基于PC/104工控机的嵌入式光纤陀螺变形测量

一、概述

光纤陀螺仪是一种基于光学Sagnac干涉效应的新型角速度敏感元件，可测量运动物体的角速度。将光纤陀螺的测量装置沿被测曲线或曲面运动，记录其角速度变化值，可测得该装置行驶的轨迹，继而得到被测对象的表面曲线。由于该测量方法只需要架设测量轨道，基准点容易确定（以起点为基准），能够连续、长时间、反复测量并保证较高的测量精度，所以这是一种具有广泛应用前景的新型测量方法。但实际工程多半是室外作业，被测对象离监控室往往几十、上百公里，而且环境恶劣，尤其是水下工程，无法用电缆来进行数据传输，所以需要将光纤陀螺密封在一个“黑箱”中，要求其能够自给电源并完成自动数据记录和存储任务。而嵌入式PC在恶劣环境下（比如高温、潮湿和震动等）能长期可靠工作，所以利用嵌入式PC/104作为平台，采用模式化设计能得到光纤陀螺变形测量系统的最佳方案。

PC/104是嵌入式PC的机械电气标准，它秉承了IBM-PC开放式总线结构的优点，完全与PC/AT机兼容，并且具有超小尺寸、超低功耗、抗干扰、抗恶劣环境好、开发周期短等优点。它采用紧凑的自栈式、模块化结构，软件采用模块化语言（如C、C++）和面向对象的编程方法。整个嵌入式PC体系结构可以作为一个超级芯片，具有所有主板功能及RAM和BIOS，无须担心PC-BIOS修改。PC/104CPU模块还具备“固态盘”，不必担心程序的 “固化”问题。采用PC/104作光纤陀螺测量控制平台能使控制系统硬件结构简单、功能强大，软件编程容易、系统维护和升级方便。

二、系统组成与工作原理

本文主要是针对嵌入式光纤陀螺形变测量系统的专用化、灵活性而设计的，系统以PC/104为控制中心，配有控制逻辑电路、电子硬盘、液晶显示器和存储芯片，可以完成光纤陀螺牵引速度调节、数据存储，实时角速度显示、启动/停止控制。外接显示器和打印机可显示或打印被测形变曲线。

1、PC/104系统

第一块PC/104诞生于1987年，但严格意义的规范说明在1992年才公布。PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，而 IEEE-P996是PC和PC/AT工业总线规范，IEEE协会将它定义为IEEE-P996.1，因此，PC/104实质上就是一种紧凑型的 IEEE-P996。其信号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。

该系统主控中心采用486DX级别的S104/DX-440主机板，与普通PC/AT计算机完全兼容，具有下列特点：

（1）采用低功耗486CPU，并可通过跳线调节CPU的频率。

（2）显示内存由512K增强至1M，进一步丰富了图形显示功能。

（3）同时提供CRT/LCD显示接口，可支持各种显示屏。

（4）提供一个在板DOC（Disk On Chip）插座，可支持8M～144M的DOC。

（5）主板支持2个串行口。COM1为标准的RS-232接口；COM2则可在RS232、TTL电平、RS485之间三选一。

（6）DX-440主板上有1个并行口，为标准的LPT双向打印口。

2、键盘与显示

通过PC/104主模块标准键盘接口连接小键盘，用于对光纤陀螺的牵引速度进行查阅、控制和调节。

显示部分可以采用液晶显示模块配PC/104显示接口，通过软件编程显示光纤陀螺的测量角速度和被测物体变形曲线。

3、光纤陀螺形变测量原理

放置在测量系统中的光纤陀螺仪是对角速度敏感的传感器，当装载有光纤陀螺仪的测量装置紧贴被测物体的表面行进时，就可以测得装置运行的轨迹，继而得到被测物体表面的形变。

4、系统控制软件

控制软件采用C语言编程，在TurboC++3.0环境下开发系统的控制软件由主程序、数据采集程序、液晶显示程序等几部分组成，采用模块化结构设计。控制软件能够完成对测量参数的设定和显示/启动和停止测量/记入光纤陀螺和速度计输出/绘制被测物体的一维曲线。控制软件流程图3所示。

5、实验结果

在实验中，我们选用一台从国外进口的数字输出型单轴干涉型RD系列光纤角速度陀螺仪，其输出最高角速度为±100°/s，测量精度为0.014o /s，比例因子为0.00305°/s/bit，数据输出频率fout＝10Hz。我们为该系统搭建了一个有坡度和绕度的模型，用以模拟一维曲线。模型原始数据用“×”表示（浅色线），实际测量到的轨道曲线用“－”表示（深色线）。经过多次对模型测量，实验结果（图4）表明该系统工作稳定可靠，具有较高的测量精度，能够满足工程测量的要求。

三、结束语

PC体系结构的流行不仅造就了整个PC产业，也为嵌入式计算机提供了一种新的方向，PC/104为嵌入式系统提供了“面向对象”的设计理念，它特有的尺寸微型、功能强大、性能高和价格低廉的优点使其成为一个模块化部件而广泛应用于各种嵌入式系统中。

以嵌入式PC/104为平台的光纤陀螺工程形变测量系统具有以下优点：

（1）系统模块化结构使系统硬件结构简单，控制灵活，有很强的适应性。

（2）大尺寸液晶显示屏和小键盘，人机界面友好，操作方便简单。

（3）系统小型化，适应野外试验，减少人工强度。

（4）电路集成化，提高了系统的可靠性。

在将该装置投入到实际应用前，我们还需要对该测量系统进一步改进和完善，以适应实际大型结构形变测量的需要。

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