Design and implementation of high-speed data acquisition system for inertial measurement unit based on PCI express bus
宋仔标，崔洪亮，高倩，刘宁
（火箭军士官校园，山东 青州 262500）
摘要：惯组数据的收集是进行惯组标定及导航姿势解算的根底，其数据收集精度对惯组的标定和导航精度有重要的影响。提出了一套依据PCI-E总线的惯性丈量组合数据高速收集与处理体系，依据研华PCIE-1751板卡规划并完结了体系的硬件组成，在VC#渠道下经过相应的数据收集控件完结了数据的高速守时收集，经过卡尔曼滤波办法对环境噪声进行消除，在VC#渠道下进行DirectX的3D开发，直观展现惯组当时姿势。试验标明该体系具有直观、高效、实时及强壮的数据处理与显现等长处。
要害词：PCI-E总线；惯性丈量组合；数据收集；卡尔曼滤波
基金项目：军内科研预研基金赞助项目（编号不揭露）
0 导言
惯性导航为自主式导航技能，经过惯性丈量组合（陀螺仪和加速度表）的丈量输出，运用牛顿定律核算出载体当时时刻的速度、方位和姿势。惯性导航不依赖外界信息，也不向外界辐射任何能量，能够自主地、荫蔽地进行接连的三维定向和三维定位，被广泛使用于航天、航空、帆海等范畴[1] 。完结惯性导航需求惯组供给载体的比力和姿势信息，而这些信息能够被加速度计和陀螺仪灵敏到，因而加速度计和陀螺仪的精度在很大程度上决议着惯性导航的精度。进步惯组的精度，一方面可经过进步惯组器材的制造精度，另一方面则可经过进步惯性器材差错模型的精度和标定精度。为了确保导航精确，在试验室对惯性器材进行精确差错模型的标定十分必要。要进行惯组的标定，首要需求对惯组输出的大都高速数据进行实时精确地收集，别的在收集到的数据中不可避免地会掺杂各种试验室环境噪声[2] 。依据以上考虑，规划并完结了一套依据PCI Express总线的惯组高速数据收集体系，运用PCI-E型总线高宽带的特色，能满意惯组高速数据输出的实时收集，在体系中经过卡尔曼滤波滑润噪声的长处对环境噪声进行有用滤除，别的，为更直观地显现当时惯组的输出和当时姿势，经过三维模型实时盯梢惯组的滚动。
1 体系总体规划
本体系由硬件部分和软件部分组成。
硬件部分用于操控惯组的加电和发生灵敏信号。经过规划操控回路，主动完结惯组的加温、配电，并规划辅佐电路，完结惯组的加温、通电作业等状况监控。为构建惯组动力学环境，规划了三轴转台，经过三轴转台带动惯组滚动，模仿导弹在空间姿势改变，经过施加鼓励发生角速率和视加速度输出，发生各自由度上的灵敏信号，使惯组在加电作业状况能够调整姿势。规划了信号匹配电路，完结惯组输出和数据收集卡输入之间的电平匹配和阻隔。软件部分首要完结惯组输出数据的收集，试验室环境噪声的滤除、姿势解算、多路输出数据的动态显现，以及惯组姿势对三维模型的操控等功用。
2 硬件规划
本体系硬件由UPS电源、信号操控箱、惯组本体、三轴转台、信号匹配箱、多路数据收集卡、工控机及显现器组成。硬件衔接图如图1所示。
2.1 PCI-E总线高速数据收集卡
数据收集卡首要用于对惯组输出的多路数据进行实时收集，为满意惯组数据的高速需求，本体系中选用总线的数据收集卡。PCI Express是新一代的总线接口，由英特尔公司提出并由多家业界主导公司起草技能规范。该总线选用点对点串行衔接，比较PCI及更前期的核算机总线的同享并行架构，每个设备都有自己的专用衔接，不需求向整个总线恳求带宽，能够把数据传输率进步到一个很高的频率，到达PCI所不能供给的高带宽[3] 。
本体系选用研华PCIE-1751型板卡。PCIE-1751是一款选用通用PCI Express总线的48路DI/O和3路计数器卡。它供给了48路并行数字量输入/输出以及3个计数器。板卡选用高密度SCSI 68针接口，易于衔接现场设备且衔接安稳、牢靠。PCIE-1751的其它2个特性使其在工业设置方面更具有有用性优势。假如用户将跳线JP1设置为启用此特性，则体系被热发动后（电源未封闭），PCIE-1751能够坚持I/O接口的设置和输出值；不然，端口设置和输出值将康复为默许状况，或许切换到其它跳线设置的状况。
的另一有用特性是它支撑湿接点和干接点，因而更简单衔接其他设备。
板卡计数器0、1和2为用户供给了六种挑选：、One shot、、、和Pulse modulation。本体系中设置为形式。
2.2 信号操控箱
操控箱是一个集电源改换（220 V交流电转化成惯组、继电器、数字电路、加温电路、显现电路所需的直流电压）、指令操控、配电操控、显现监控等功用于一体的设备。上位机通电进行数据收集前，按程序完结惯组配电（加温、陀螺发动等），使惯组正常作业。
操控箱首要完结惯组的程序配电和状况监控，惯组正常作业有必要先加温、发动陀螺、接通功放回路，有目标和时刻操控要求。为此，规划相应操控电路完结惯组加温操控与监控、陀螺发动与监控以及功放回路接通与监控等要害配电环节办理。硬件操控回路首要包含程控设备规划、接口电路规划、继电器操控回路规划、状况监控与显现电路规划等。为进步温控精度，温控电路对本体选用模仿式多点温控，使温度精度操控在±2 ℃之间；对重要部件，如纵向加速度计则选用二级温控，使温控精度操控在±0.5 ℃度之间。
本体系规划和完结的信号操控箱如图2所示。
2.3 三轴转台
三轴转台是本体系要害设备之一，用来设备惯组本体及发生惯性丈量组合动力学环境，使惯组在加电作业状况能够经过转台调整姿势，模仿运载体在空间的姿势视点和角速率改变，发生各自由度上的灵敏信号。因而三轴转台需求必定精度和作业滑润性以及必定的负载才干，一起对加工资料提出了较高要求，要害部件选用铜铝资料，削减对测验的搅扰。
三轴转台由底座、渠道、航向圆齿轮、航向摇把、歪斜半圆蜗轮、歪斜摇把套筒、俯仰半圆蜗轮、俯仰摇把套筒、刻度盘（航向、歪斜、俯仰）、水准器可调支座、锁紧支腿等部件组成。航向摇把在底座上直接与航向圆齿轮啮合，歪斜和俯仰共用一个摇把，都经过摇把套筒上的蜗杆与各自的半圆蜗轮相啮合。渠道装在俯仰半圆蜗轮上。T形槽用来设备操控仪移动托盘或惯性组合设备支架。
运用转台时，有必要用压板将三轴转台固定在安稳的基座上，并用三个可调支座锁紧支腿和水准器进行水平调整[4] 。
三轴转台首要技能参数为：三轴转台各轴滚动规模：航向±170 °、歪斜、俯仰±35 °；渠道外部尺度mm、T形槽距离75 mm、最大载重负荷30 kg。
2.4 其他
（1）UPS电源：为惯组和全体系正常作业供给不间断电源，依据实践需求，选用UPS电源为艾默生，该UPS电源功率3 kW。
（2）信号匹配箱：首要用于惯组输出的脉冲信号与数据收集卡之间的电平转化与阻隔。因而在规划信号匹配箱时，需考虑以下三点要素：惯组输出与数据收集卡输入之间的电平匹配；输入与输出之间信号的搅扰，本体系选用光耦阻隔办法；惯组的高速输出。综上考虑，规划和完结的信号匹配箱内部结构如图3所示。
（3）工控机：定制研华IPC-610H型工控机。该工控机装备CPU为P4（主频3.0 G）、内存为4 G，并确保有满意的PCI Express插槽以满意多路数据收集的需求。
3 软件规划
在建立硬件渠道的根底上，经过软件规划完结数据的收集、预处理、姿势解算、收集数据的曲线显现和运载体三维模型的姿势操控等功用。本体系硬件渠道为研华工控机，软件开发渠道为XP，开发环境为VC#2010和DirectX 3D。
在程序规划中，为确保数据的接连收集，达 到 不 丢 脉 冲 的 意图，在软件规划时引进多线程技能，线程1用于数据的实时收集、处理和显现，线程2用于三维运载体模 型 的 渲 染 。 软 件流程规划图如图4所示。
规划的体系主界面如图5所示。
3.1 数据收集
收集体系在VC#环境下进行开发，有两种办法能够完结VC#根底上的数据收集：DAQ控件和研华供给的动态库函数编程。在本体系规划中，经过DAQ控件进行数据收集。
参照设备手册，完结数据收集卡的设备，在进行实践数据收集之前，先经过YB1602H数字组成函数信号发生器对数据收集卡进行测验，测验合格后再用于惯组数据的收集。
3.2 数据处理
惯组标定的好坏将直接影响惯性丈量组合的输出精度。一般选用分立标定法标定陀螺常值漂移和加速度计零偏，即运用转台供给水平缓方位基准，将地球自转角速度和重力加速度作为参阅输入，并与陀螺仪和加速度计的输出进行比较，选用最小二乘法标定陀螺常值漂移和加速度计零偏。分立标定试验时直接运用陀螺与加速度计输出进行比较，器材噪声以及环境搅扰都会影响标定作用。因而，带差错的标定值带来的标定差错会残留在初始对准阶段，从而形成姿势差错。因而对直接从惯性丈量组合输出的信号有必要经过必定的处理，才干进行标定。针对上述问题，运用卡尔曼滤波所具有的滑润噪声的特性对陀螺和加速度计输出进行预处理，滤除对准环境中搅扰噪声的影响[5] 。
3.3 姿势解算
姿势解算首要是完结坐标系的改换，行将测得的加速度和角速率转化到导航坐标系下，一起核算出飞行器的姿势、速度和方位。现在常用的姿势解算算法有欧拉角法、方向余弦法和四元数法。因为欧拉角法求解时，方程中存在奇点，所以不能用于全姿势飞行器上。方向余弦法尽管能够全姿势解算，可是因为核算量大，所以也不能用于导弹姿势实时解算。本体系选用四元数法进行导航核算。四元数的概念是1843年由哈密顿首要提出的，为现代数学中的内容之一。近些年来，跟着操控理论、惯性技能、核算技能的开展，为了更简洁地描绘刚体的角运动，规划操控体系，广泛选用了四元数这个数学东西，用它来描绘刚体角运动的3个欧拉角参数在规划操控体系时的缺乏。该算法无奇点，核算量小，可实时解算 [6] 。
3.4.1 数据显现
和三维模型烘托数据的实时显现为了直观地显现惯组输出的多路信号，经过数据曲线的办法将多路信号在程序界面进行动态显现。在程序主界面中划出动态显现区域，每个区域显现1路信号，由网格曲线和数据曲线组成。因为程序界面巨细的约束，每组只动态制造最近采样的300个数据。如图5中上部分所示。
别的，为了便利对收集到的数据进行剖析处理，在进行数据采样时，每采样一次便将收集到的数据作为一组保存在测验界面的文本框中。经过和saveFileDialog控件完结翻开历史数据和保存当时测验数据的功用。每一次测验完毕后，需求将当时测验的数据进行保存，经过点击“保存数据”调用控件，将文本框的数据以txt的格局保存到本地磁盘，该文本文件记录了采样的次数及每次采样的数据，便利今后经过MATLAB等软件进行数据剖析和处理。为检查历史数据，经过点击“历史数据”按钮调用openFileDialog控件，将存储在本地磁盘的历史数据翻开在文本框中显现。如图5中下部分所示。
3.4.2 三维模型烘托
为了直观地显现当时惯组在三轴转台上的姿势，在程序界面上经过三维模型动画实时盯梢惯组的滚动。本体系经过在VC#下进行DirectX的3D开发，完结三维模型的烘托。
是一套用于创立游戏和多媒体程序的底层使用程序接口，其支撑高性能的二维和三维图形显现、声响以及输入等。在导入模型到程序之前，首要需求运用3DMAX软件制造一个三维模型，然后经过插件将三维模型的.max文件导出为DirectX 3D可用的.X文件。在进入数据收集界面时，经过自规划的LoadMesh()函数将导弹模型的.X文件导入到程序界面中的控件上，此刻在控件地点的区域上能呈现停止且方位为初始方位的运载体三维模型。开端采样后，发动线程2，每20 ms读取一次当时惯组的姿势角信息，以操控三维模型的旋转改变。
4 小结
本体系能对试验室环境下惯组输出的高速数据进行实时精确地收集，对收集到的数据能便利存储，利于后续的剖析处理，具有牢靠性高、直观、高效、实时及强壮的数据处理与显现等长处。如要用于户外，则需考虑对惯组输出信号的奇特值进行相应处理，为下一步需求完善的当地做准备。
参阅文献
[1] 邓正隆．惯性导航原理[M]．哈尔滨工业大学出版社．1994:117~136.
[2] Titterton D H, Weston J L. Strapdown inertial navigation technology [M]. London: Peter Peregrinus Ltd, 2004: 148-173.
[3] Anderson D, Shanley T. PCI Express System Architecture. Addison-Wesley Professional.2004.
[4] 李强．三轴仿真转台规划及动力学研讨[D]．哈尔滨工程大学，2007.
[5] FOO P H, NG G W. Combining the interacting multiple model method with particle filters for maneuvering target tracking [J]. IET Radar, Sonar and Navigation, 2011, 5(3): 234-255.
[6] 张荣辉，贾宏光，陈涛，等．依据四元数法的捷联式惯性导航体系的姿势解算[J]．光学精密仪器，2008，16（10）：1963-1970.
作者简介：
宋仔标（1980—），男，湖北潜江人，博士，首要研讨方向：测验与操控等方面的研讨。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第4期第49页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
