品的角速率信号幅相特性参数的精确测量，且测量过程简单易行。

附图说明

图1为本发明的系统原理示意图；

图2为本发明的测量电路原理框图；

图3为本发明的测量电路中DSP程序流程图；

图4为本发明的拟合曲线示意图；

图5为本发明的拟合曲线图a[f＝5Hz，θ₀＝0.5°]；

图6为本发明的拟合曲线图b[f＝20Hz，θ₀＝0.5°]；

图7为本发明的实例产品幅频曲线图；

图8为本发明的实例产品延时曲线图。

具体实施方式

一种数字输出角速率信号的带宽及延时测量系统，利用现有的角振动台设备，完成了数字输出角速率信号的幅相特性参数测量。本发明的系统原理图如附图1所示，包括角振动台、角振动台控制柜、直流电源、测量电路和上位机；将待测量的产品放置于角振动台上，角振动台通过角振动台控制柜控制，直流电源给待测量的产品和测量电路供电，测量电路采集角振动台输出的基准轴角信号，并且接收待测产品发出的数字信号，之后通过数字接口与上位机进行通讯，将采集到的基准轴角信号及产品输出的数字信号打包发送给上位机进行处理得到数字输出角速率信号的带宽及延时。

现有角振动台输出实时轴角位置基准模拟信号(基准轴角信号)，通过上位机角振动台控制软件设置角振动台的振动幅值θ₀及频率f，则输出的基准轴角位置信号θ可表示为θ＝θ₀sin(2πft)，角速率ω可表示为角速率信号与角度信号相位相差90°，幅值为角度幅值的2πf倍。

本发明中的测量电路如附图2所示，该电路可以采集角振动台输出的基准轴角信号，可以接收产品(陀螺仪)发出的数字信号，并可以通过数字接口与上位机进行通讯，将测量的基准信号及产品输出信号打包发送至上位机。该测量电路包括数字信号接口电路、AD转换器、DSP、和RS422协议接口电路；待测量产品输出的数字信号打包之后通过数字信号接口电路发送给DSP，直到DSP收到完整的数据包，DSP控制AD转换器工作，将角振动台输出的基准轴角信号进行模数转换之后送到DSP中，DSP将模数转换之后的基准轴角信号和待测量产品输出的数字信号数据包通过RS422协议接口电路发送到上位机中进行处理。

该测量电路可以接收的数字信号格式包括RS422、RS485、RS232及CAN总线格式，其中RS422、RS485、RS232协议波特率可调，初始波特率分别为921600bps、921600bps、115200bps，CAN总线协议波特率为1Mbps。该测量电路与上位机通讯协议采用RS422协议，波特率可调，初始波特率921600bps。

测量电路固件程序(即为DSP芯片内的程序)为测量电路中微处理器的运行程序，完成基准模拟信号的采集、产品数据接收、与上位机通讯等功能。DSP程序流程图如附图3所示。当角振动台及待测产品正常工作后，给测量电路加电，测量电路DSP收到完整的被测产品发出的数据包后立即产生中断信号，启动AD转换器，采集此时角振动台输出的实时轴角信号，并将测量到的轴角信号值及接收到的产品发出的角速率数字信号统一打包发往上位机。测量不同的产品时，测量电路固件程序需要根据产品的具体通讯协议修改相应的软件接口。

上位机主要完成对存储的数据进行处理，得到信号的幅频特性及相频特性参数。

如附图4所示，为某频率点的拟合曲线示意图，细实线为经过数据处理得到的基准角速率信号ω，粗虚线为产品输出的角速率信号ω′。由于上位机收到产品完整数据包至启动AD转换器的时间一般远小于产品的角速率信号延时，所以图示的Δt＝t2-t1即为产品角速率信号的延时，通过两条曲线的峰峰值ω_pp与ω′_pp可以计算幅频特性。

上位机接收的测量电路发出的数据，包括了角振动台的实时轴角信号及产品输出的角速率信号。通过上文阐述，轴角信号为正弦曲线，则产品输出的角速率信号也为正弦波形曲线。假设上位机接收到的产品角速率输出数据为gyro，采集到的角振动台输出基准轴角数据为theta，上位机采用以下方法对数据进行拟合，得到产品输出角速率信号的幅频及相频相关特性参数。

令：

pg＝[pg(1)，pg(2)，pg(3)，pg(4)]

pb＝[pb(1)，pb(2)，pb(3)，pb(4)]

h(pg，t)＝pg(1)＊coS(2＊pi＊pg(2)＊t+pg(3))+pg(4)

h(pb，t)＝pb(1)＊cos(2＊pi＊pb(2)＊t+pb(3))+pb(4)，

其中

pg(1)，pb(1)表征拟合正弦曲线的幅值，pg(1)＞0，pb(1)＞0；

pg(2)，pb(2)表征拟合正弦曲线的频率；

pg(3)，pb(3)表征拟合正弦曲线的相位；

pg(4)，pb(4)表征拟合正弦曲线的直流偏置。

式中h(pb，t)与h(pg，t)分别为拟合后的基准轴角信号曲线及产品敏感输出的角速率信号曲线。

拟合后的正弦曲线系数pg与pb的值可通过以下公式在MATLAB软件中求解。

pg＝lsqcurvefit(h(pg，t)，pg0，t，gyro)

pb＝lsqcurvefit(h(pb，t)，pb0，t，theta＊2＊pi＊f)

其中pg0、pb0分别为pg、pb的初值，t为时间，f为角振动频率，gyro为产品角速率输出数据，theta为角振动台输出的基准轴角数据。由于角振动台输出基准信号为角度，转换为角速率后，相差为pi/2，角速率幅值为角度值的2＊pi＊f倍(f为角振动台的角振动频率)。

通过计算后可以得到pg及pb的值，则产品幅频参数、相频参数都可以通过pg及pb进行相关计算。

如产品的幅频特性A(f)可以用下式计算：

A(f)＝20＊log10(pg(1)/pb(1))，A(f)＝-3dB的时候对应的频率点fc即为带宽。

产品的延时Dt(f)可通过相位系数进行计算：

Dt(f)＝(pb(3)+pi/2-pg(3))＊f＊1000/(2＊pi)，单位：ms。

举例如下，测量某惯组产品Y轴陀螺仪的信号输出特性参数。该惯组输出接口为RS422格式，波特率230400bps，并以200Hz频率输出角速率信号数据包。

将待测某惯组产品固定于角振动台上，Y轴为角速率敏感轴。设置测量电路固件程序波特率为230400bps。给待测产品及测量电路加电，打开上位机接收软件接收数据，打开上位机角振动台控制软件。

令角振动频率f＝[1，2，3，4，5，7，10，15，20，25，30，35，40，45，46，47，48，50](单位：Hz)，控制角振动台按以上频率并相应的振动幅值与振动时间进行扫描，上位机数据处理软件按前述方法对接收到的数据进行解算，可以得到幅频参数及延时参数如表一所示。

表一：拟合曲线幅相参数表

频率f(：Hz)	1	2	3	4	5	7
							幅频A(：dB)	0.046	0.039	0.019	0.028	-0.044	-0.0672
延时Dt(：ms)	13.08	13.15	13.12	13.08	13.20	13.07
							频率f(：Hz)	10	15	20	25	30	35
幅频A(：dB)	-0.209	-0.507	-0.691	-0.599	-0.633	-1.145
							延时Dt(：ms)	13.10	13.07	13.16	13.18	13.26	13.28
频率f(：Hz)	40	45	46	47	48	50
							幅频A(：dB)	-1.950	-2.38	-3.106	-3.599	-3.652	-4.372
延时Dt(：ms)	13.25	13.27	13.27	13.21	13.22	13.13

附图5所示为角振动频率f＝5Hz，角振动幅值θ₀＝0.5°时，拟合后的基准角速率曲线及产品输出角速率曲线图。

附图6所示为角振动频率f＝20Hz，角振动幅值θ₀＝0.5°时，拟合后的基准角速率曲线及产品输出角速率曲线图。

从表中可以看到信号带宽(-3dB频点)约为46Hz，且信号带宽内的幅频参数及延时参数都可以得到精确测量。如果需要得到更多频率点的幅相特性参数，则可以按上述方法进行，只需增加相应的角振动频率。根据表一的数据，得到该产品的Y轴幅频特性曲线及延时特性曲线分别见附图7、附图8。

根据上述方法进行曲线拟合，拟合后表征曲线频率的系数pg(2)与pb(2)的值如表二所示。

表二：拟合曲线频率对照表

由表二可以计算各频点的频率拟合误差率：

(pg(2)-f)/f＜0.1％

(pb(2)-f)/f＜0.1％

(pg(2)-pb(2))/pb(2)＜0.1％

即拟合后的曲线频率与真实频率误差率微小，由此可以证明曲线拟合方法的正确性。

上述试验结果证明了本发明能够精确测量数字输出产品的角速率带宽及延时特性参数。

Claims

1.一种数字输出角速率信号的带宽及延时测量系统，其特征在于包括角振动台、角振动台控制柜、直流电源、测量电路和上位机；将待测量的产品放置于角振动台上，角振动台通过角振动台控制柜控制，直流电源给待测量的产品和测量电路供电，测量电路采集角振动台输出的基准轴角信号，并且接收待测产品发出的数字信号，之后通过数字接口与上位机进行通讯，将采集到的基准轴角信号及产品输出的数字信号打包发送给上位机进行处理得到数字输出角速率信号的带宽及延时。

2.根据权利要求1所述的一种数字输出角速率信号的带宽及延时测量系统，其特征在于：所述测量电路包括数字信号接口电路、AD转换器、DSP、和RS422协议接口电路；待测量产品输出的数字信号打包之后通过数字信号接口电路发送给DSP，直到DSP收到完整的数据包，DSP控制AD转换器工作，将角振动台输出的基准轴角信号进行模数转换之后送到DSP中，DSP将模数转换之后的基准轴角信号和待测量产品输出的数字信号数据包通过RS422协议接口电路发送到上位机中进行处理。

3.根据权利要求1或2所述的一种数字输出角速率信号的带宽及延时测量系统，其特征在于：上位机对基准轴角信号及产品输出的数字信号进行处理具体通过如下步骤进行：

(2)通过公式

pg＝lsqcurvefit(h(pg，t)，pg0，t，gyro)

pb＝lsqcurvefit(h(pb，t)，pb0，t，theta＊2＊pi＊f)

h(pg，t)＝pg(1)＊cos(2＊pi＊pg(2)＊t+pg(3))+pg(4)

h(pb，t)＝pb(1)＊cos(2＊pi＊pb(2)＊t+pb(3))+pb(4)

的形式，从而计算出

pg＝[pg(1)，pg(2)，pg(3)，pg(4)]

pb＝[pb(1)，pb(2)，pb(3)，pb(4)]

的值，

其中，lsqcurvefit()为MATLAB中的函数，gyro为产品输出的数字信号，theta为角振动台输出基准轴角信号，pg0、pb0分别为pg、pb的初值，t为时间，f为角振动台的角振动频率；

pg(2)和pb(2)表征拟合正弦曲线频率的参数；

pg(3)和pb(3)表征拟合正弦曲线相位的参数；

pg(4)和pb(4)表征拟合正弦曲线直流偏置的参数；

(3)通过公式

A(f)＝20＊log10(pg(1)/pb(1))

Dt(f)＝(pb(3)+pi/2-pg(3))＊f*1000/(2＊pi)

分别计算产品的幅频特性A(f)和产品的延时Dt(f)。