基于PXI总线的高精度惯导姿态数据采集卡设计

摘 要： 为了满足惯导故障监测诊断系统实时高精度地采集惯导姿态数据的需要，研制了基于PXI总线的高精度惯导姿态数据采集卡。该数据采集卡能多块卡同步对惯导航向、纵摇和横摇数据进行采集。每块卡对正余弦多极旋转变压器粗精通道信号进行同步A/D转换后，利用软件对A/D转换后的数字量进行粗精组合，得到高精度的角度量供后续分析处理。介绍了采集卡PXI总线接口的硬件设计及双通道多极旋转变压器粗精组合模糊位软件消除方法。
关键词： 惯性导航系统； PXI总线； 多极旋转变压器； PCI9030

惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。它能够为舰船航海、武备等部门连续地提供舰船的经纬度、航向、纵横摇以及航速等多种导航参数。在保证舰船航行安全的同时，惯性导航系统也是武器系统的重要组成部分[1]。在研制的惯导故障监测诊断系统中，要求测试计算的参数较多、测试过程复杂、较高的可靠性、良好的维护性、体积小、操作简单等；同时，为了保证精度，惯导航向、纵横摇信息的发送通常利用三路正余弦多极旋转变压器分别进行航向、纵摇、横摇模拟信号发送。所研制的惯导故障监测诊断系统需要对惯导以模拟信号输出的航向、纵横摇等导航参数进行连续记录和分析。为此，本文采用基于PXI总线架构进行系统设计，其高精度惯导数据采集卡可对正余弦多极旋转变压器粗精通道信号同步进行A/D转换，然后利用软件对A/D转换后的数字量进行粗精组合，得到高精度的角度量供后续分析处理。
1 硬件设计
本采集卡用于对惯导航向、纵横摇等导航参数进行连续采集。由于不同型号惯性导航系统所用旋转变压器的激磁和信号电压不尽相同，采集卡的设计要求能对不同的激磁和信号电压进行灵活配置。为了便于携带，研制的惯导故障监测诊断系统选用3 U高度的PXI机箱。PXI机箱可以为系统提供坚固的模块化封装，通常为4槽、6槽、8槽、14槽或18槽的3 U或6 U机箱(U(rack unit)是一种测量单位，用来描述安装在机架上的设备的高度。1 U=44.45 mm(1.75英寸))。受惯导故障监测诊断系统选用的机箱3U高度的限制,本采集卡只能对一路粗精组合通道的旋转变压器信号进行采集，而惯导故障监测诊断系统要求同时进行航向、纵摇、横摇模拟信号的采集，这样要求多块采集卡协同工作时能对不同通道的旋转变压器信号进行同步采集。采集卡硬件结构框图如图1所示。

1.1 PXI总线接口
面向仪器系统的PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)是一种坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，并增加了专门的同步总线和主要软件特性,使PXI成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台[2]。但是PXI总线协议十分复杂，其接口的实现比ISA困难得多，直接为它设计相匹配的数字逻辑控制电路难度较大。PXI总线的电气规范大部分与PCI相同，只是增加了一些仪器特性。基于以上考虑，本采集卡选用PCI接口芯片来实现。
本采集卡选用符合PXI电气性能要求的接口芯片PCI9030[3]。PCI9030是PLX公司产品，其符合 PCI2.2 规范，3.3 V核心电压，低功耗，176 引脚 PQFP封装或180 引脚 BGA 封装,本地总线可以设置为8位、16位、32位复用和非复用模式。PCI9030作为一种桥接芯片,具有PCI总线、EEPROM和本地总线3个接口，各部分的接口电路介绍如下：
(1)PCI9030与PCI总线的接口。在本采集卡中也即为与PXI总线的电气接口。其信号包括：地址数据复用信号AD[31:0]、总线命令和字节使能信号C/BE[3:0]、奇偶校验信号(PAR)、帧周期信号(FRAME#)、主设备准备好信号(IRDY#)、从设备准备好信号(TRDY#)、停止数据传送信号(STOP#)、初始化设备选择信号(IDSEL)、设备选择信号(DEVSEL#)、数据奇偶校验错误报告信号(PERR#)、系统错误报告信号(SERR#)、时钟输入信号(CLK)、复位信号(RST#)、中断信号(INTA#)等。电路连接中，与总线上对应的引脚直接相连。
(2)PCI9030与EEPROM的接口。EEPROM选用NATIONAL公司的4 KB的低电压串行存储器NM93CS66L，用来存储PCI9030的配置信息并在芯片复位时进行加载，从而使PCI板卡具有即插即用的功能。PCI9030有EESK、EEDO、EEDI和EECS 4根信号线用于与EEPROM的连接。
(3)PCI9030本地总线接口。PCI9030部分的信号与含有用户接口逻辑的XC95144相连。在接口芯片的本地总线中，将MODE信号接地使用非复用模式。本地地址总线使用LA[9:2]，本地数据总线为16位，使用了LD[15:0]。另外还有LBE#字节使能信号，LW/R读写信号,READY#、ADS#信号等。
1.2 CPLD逻辑设计
XC95144完成由PCI9030本地总线接口与A/D模块用户总线之间的协议转换。为了便于如图2中A/D采集通道部分的模块化设计，在XC95144与A/D转换芯片之间又单独定义了一个本地用户总线。本地A/D模块用户总线的逻辑功能由1片专用XC9536来实现。单A/D转换通道电原理图如图2所示。这样1路A/D转换芯片便需要配置1片XC9536逻辑控制芯片。虽然也可将XC9536所完成的逻辑功能与XC95144的逻辑功能合并到1片CPLD中，但是为了便于扩展和便于设计重用的考虑，还是将本地用户总线的逻辑专门放到1片单独的XC9536中。例如,当需要将采集卡高度改为6 U，并扩展多路A/D转换通道时，即可方便地将扩展A/D通道挂在本地用户总线上,而不必修改XC95144的程序。XC9536的主要功能是根据XC95144送到A/D模块用户总线上的控制命令完成励磁电压、信号电压、以及A/D转换通道的选择。

1.3 旋转变压器信号的A/D转换
目前对于正余弦旋转变压器信号的A/D转换方法主要有峰值采样、跟踪式轴角转换以及光电编码轴角转换三种,这三种方法各有其特点。基于峰值采样的旋转变压器A/D转换电路转换精度不高，易受干扰，但价格低廉，对工作环境要求不高；基于光电编码器的转换电路转换精度很高，但价格昂贵，对工作环境要求比较苛刻,要求与被测对象之间进行直接轴连接，使用不便；而基于跟踪式轴角转换的转换电路转换精度介于以上两种电路之间，价格适中，抗干扰能力强，能够适应恶劣的工作环境。因此本采集卡中采用716所生产的14XSZ-02系列跟踪式轴角转换模块进行旋转变压器信号的A/D转换。其主要性能指标为精度±4.5′，跟踪速率27 r/s，阶跃响应100 ms[4]。
2 软件设计
2.1 驱动程序设计
在板卡调试完成后，需要编写驱动程序。驱动程序的开发工具较多，但是多数需要了解操作系统的核心工作机制，难度比较大。经过比较，本文采用了Jungo公司的WinDriver进行驱动程序的开发。利用WinDriver不必熟悉操作系统的内核知识就可以快速开发出驱动程序。用WinDriver开发PCI设备驱动程序一般有两种方法:(1)使用向导(Driver Wizard)。Driver Wizard能够自动生成驱动程序的框架代码，用户只需修改代码，加入定制的功能，再在用户态执行和调试代码即可。(2)直接在应用程序中调用WinDriver的API函数。本采集卡采用第一种方法对驱动程序进行开发。
2.2 旋转变压器粗精组合模糊位消除
通常使用单通道旋转变压器来测量差角精度只能达到几个角分。而船用惯性导航系统姿态测量精度则达到角秒级。多极旋转变压器的精度通常可做到5～30角秒，因而船用惯性导航系统中模拟发送部分通常使用多极旋转变压器进行姿态发送。由于进行A/D转换时,粗、精两通道是分别进行转换的，而由于多极旋转变压器制造上的误差，使得两个通道的读数不可能同步变化[5]。如变速比为I=2M的多极旋转变压器，经轴角转换模块转换后，粗、精机各位输出数码的权系数具有如下关系：
　
理想情况下，粗、精读数的重合位在F～J与A～E应完全相同。通常认为精机系统比粗机系统具有更好的精度，只要把粗机读数的前M位和全部精机读数依次排列输出就可得到组合系统的读数。但是粗、精两通道是分别进行转换的，因为制造上的误差，两个通道的读数不可能同步变化,有时当精通道还没转完一整圈时，粗通道的第F位可能已提前向第K位进1，因组合读数不取第F～J位，所以第K位多计1，造成了很大的正误差。这种误差称为模糊误差，它是这种类型组合系统中不可避免的现象。
　 为此，本设计采用余数比较法消除误差。根据粗、精通道之间的相对误差的大小来决定判断有无模糊误差所需重合位位数。当粗通道的误差不大于精机一圈所代表的角度值的1/4时，如当多极旋转变压器的速比为16时,只要多极旋转变压器的粗通道的误差控制在5°37.5′以内，即可用两个重合位进行纠错。这一点对多极旋转变压器的制造是很容易做到的。所以只需处理两个重合位，即精机读数的最高两位(A、B)和与之对应的粗机读数的第F、G位。下面分四种情况进行分析：

如果把精机一圈划为4个象限，则AB=00表明精机的转角不大于90°。与此相对应，粗机的FG=11表明从第F位开始到最末位数字所代表的角度小于精机1圈的角度，而大于精机3/4，处在精机的第三象限。这样粗精机之间读数便产生了矛盾。既然精机位于第一象限，表明它刚刚转过一整圈，如果粗、精通道同步的话，此时第K位应加1。但是FG=11表明第F位还没有向第K位进位，第K位上则少计了一个1，这样构成的组合数，因第K位少1，将产生11°15′的负误差。为了纠正这一误差，应在第K位加上1。

精机此时位于第四象限，而粗机已经进入第一象限，第K位肯定多计了一个1，为纠正这一误差，应在第K位减去1。
(3)当AB=01时
此时精机位于第二象限，因假定粗通道误差不大于精机1圈的1/4,所以粗机只能位于第一或第三象限，在第K位上不会产生多1或少1的现象,因而无模糊误差。
(4)当AB=10时，无模糊误差。
采集卡软硬件设计完成后对其性能进行了测试。测试平台由NI公司PXI-1036六槽机箱和NI PXIe-8360控制器组成。经测试表明，本文研究设计的基于PXI总线的高精度惯导数据采集卡驱动程序和硬件工作正常，A/D转换速率和精度已经达到了预期的功能和精度要求，现已应用于某型惯导故障监测诊断系统中。
参考文献
[1] 周永余，许江宁，高敬东. 舰船导航系统[M]. 北京：国防工业出版社，2006：19-35.
[2] 张重雄. 虚拟仪器技术分析与设计[M]. 北京：电子工业出版社，2007：33-39.
[3] PLX Technology Inc. PCI 9030 data book[Z]. 2002.
[4] 中船重工集团公司第七一六研究所. 2005产品数据手册[Z]. 2005.
[5] 谈振藩，周洪宇，袁赣南. 导航系统信息转换[M]. 北京：国防工业出版社，1992:56-62.