基于DGUS屏控制器的嵌入式加速度计离心试验台

余 臻，秦朝俊

（航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

0 引言

传统的线加速度计离心试验一般都需要离心机作为检测设备。离心机是利用高速旋转运动产生的标准向心加速度，对线加速度计进行校准的一种惯性器件校准设备。离心机是一种大型试验设备，通常需要专门的地基、主机设备间、操作控制室、控制机柜等，试验场地占地面积较大，设施及仪器设备比较复杂，因此它的造价昂贵，离心试验过程相对复杂，试验准备时间较长，试验过程也不够高效。基于此，设计一套既满足大多数离心试验要求，又能简化试验场地建设，提高离心试验效率的离心机设备，成为该领域研发人员的新任务；嵌入式离心试验台主要是针对传统离心机的不足，为了适应人们对离心机小型化、集成化、简易化的需求而专门设计的。本文介绍一种以DGUS屏（DWIN Graphic Utilized Software） 为控制器的嵌入式加速度计离心试验台。

1 嵌入式加速度计离心试验台的系统组成及工作过程

该嵌入式加速度计离心试验台分为两个部分，一是机械台体，二是控制系统。试验台机械台体结构实现了小型化、轻型化的设计，便于安装调试，同时能节省安装空间和设备成本。试验台控制系统采用基于DGUS屏控制器的嵌入式系统，替代了大型控制机柜和工控计算机，整个系统的功能框图如图1所示。

图1 嵌入式加速度计离心试验台系统框图

嵌入式控制器按照用户设定或输入信息将控制指令发送至通信模块，通信模块将指令转换为驱动电机的控制信号，控制信号再通过功放转换为大电流信号驱动伺服电机进行旋转运动。伺服电机定子与离心试验台的台体底座相连，而伺服电机转子与离心试验台的转臂相连。伺服电机转动带动离心试验台转臂，两者以相同转速旋转。编码器与离心试验台转轴固连，其作用是采集反馈信号，输送至反馈转换板转换成数字信号，并通过通信模块将信号输入嵌入式控制器形成闭环反馈。

嵌入式控制器的引入，简化了传统离心机的控制系统；成为该离心试验台控制系统的核心。

1.1 基于轻型材料和新型结构的机械台体

嵌入式离心试验台的机械台体为立式单轴转臂结构，相比大型离心机的转盘式结构，该转臂结构可以有效地降低旋转部分的重量。主轴采用精密机械轴承，转臂材料选用优质的超硬铝合金，不同于传统离心机的铸铁或不锈钢材料。这种设计减轻了旋转部分的重量，对由此产生的刚度薄弱部位做了加强处理，使结构更加合理，实现了机械结构的小型化和轻型化设计。转臂设置螺纹孔用于安装线加速度计等测试件工装。机械台体固定在铸铁底座上，这种方式可以将底座放置在普通地基地面上，在一定程度上减少了对地基的要求。旋转主轴外部设置了安全防护罩，当主轴高速旋转时，防护罩能有效地保障与离心试验台在同一房间的操作人员的安全，同时减少了离心试验台的安装使用面积。

1.2 基于DGUS屏控制器的嵌入式控制系统

整个控制系统由嵌入式触摸屏控制器、无刷直流电机、正弦编码器和功率放大器组成。该控制方式为全数字闭环的控制系统，以正弦编码器为反馈元件，通过软件的数字控制实现高精度的角速率控制，该闭环系统能对负载进行自适应调整，响应速度较快。以上控制过程为全自动数字控制过程，在调试完成后，不需要人工进行调整。

嵌入式触摸屏控制器采用DGUS触摸屏，不是使用传统的工控计算机，使整个控制系统体积大大缩小，设备成本也大大降低。该控制系统将嵌入式触摸屏控制器、通信模块及电源和功放都集成于一个小型的控制箱内，使设备的占地面积缩小，操作也更加简便。

DGUS触摸屏是由北京迪文科技有限公司（简称迪文公司）自主研发的一款基于K600+内核的高可靠性、操作灵活的图形用户接口GUI（Graphical User Interface），它的主要特点是将传统的GUI分解为单个的控件，并按照用户的要求配置并组合这些控件用于完成界面的开发。这与传统控制软件开发主要依靠编写代码的方式有较大的区别。用户对控制软件的开发是组态式的，也就是说，开发过程更像Photoshop画图或是编写PPT文档，大幅降低了用户的代码编写量。

迪文公司已经将很多系统底层关于GUI的驱动代码封装成专用程序包，烧录到DGUS屏中专用的T5L芯片内核中。用户在做项目的时候可以直接以控件形式调用。用户将开发要用到的一些素材（如字库、图标库、界面等）导入迪文公司专门的开发环境当中，并与相应的控件结合，编译形成系统配置文件，然后导入DGUS屏的存储器。

DGUS触摸屏采用了丰富的显示控件和触控控件。通过这些控件可以完成人机交互。用户在设计开发时需操作界面控件和其中的数据。这些操作都是通过访问控件和数据的变量地址完成的。DGUS触摸屏的程序开发完成后，要先经过编译，再通过SD卡下载到触摸屏的存储器中。DGUS触摸屏与操作者的交互主要通过触摸屏和通信接口实现。触摸屏可直接调用相应控件功能，并通过自动切换模式实现触控屏的用户免干预。DGUS屏与外界的通信接口一般采用RS232通信接口。

DGUS屏除了可以进行方便快捷的界面设计，还提供了用户二次开发的接口（DWIN-OS软件）。系统中复杂的功能界面控件较难开发，对于此问题，迪文公司也有相应的解决方案，即DWIN-OS软件，用户可以根据自己的需求进行快速可靠的二次开发。DWIN-OS软件起到一般系统中工控计算机的作用，相当于外挂一个嵌入式操作系统。这样既可以降低设计成本，又能提高接口的可靠性（标准HMI人机接口多是基于PC架构，软件在Windows CE等通用操作系统上开发）。DWINOS内置的指令集类似于汇编语言，通俗易懂，开发周期较短，应用优势明显。

1.3 嵌入式加速度计离心试验台的工作过程

用户启动嵌入式加速度计离心试验台后，嵌入式控制器会对系统进行自检，自检通过后进入操作主界面。操作人员安装好被测加速度计后，点击按键即可进行启动、设置速度、停止等操作，主界面将实时显示设置的指令速度和编码器的反馈速度。整个系统的操作非常简单，并且效率和可靠性都很高。

2 DGUS控制屏在离心试验台的应用及效果2.1DGUS控制屏主界面和转速输入界面

嵌入式加速度计离心试验台的DGUS控制屏操作界面主要有两个，分别是主界面和转速输入界面，图2（a）为主界面，图2（b）为转速输入界面。

图2 嵌入式加速度计离心试验台主界面和转速输入界面

主界面分为转速控制和显示区、快捷转速设置区和功能按键区。转速控制和显示区位于界面的上部，包含“指令速度”框和“反馈速度”框。“指令速度”框中可以输入用户需要的转速，点击“指令速度”框即可弹出如图2（b）所示的转速输入界面。在输入界面中点击相应数字按键可以输入转速值，按“确认键”返回主界面，同时输入的速度值显示在指令速度输入框中。“反馈速度”框可以实时显示当前的离心试验台转速。

快捷转速设置区为中间的6个按键。这些按键为方便输入常用的6个转速而设计，只需一键即可将事先计算好的转速输入“指令速度”框中，不需要调出输入界面。这一设计可以较大地提高批量化重复试验效率。功能按键区为主界面底部的3个按键，“使能”按键的功能是使离心试验台上电，“启动”按键的功能是使上电后的离心试验台按照“指令速度”框中的数值旋转，“停止”按键的功能是控制离心试验台转臂去电停止旋转。“使能”按键和“启动”按键必须组合使用才能使离心试验台转动，而“停止”按键只需一个按键就可以使离心试验台停止转动。这种设计一个按键使其停止运动的目的是出于安全考虑。两个按键组合控制旋转可以降低试验中误触发而造成转臂突然旋转的可能性，而一个按键停止转动可以在出现异常时快速急停设备。这样的设计既能有效保护操作者的人身安全，又能保护设备和被测传感器不受损害。

2.2 DGUS控制屏的DWIN-OS应用

在嵌入式离心试验台中，除了响应界面按键的操作，系统还需要进行底层的控制操作和后台的数据处理（比如控制信息的发送和接收、反馈信息的计算和存储等）。界面控件功能较单一，无法胜任更复杂的任务，这时需要采用上面提到的DWIN-OS系统软件。用户在该系统中编写代码，比如按键中的功能键“使能”“启动”“停止”的功能代码、反馈速度的计算和存储、反馈速度与指令速度差值计算和转换都放在DWIN-OS软件中。

DWIN-OS软件代码的运行方式为定时刷新（80 ms），无限次循环。软件系统工作过程为首先自检整个离心试验台控制系统，然后将编码器传回的反馈值进行计算，并将结果发送至屏幕显示，同时扫描功能键数据缓冲区，查看是否有按键按下，如有则转入按键处理程序，如无则返回转入下一个循环等待。各个环节均有异常处理程序，一旦某一环节出现异常，DWIN-OS软件系统将向显示屏发送异常代码提示并进行异常处理。由于DWIN-OS的软件代码运行方式为无限次循环，所以异常处理代码不能进行死循环操作，否则系统会死机。

2.3 嵌入式加速度计离心式试验台实际运行效果

基于DGUS屏控制器的加速度计离心试验台研制完成后，可进行批量化的线加速度计离心试验。经过调试，该套设备现达到的加速度最大值为500 g（4.9×103m/s2），角速率稳定性和精度达到1×10-5（相对值），每小时测试的加速度计数量约100只，整套设备的占地面积约1.5m2。大型离心机的量程一般为200 g（1.96×103m/s2），角速率稳定性和精度为5×10-6（相对值），每小时测试的加速度计数量约20只，整套设备的占地面积约30m2。

对比嵌入式加速度计离心试验台及大型离心机的技术指标和使用情况，可知大型离心机的角速率稳定性和精度相对较高，适合高精度、单个或小批量产品的试验；小型的嵌入式加速度计离心试验台角速率稳定性和精度等技术指标略低于大型离心机，但由于转动惯量较小，量程较大，因此可以满足大部分的试验要求，适合中等精度、大批量产品的测试。大型离心机由于旋转部分的转动惯量很大，其启动、停止及加速度计安装过程较长，造成其效率较低，同时由于设备较大，所以占地面积也较大。在批量化测试时小型离心试验台的效率是大型离心机的5倍，而设备的占地面积只有大型离心机的1/20。

3 结语

综上所述，基于DGUS屏控制器的嵌入式加速度计离心试验台能够满足大多数线加速度计试验的要求。该设备已经研制成功并稳定运行，其小型化的、基于DGUS屏控制器的设计简化了离心机的安装过程，降低了研制成本，减少了离心机设备的占地面积，在批量化测试任务中极大地提高了测试效率。DGUS屏的采用保证了嵌入式加速度计离心试验台研制的过程的简便和快捷。因此，该装置在小型化、批量化加速度计离心测试中具有广阔的应用前景。