摘要：光纖陀螺儀是一種新型角速度敏感元件，本文詳細(xì)介紹了光纖陀螺和以pc/104作平臺的嵌入式光纖陀螺形變測量系統(tǒng)的工作原理,并給出了系統(tǒng)的硬件組成及軟件設(shè)計(jì)方法。

    關(guān)鍵詞：光纖陀螺；pc/104；形變測量

    一、概述

    光纖陀螺儀是一種基于光學(xué)sagnac干涉效應(yīng)的新型角速度敏感元件，可測量運(yùn)動物體的角速度。將光纖陀螺的測量裝置沿被測曲線或曲面運(yùn)動，記錄其角速度變化值，可測得該裝置行駛的軌跡，繼而得到被測對象的表面曲線。由于該測量方法只需要架設(shè)測量軌道，基準(zhǔn)點(diǎn)容易確定（以起點(diǎn)為基準(zhǔn)），能夠連續(xù)、長時(shí)間、反復(fù)測量并保證較高的測量精度，所以這是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型測量方法。但實(shí)際工程多半是室外作業(yè)，被測對象離監(jiān)控室往往幾十、上百公里，而且環(huán)境惡劣，尤其是水下工程，無法用電纜來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以需要將光纖陀螺密封在一個(gè)“黑箱”中，要求其能夠自給電源并完成自動數(shù)據(jù)記錄和存儲任務(wù)。而嵌入式pc在惡劣環(huán)境下（比如高溫、潮濕和震動等）能長期可靠工作，所以利用嵌入式pc/104作為平臺，采用模式化設(shè)計(jì)能得到光纖陀螺變形測量系統(tǒng)的最佳方案。

    pc/104是嵌入式pc的機(jī)械電氣標(biāo)準(zhǔn)，它秉承了ibm-pc開放式總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，完全與pc/at機(jī)兼容，并且具有超小尺寸、超低功耗、抗干擾、抗惡劣環(huán)境好、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。它采用緊湊的自棧式、模塊化結(jié)構(gòu)，軟件采用模塊化語言（如c、c++）和面向?qū)ο蟮木幊谭椒āＵ麄�(gè)嵌入式pc體系結(jié)構(gòu)可以作為一個(gè)超級芯片，具有所有主板功能及ram和bios，無須擔(dān)心pc-bios修改。pc/104cpu模塊還具備“固態(tài)盤”，不必?fù)?dān)心程序的“固化”問題。采用pc/104作光纖陀螺測量控制平臺能使控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大，軟件編程容易、系統(tǒng)維護(hù)和升級方便。

    二、系統(tǒng)組成與工作原理

    本文主要是針對嵌入式光纖陀螺形變測量系統(tǒng)的專用化、靈活性而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)以pc/104為控制中心，配有控制邏輯電路、電子硬盤、液晶顯示器和存儲芯片，可以完成光纖陀螺牽引速度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲，實(shí)時(shí)角速度顯示、啟動/停止控制。外接顯示器和打印機(jī)可顯示或打印被測形變曲線。其主要組成原理如圖1所示。

    1、pc/104系統(tǒng)

    第一塊pc/104誕生于1987年，但嚴(yán)格意義的規(guī)范說明在1992年才公布。pc/104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，而ieee-p996是pc和pc/at工業(yè)總線規(guī)范，ieee協(xié)會將它定義為ieee-p996.1，因此，pc/104實(shí)質(zhì)上就是一種緊湊型的ieee-p996。其信號定義和pc/at基本一致，但電氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)。

    該系統(tǒng)主控中心采用486dx級別的s104/dx-440主機(jī)板，與普通pc/at計(jì)算機(jī)完全兼容，具有下列特點(diǎn)：

    （1）采用低功耗486cpu，并可通過跳線調(diào)節(jié)cpu的頻率。

    （2）顯示內(nèi)存由512k增強(qiáng)至1m，進(jìn)一步豐富了圖形顯示功能。

    （3）同時(shí)提供crt/lcd顯示接口，可支持各種顯示屏。

    （4）提供一個(gè)在板doc（disk on chip）插座，可支持8m～144m的doc。

    （5）主板支持2個(gè)串行口。com1為標(biāo)準(zhǔn)的rs-232接口；com2則可在rs232、ttl電平、rs485之間三選一。

    （6）dx-440主板上有1個(gè)并行口，為標(biāo)準(zhǔn)的lpt雙向打印口。

    2、鍵盤與顯示

    通過pc/104主模塊標(biāo)準(zhǔn)鍵盤接口連接小鍵盤，用于對光纖陀螺的牽引速度進(jìn)行查閱、控制和調(diào)節(jié)。

    顯示部分可以采用液晶顯示模塊配pc/104顯示接口，通過軟件編程顯示光纖陀螺的測量角速度和被測物體變形曲線。

    3、光纖陀螺形變測量原理

    放置在測量系統(tǒng)中的光纖陀螺儀是對角速度敏感的傳感器，當(dāng)裝載有光纖陀螺儀的測量裝置緊貼被測物體的表面行進(jìn)時(shí)，就可以測得裝置運(yùn)行的軌跡，繼而得到被測物體表面的形變。

    如圖2，假定光纖陀螺沿圖中一維曲線運(yùn)行，在i時(shí)刻運(yùn)行到（xi,yi）點(diǎn)，已知陀螺的線速度為vi，光纖陀螺的角速度為ω，當(dāng)測量時(shí)間間隔足夠小時(shí)，i+1點(diǎn)的坐標(biāo)