某型計程儀發送裝置測試系統設計與實現

吳永明，林育生

（海軍九〇二廠，上海 200083）

0 引言

某型計程儀是非常重要的航海設備[1]，其發送裝置接收主儀器的航速和航程信號，根據艦船上雷達、聲納、指控、導航等系統各用戶的需求，轉換成相應的模擬及數字信號供其使用，發送裝置若工作不正常會導致這些系統無法正常使用。由于發送裝置內部結構復雜，旋變等微電機眾多，兩個分機之間的信號關系相對復雜，對外輸出的航速、航程信號眾多，內場中修時對發送裝置的維修調試特別困難，其中的一些性能測試如信號連接、負載能力和發送接收精度等根本無法測試。為此，迫切需要研制專用的檢測設備，判斷計程儀發送裝置工作是否正常，保證今后該型計程儀回裝后能順利完成與雷達、聲納、指控、導航等系統的信號聯調，以滿足該型計程儀發送裝置的高等級修理內場調試的需要。

1 技術策略

1.1 發送裝置特點

發送裝置由電子設備 ПЭ儀器和機械設備ПM-301儀器兩個分機組成，ПЭ儀器接收主儀器速度和航程信號來控制ПM-301儀器工作，ПM-301儀器內部包含了29個旋變微電機、3個自整角機和2個步進電機，因此，旋變等微電機是發送裝置的關鍵部件。發送裝置就是將主儀器輸出的航速及航程信息，由數字形式轉換為模擬形式。通過控制各旋變等微電機角度位置量來產生不同電信號再傳送給相應的用戶端，滿足雷達、聲納、指控、導航等系統對航速及航程信息的需求。

1.2 技術對策與措施

為解決計程儀發送裝置性能測試的難題，根據發送裝置內部結構和工作原理進行深入研究，提出了以下技術對策和措施：

1）針對發送裝置模擬信號發送主要采用旋轉變壓器來實現的特點，提出旋轉變壓器角度數字解算的方法，以旋轉變壓器工作原理和工作特性為基礎，分析不同旋變微電機在不同角度的感應波形，建立并簡化旋變微電機角度解算數學模型[2]，推導出旋變微電機工作回路和航速及航程的對應關系，進而歸納出其信號標準。為發送裝置模擬信號發送的維修調試確定標準。

2）針對測試發送裝置時需要為其提供航速控制信號才可以工作的特點，在實裝現場采集計程儀主儀器向發送裝置發送的所有信息數據，接著對主儀器內部各個線路板原理圖進行分析，分離出電路部分的信號發生電路，信號同步電路及信號驅動放大電路，并用仿真軟件對信號電路進行軟件仿真，得到的仿真波形符合現場測試的信號波形，再以分離出的信號發生電路，信號同步電路和信號驅動放大電路為基礎設計了主儀器發送電路，經過試驗測試來模擬主儀器發送的全部信號，為計程儀發送裝置提供航速、航程信號及其他控制信號。

3）針對發送裝置ПЭ儀器與ПM-301儀器之間的信號控制性能進行測試，采用數字信號處理技術，設計了多路信號同步采集功能。通過對信號發送采集卡各個模擬信號采集通道進行時間分配采集，運用信號發送采集卡內部時鐘作為同步基準時鐘，各輸入信號以同步基準時鐘為基準進行同步采集。采用處理速度快的工控機，配合信號發送采集卡，就可以實現多路同步信號采集。

4）針對測試不同旋變等微電機時需要進行負載匹配，以達到精確測試旋變等微電機工作狀態下的帶負載能力，設計采用電子負載來進行負載功能測試，電子負載需具有恒流、恒阻、恒壓和恒功率功能，具備短路，過流，動態等保護。

5）為了達到簡單易用的目的，通過虛擬儀器技術設計功能全面、界面友好的軟件平臺。通過編制和執行不同的虛擬儀器軟件，來構成各種不同的儀器，實現用戶定義的儀器或測試功能，利用虛擬儀器技術在圖形化編程以及在工業自動化實踐中的優勢，為用戶提供操作簡便，功能全面的測試裝置操作方法。

1.3 總體方案

測試系統采用便攜式工控機，設計的某型計程儀發送裝置測試系統由信號輸出模塊、主控制器、信號采集模塊及旋變等微電機檢測模塊四個部分組成。原理框圖如圖1所示：

圖1 某型計程儀發送裝置測試系統原理框圖

1）信號輸出模塊

信號輸出模塊主要是模擬主儀器向ПЭ儀器發送航速信號、航程信號、故障信號、禁止信號等數字信號，包括初始信號檢測和航速檢測兩個部分。

2）信號采集模塊

信號采集模塊主要是采集 ПЭ 儀器和ПM-301儀器之間的信號，包括控制信號檢測和反饋信號檢測兩部分。

3）旋變等微電機檢測模塊

旋變等微電機檢測模塊主要是通過向旋轉變壓器提供激磁和匹配負載，采集不同航速狀態下旋變等微電機的輸出信號，測試判斷微電機的性能狀態，包括29個旋變微電機測試和3個自整角機測試。

4）主控制器

主控制器即信號發送采集卡，是測試系統的核心部件，通過它實現信號的發生，控制及采集。選用NI的PCI-6220信號發送采集卡，其具有豐富的底層硬件驅動，使軟件編程更加方便，可根據用戶需求靈活定制系統功能，能提供高速高分辨率的數據采集功能，具有多個模擬量數據采集通道，能配合高精度的信號匹配放大電路來構架高精度的數據采集系統。

2 方案設計

2.1 信號輸出模塊設計

圖2為信號輸出模塊結構圖。該模塊采用高性能和高可靠性PCI總線通信控制的方式，實現各組件的實時通信。便攜式工控機提供人機界面，用戶通過人機界面可進行航速信號、航程信號、禁止信號、故障信號的發送和停止操作，通過PCI總線控制信號發送采集卡發出的多路信號，同時便攜式工控機通過PCI總線控制信號與同步控制板進行信號同步，同步后的信號經過信號驅動放大板進行信號匹配后輸出至ПЭ儀器。

2.2 信號采集模塊設計

圖3為信號采集模塊結構圖，該模塊同樣采用高性能和高可靠性PCI總線通信控制的方式，實現各組件的實時通信。便攜式工控機提供人機界面，用戶通過人機界面可進行速度反饋信號及電機控制信號的采集。便攜式工控機通過PCI總線控制信號同步采集板來切換需要采集的信號通道，ПЭ儀器Ш5口及Ш6口的信號通過三通電纜傳輸到信號阻抗匹配板，信號阻抗匹配板根據信號幅值頻率等特性進行阻抗匹配，信號經過衰減或放大至信號發送采集卡可分析范圍內，通過切換好的模擬通道進入信號發送采集卡，信號發送采集卡再進行信號還原，最后顯示到人機界面。

2.3 旋變等微電機檢測模塊設計

圖2 信號輸出模塊結構圖

圖4為旋變等微電機檢測模塊結構圖。該模塊也是采用高性能和高可靠性PCI總線通信控制的方式，實現各組件的實時通信。單片機產生PWM波，經過信號處理放大后變為500 Hz正弦波，再經過功率放大后成為可以驅動旋轉變壓器的激磁電源。用戶通過人機界面選擇需要測試的旋轉變壓器，信號發送采集卡發出控制信號，控制電源切換到相應的電壓。工控機通過PCI總線和電子負載通訊，匹配旋變等微電機的輸入阻抗，輸出的微電機信號經過處理后由信號發送采集卡采集，最后顯示到人機界面。自整角機的測試和旋轉變壓器相同，其電源工作頻率為常見 50 Hz交流電，故不需要系統提供激磁電源。

設計的激磁電源結構如圖 5所示。單片機PIC16F73產生PWM波，經過LM358信號處理放大后變為500 Hz正弦波，再經過OPA547功率放大后成為可以驅動旋轉變壓器的激磁電源。127 V電源是通過40 V-127 V變壓器獲得。單片機PIC16F73采用哈佛總線，處理速度快，產生波形的分辨率可達0.01 V。經過試驗驗證能為測試系統提供波形完整，平滑，無雜波的500 Hz激磁電源， 滿足被檢測旋轉變壓器對電源品質的要求。

2.4 電子負載設計

設計的電子負載[3]原理如圖6所示，該模塊可通過PCI總線和上位機通訊來自動調整匹配旋轉變壓器負載，電子負載內部分為恒壓電路、恒流電路、過流保護電路、驅動電路四部分。

圖3 信號采集模塊框圖

圖5 激磁電源結構框圖

圖6 電子負載原理圖

1）恒壓電路： 如圖 6虛線框①所示。當負載端輸入電壓增大時，U3A同相輸入端電壓增大。當同相輸人端電壓大于反相輸入端電壓(基準電壓)時，U3A輸出高電平，在場效應管Q1、Q2、Q3、Q4的柵極G電壓VG上產生壓降，使得漏極D和源極S之間的電壓VDS減小，從而達到恒壓的目的。

2）恒流電路： 如圖6虛線框②所示。當負載電流增大時，R19、R22、R25、R28上的電壓增大。即R18、R21、R24、R27上的取樣電壓增大，也即是 U3C反相輸入端電壓增大，當 U3C反相輸入端電壓大于同相輸入端電壓時，U3C輸出低電平，場效應管Q1、Q2、Q3、Q4的柵極G電壓 VG減小，Q1、Q2、Q3、Q4的內阻 RDS增大，負載電流減小，從而達到恒流的目的。

3）過流保護電路： 如圖6虛線框③ 所示。當負載電流增大時，R19、R22、R25、R28上的電壓增大，即R18、R21、R24、R27上的取樣電壓增大，U3B反相輸入端電壓增大，但電流繼續增大。當反相端電壓大于所設定過流保護電流的基準電壓(同相端輸入電壓)時，U3B輸出低電平，場效應管Q1、Q2、Q3、Q4的柵極G電壓VG減小，Q1、Q2、Q3、Q4的內阻RDS增大，負載電流減小，從而起到過流保護作用。

4）驅動電路：如圖6虛線框④ 所示。Q1、Q2、Q3、Q4選用大功率場效應管IRF540作為功率器，但是多管并聯后，由于極間電容和分布電容相應增加，使放大器的高頻特性變壞，通過反饋容易引起放大器的高頻寄生振蕩。為此，并聯復合管一般不超過4個，而且在每管基極或柵極上串接防寄生振蕩電阻。R17、R20、R23、R26為驅動電阻，R18、R21、R24、R27為取樣電壓電阻，R19、R22、R25、R28為限流電阻。C9一端接場效應管 IRF540漏極，另一端接地，用于防震蕩。

2.5 軟件平臺設計

測試系統軟件平臺設計采用 Labview2009、PICMATE2002、Access2000軟件，在 WindowsXP環境下開發診斷模塊的軟件平臺，采用模塊化和開放式設計思想、面向對象的設計方法，包括初始化程序，系統自檢程序設計、波形處理程序、數據庫存儲程序、報警程序設計等，可便于軟件的維護和擴充。圖7為測試裝置軟件數據結構流程圖。

圖7 軟件數據結構流程圖

3 方案實現

3.1 測試界面

測試系統由功能選擇界面及測試的五個子部分組成，五個子部分組成為：初始信號檢測，控制信號檢測，反饋信號檢測，航速檢測，旋轉變壓器檢測。

3.2 測試功能

計程儀發送裝置內的微電機主要有正余弦旋轉變壓器、線性旋轉變壓器及自整角機等類型。測試的某一旋變微電機連線及信號波形如圖 8，圖9所示。

4 結論

某型計程儀發送裝置測試系統針對該發送裝置內場中修調試所遇到的實際困難，根據該裝置的信號特點，設計實現了發送裝置測試系統，能為計程儀發送裝置提供可設定的計程儀速度信號標準源及匹配的輸出負載，對其工作的內部信號及旋變等微電機輸出的航速和航程信號進行采集和分析，判斷設定條件下發送裝置信號連接、負載能力和發送接收精度是否正確。測試系統能存儲發送裝置內部所有旋變等微電機的正常波形信號，構建了微電機的信號標準庫，為該裝置維修調試提供了依據，保證今后電磁計程儀回裝后能順利完成和雷達、聲納、指控、導航等系統等各重要戰位的信號聯調。測試系統研制成功后經過大量測試和部隊試用，運行穩定，操作可靠，性能指標穩定可靠，完全能夠滿足某型計程儀發送裝置檢測調試和故障維修的需要。

圖8 某旋轉微電機的連線提示圖

圖9 微電機正余弦感性信號波形

[1]陳錦德. 計程儀[M]. 天津: 海軍司令部航海保證部,2008.

[2]湯渝欽. 控制電機[M]. 北京: 機械工業出版社,1981.

[3]潘詩鋒, 趙劍鋒, 王潯. 大功率交流電子負載的研究. 電力電子技術, 2006, (10).