某型计程仪发送装置测试系统设计与实现

2014-09-21吴永明林育生

船电技术 2014年6期

吴永明，林育生

（海军九〇二厂，上海 200083）

0 引言

某型计程仪是非常重要的航海设备[1]，其发送装置接收主仪器的航速和航程信号，根据舰船上雷达、声纳、指控、导航等系统各用户的需求，转换成相应的模拟及数字信号供其使用，发送装置若工作不正常会导致这些系统无法正常使用。由于发送装置内部结构复杂，旋变等微电机众多，两个分机之间的信号关系相对复杂，对外输出的航速、航程信号众多，内场中修时对发送装置的维修调试特别困难，其中的一些性能测试如信号连接、负载能力和发送接收精度等根本无法测试。为此，迫切需要研制专用的检测设备，判断计程仪发送装置工作是否正常，保证今后该型计程仪回装后能顺利完成与雷达、声纳、指控、导航等系统的信号联调，以满足该型计程仪发送装置的高等级修理内场调试的需要。

1 技术策略

1.1 发送装置特点

发送装置由电子设备 ПЭ仪器和机械设备ПM-301仪器两个分机组成，ПЭ仪器接收主仪器速度和航程信号来控制ПM-301仪器工作，ПM-301仪器内部包含了29个旋变微电机、3个自整角机和2个步进电机，因此，旋变等微电机是发送装置的关键部件。发送装置就是将主仪器输出的航速及航程信息，由数字形式转换为模拟形式。通过控制各旋变等微电机角度位置量来产生不同电信号再传送给相应的用户端，满足雷达、声纳、指控、导航等系统对航速及航程信息的需求。

1.2 技术对策与措施

为解决计程仪发送装置性能测试的难题，根据发送装置内部结构和工作原理进行深入研究，提出了以下技术对策和措施：

1）针对发送装置模拟信号发送主要采用旋转变压器来实现的特点，提出旋转变压器角度数字解算的方法，以旋转变压器工作原理和工作特性为基础，分析不同旋变微电机在不同角度的感应波形，建立并简化旋变微电机角度解算数学模型[2]，推导出旋变微电机工作回路和航速及航程的对应关系，进而归纳出其信号标准。为发送装置模拟信号发送的维修调试确定标准。

2）针对测试发送装置时需要为其提供航速控制信号才可以工作的特点，在实装现场采集计程仪主仪器向发送装置发送的所有信息数据，接着对主仪器内部各个线路板原理图进行分析，分离出电路部分的信号发生电路，信号同步电路及信号驱动放大电路，并用仿真软件对信号电路进行软件仿真，得到的仿真波形符合现场测试的信号波形，再以分离出的信号发生电路，信号同步电路和信号驱动放大电路为基础设计了主仪器发送电路，经过试验测试来模拟主仪器发送的全部信号，为计程仪发送装置提供航速、航程信号及其他控制信号。

3）针对发送装置ПЭ仪器与ПM-301仪器之间的信号控制性能进行测试，采用数字信号处理技术，设计了多路信号同步采集功能。通过对信号发送采集卡各个模拟信号采集通道进行时间分配采集，运用信号发送采集卡内部时钟作为同步基准时钟，各输入信号以同步基准时钟为基准进行同步采集。采用处理速度快的工控机，配合信号发送采集卡，就可以实现多路同步信号采集。

4）针对测试不同旋变等微电机时需要进行负载匹配，以达到精确测试旋变等微电机工作状态下的带负载能力，设计采用电子负载来进行负载功能测试，电子负载需具有恒流、恒阻、恒压和恒功率功能，具备短路，过流，动态等保护。

5）为了达到简单易用的目的，通过虚拟仪器技术设计功能全面、界面友好的软件平台。通过编制和执行不同的虚拟仪器软件，来构成各种不同的仪器，实现用户定义的仪器或测试功能，利用虚拟仪器技术在图形化编程以及在工业自动化实践中的优势，为用户提供操作简便，功能全面的测试装置操作方法。

1.3 总体方案

测试系统采用便携式工控机，设计的某型计程仪发送装置测试系统由信号输出模块、主控制器、信号采集模块及旋变等微电机检测模块四个部分组成。原理框图如图1所示：

图1 某型计程仪发送装置测试系统原理框图

1）信号输出模块

信号输出模块主要是模拟主仪器向ПЭ仪器发送航速信号、航程信号、故障信号、禁止信号等数字信号，包括初始信号检测和航速检测两个部分。

2）信号采集模块

信号采集模块主要是采集 ПЭ 仪器和ПM-301仪器之间的信号，包括控制信号检测和反馈信号检测两部分。

3）旋变等微电机检测模块

旋变等微电机检测模块主要是通过向旋转变压器提供激磁和匹配负载，采集不同航速状态下旋变等微电机的输出信号，测试判断微电机的性能状态，包括29个旋变微电机测试和3个自整角机测试。

4）主控制器

主控制器即信号发送采集卡，是测试系统的核心部件，通过它实现信号的发生，控制及采集。选用NI的PCI-6220信号发送采集卡，其具有丰富的底层硬件驱动，使软件编程更加方便，可根据用户需求灵活定制系统功能，能提供高速高分辨率的数据采集功能，具有多个模拟量数据采集通道，能配合高精度的信号匹配放大电路来构架高精度的数据采集系统。

2 方案设计

2.1 信号输出模块设计

图2为信号输出模块结构图。该模块采用高性能和高可靠性PCI总线通信控制的方式，实现各组件的实时通信。便携式工控机提供人机界面，用户通过人机界面可进行航速信号、航程信号、禁止信号、故障信号的发送和停止操作，通过PCI总线控制信号发送采集卡发出的多路信号，同时便携式工控机通过PCI总线控制信号与同步控制板进行信号同步，同步后的信号经过信号驱动放大板进行信号匹配后输出至ПЭ仪器。

2.2 信号采集模块设计

图3为信号采集模块结构图，该模块同样采用高性能和高可靠性PCI总线通信控制的方式，实现各组件的实时通信。便携式工控机提供人机界面，用户通过人机界面可进行速度反馈信号及电机控制信号的采集。便携式工控机通过PCI总线控制信号同步采集板来切换需要采集的信号通道，ПЭ仪器Ш5口及Ш6口的信号通过三通电缆传输到信号阻抗匹配板，信号阻抗匹配板根据信号幅值频率等特性进行阻抗匹配，信号经过衰减或放大至信号发送采集卡可分析范围内，通过切换好的模拟通道进入信号发送采集卡，信号发送采集卡再进行信号还原，最后显示到人机界面。

2.3 旋变等微电机检测模块设计

图2 信号输出模块结构图

图4为旋变等微电机检测模块结构图。该模块也是采用高性能和高可靠性PCI总线通信控制的方式，实现各组件的实时通信。单片机产生PWM波，经过信号处理放大后变为500 Hz正弦波，再经过功率放大后成为可以驱动旋转变压器的激磁电源。用户通过人机界面选择需要测试的旋转变压器，信号发送采集卡发出控制信号，控制电源切换到相应的电压。工控机通过PCI总线和电子负载通讯，匹配旋变等微电机的输入阻抗，输出的微电机信号经过处理后由信号发送采集卡采集，最后显示到人机界面。自整角机的测试和旋转变压器相同，其电源工作频率为常见 50 Hz交流电，故不需要系统提供激磁电源。

设计的激磁电源结构如图 5所示。单片机PIC16F73产生PWM波，经过LM358信号处理放大后变为500 Hz正弦波，再经过OPA547功率放大后成为可以驱动旋转变压器的激磁电源。127 V电源是通过40 V-127 V变压器获得。单片机PIC16F73采用哈佛总线，处理速度快，产生波形的分辨率可达0.01 V。经过试验验证能为测试系统提供波形完整，平滑，无杂波的500 Hz激磁电源，满足被检测旋转变压器对电源品质的要求。

2.4 电子负载设计

设计的电子负载[3]原理如图6所示，该模块可通过PCI总线和上位机通讯来自动调整匹配旋转变压器负载，电子负载内部分为恒压电路、恒流电路、过流保护电路、驱动电路四部分。

图3 信号采集模块框图

图5 激磁电源结构框图

图6 电子负载原理图

1）恒压电路：如图 6虚线框①所示。当负载端输入电压增大时，U3A同相输入端电压增大。当同相输人端电压大于反相输入端电压(基准电压)时，U3A输出高电平，在场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极G电压VG上产生压降，使得漏极D和源极S之间的电压VDS减小，从而达到恒压的目的。

2）恒流电路：如图6虚线框②所示。当负载电流增大时，R19、R22、R25、R28上的电压增大。即R18、R21、R24、R27上的取样电压增大，也即是 U3C反相输入端电压增大，当 U3C反相输入端电压大于同相输入端电压时，U3C输出低电平，场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极G电压 VG减小，Q1、Q2、Q3、Q4的内阻 RDS增大，负载电流减小，从而达到恒流的目的。

3）过流保护电路：如图6虚线框③ 所示。当负载电流增大时，R19、R22、R25、R28上的电压增大，即R18、R21、R24、R27上的取样电压增大，U3B反相输入端电压增大，但电流继续增大。当反相端电压大于所设定过流保护电流的基准电压(同相端输入电压)时，U3B输出低电平，场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极G电压VG减小，Q1、Q2、Q3、Q4的内阻RDS增大，负载电流减小，从而起到过流保护作用。

4）驱动电路：如图6虚线框④ 所示。Q1、Q2、Q3、Q4选用大功率场效应管IRF540作为功率器，但是多管并联后，由于极间电容和分布电容相应增加，使放大器的高频特性变坏，通过反馈容易引起放大器的高频寄生振荡。为此，并联复合管一般不超过4个，而且在每管基极或栅极上串接防寄生振荡电阻。R17、R20、R23、R26为驱动电阻，R18、R21、R24、R27为取样电压电阻，R19、R22、R25、R28为限流电阻。C9一端接场效应管 IRF540漏极，另一端接地，用于防震荡。

2.5 软件平台设计

测试系统软件平台设计采用 Labview2009、PICMATE2002、Access2000软件，在 WindowsXP环境下开发诊断模块的软件平台，采用模块化和开放式设计思想、面向对象的设计方法，包括初始化程序，系统自检程序设计、波形处理程序、数据库存储程序、报警程序设计等，可便于软件的维护和扩充。图7为测试装置软件数据结构流程图。

图7 软件数据结构流程图

3 方案实现

3.1 测试界面

测试系统由功能选择界面及测试的五个子部分组成，五个子部分组成为：初始信号检测，控制信号检测，反馈信号检测，航速检测，旋转变压器检测。

3.2 测试功能

计程仪发送装置内的微电机主要有正余弦旋转变压器、线性旋转变压器及自整角机等类型。测试的某一旋变微电机连线及信号波形如图 8，图9所示。

4 结论

某型计程仪发送装置测试系统针对该发送装置内场中修调试所遇到的实际困难，根据该装置的信号特点，设计实现了发送装置测试系统，能为计程仪发送装置提供可设定的计程仪速度信号标准源及匹配的输出负载，对其工作的内部信号及旋变等微电机输出的航速和航程信号进行采集和分析，判断设定条件下发送装置信号连接、负载能力和发送接收精度是否正确。测试系统能存储发送装置内部所有旋变等微电机的正常波形信号，构建了微电机的信号标准库，为该装置维修调试提供了依据，保证今后电磁计程仪回装后能顺利完成和雷达、声纳、指控、导航等系统等各重要战位的信号联调。测试系统研制成功后经过大量测试和部队试用，运行稳定，操作可靠，性能指标稳定可靠，完全能够满足某型计程仪发送装置检测调试和故障维修的需要。