數模隨動系統檢測儀的設計

楊文明

（中國船舶重工集團公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

0 引言

隨著艦載武器系統自動化程度的快速提升以及某中口徑艦炮的批量裝艦，艦隊的裝備保障任務越來越繁重，迫切需要一種功能強、易操作、便于攜帶的自動檢測設備，既能為該艦炮提供實時、快速、準確的射前檢測及維修技術保障，又能用于艦炮的日常模擬訓練，可以節約大量的人力、物力和財力。

數模隨動系統檢測儀依托先進的電子技術和計算機技術，充分采用硬件和軟件成熟技術的基礎上，利用可靠性較高的便攜式處理器模塊，通過一體化設計和軟硬件架構，全面覆蓋檢測的功能要求，提高技術保障能力和自動檢測能力，滿足該艦炮在維修保障及模擬訓練等方面的需求。

1 總體方案設計

如圖1 所示數模隨動系統檢測儀要求控制計算機性能較高、運行速度快、控制接口齊全、易于擴展，并采用一體化虛擬儀器的設計思想，用加固計算機作為主控單元，各功能模塊根據實施方式不同分別采用擴展硬件插板或軟件方式實現，整臺設備實現一體化，所有擴展硬件功能板將插入計算機的擴展插槽中，輸出及采樣信號通過計算機外部接口和艦炮隨動系統進行連接。

圖1 數模隨動系統檢測儀組成框圖Fig.1 Block diagram of digit/analog servo system detector

數模隨動系統檢測儀的總體設計采用模塊化結構，檢測儀由一臺通用的微機外加擴展箱組成，計算機的選用，可以采用單片機、便攜機、工控機、微型機等選擇方案。由于單片機的數據處理功能不如微型機，而便攜機總線進一步擴展較困難，工控機價格比較昂貴，顯示功能又比不上微機，普通微機在運算速度、圖形顯示效果、價格、維修配件更換方便性、作其他用途的多用性等方面具有優勢，由于檢測儀裝備對象主要是艦隊及維修廠，綜合考慮決定采用加固微機。主機通過總線與外部擴展箱相連，設備的其它主要插件板全部插在擴展槽中，通過輸出、輸入電纜與艦炮控制系統相連。

2 控制系統設計

2.1 控制微機設計

圖2 數模隨動系統檢測儀硬件原理框圖Fig.2 Schematic block diagram of digit/analog servo system detector

控制微機的主要插件板和組成部分如圖2 所示。主要由：①422/485 串口板：該板由轉換芯片組成，為檢測儀和艦炮控制系統之間網絡數據的發送提供統一的時間基準；②網絡通訊板：該板由標準集成網卡組成，具有10M/100M 自適應功能，可實現向艦炮控制系統提供火炮的高低和方位瞄準全角信息及相關報文信息，并可接收艦炮控制系統的架位信息和狀態信息報文；③開關量輸入/輸出板：該板采取物理光電隔離措施，實現輸入輸出信號的采集和轉換，完成隔離和放大，實現艦炮的狀態指示和監控功能；④數模、模數轉換板：具有16 路A/D 轉換和4 路D/A 轉換通道，其A/D 部分的功能是在微機控制下進行不同通道輸入信號的數據采集，D/A 部分將微機輸出的數字正饋信號轉換為規定波形的模擬正饋信號；⑤數字/自整角機轉換板：將連續跟蹤輸入的14位二進制數據，轉換后輸出高精度的自整角機信號，該檢測儀選用 HDSC2814 數字—自整角機轉換器；⑥軸角/數字轉換板：軸角/數字轉換板（SDC 轉換板）主要完成艦炮的角位置到數字信號的轉換，將自整角機發送的軸角信號轉換成14 位數字全角度編碼信號提供給控制計算機，解決了與主機的接口、轉換精度和速度、各種精粗比時的角度組合糾錯等問題；⑦電源板：對115V 400Hz 交流電壓進行整流和穩壓，給軸角/數字轉換板提供參考電壓；⑧接插件及電纜：由接插件，輸入、輸出電纜等組成。

2.2 模數轉換板設計

模數轉換板采用SDC2754 模塊，該模塊的工作方式是跟蹤方式，因此又稱“跟蹤轉換器”。SDC2754 模塊內部框圖如圖3 所示。來自自整角機的三相繞組信號為：

圖3 SDC 原理框圖Fig.3 Schematic block diagram of SDC

VS1-S2=E0sinθsinωt

VS2-S3=E0sin（θ+120°）sinωt

VS3-S1=E0sin（θ+240°）sinωt

其中θ 為自整角機輸入軸的轉角，ω 為勵磁頻率。連接到轉換器的S1、S2 和S3 端，經微型變壓器（Scott 變壓器）后將三相變為兩相。

V1=KE0sinθsinωt

V2=KE0cosθsinωt

經高速數字sin/cos 乘法器完成了如下運算：

KE0sinθsinωt·cosφ

KE0cosθsinωt·sinφ

其中φ 為數字角度。這些信號經誤差放大器得誤差電壓：

Ve=KE0sinθsinωtcosφ-KE0cosθsinωtsinφ

=KE0sinωt（sinθcosφ-cosθsinφ）=KE0sinωtsin（θ-φ）

經相敏檢波后將載頻信號sinωt 去掉得到誤差電壓sin（θ-t），然后經壓控振蕩器轉換成脈沖，由可逆計數器獲得數字角度φ。當θ=φ，誤差電壓為0?？梢娺@是一個閉環跟蹤系統。系統中濾波積分中有一個積分環節，可逆計數器輸出的的數字量是對輸入脈沖頻率的積分，因此閉環系統為Ⅱ型系統。如果輸入角度θ 固定不變，則輸出φ 將恒等于θ；如果輸入時以均勻角速度變化，則輸出φ 也變化，并且代表著一個相同的角速度，任一時刻輸出φ 與輸入θ 是相同的。

2.3 數模轉換板設計

數模轉換板選用HDSC2814 數字—自整角機轉換器，該轉換器由以下幾部分組成：參考變壓器、象限變換、正余弦乘法器、功率放大器和輸出變壓器等五部分。原理框圖如圖4 所示。

圖4 DSC 轉換器原理框圖Fig.4 Schematic block diagram of DSC converter

輸入參考信號經電子變壓器隔離降壓，給正余弦乘法器提供參考信號；數字全角量輸入，低12 位連接正余弦乘法器，高2 位連接到象限選擇，以形成全象限的正、余弦信號，然后用功率放大器放大后，再經輸出變壓器隔離、升壓后轉換成三線三相自整角機模擬信號輸出，即：V0=E0sinωt，其中V0為參考電壓的輸出，E0為參考電壓，為有效值。

VS1-S2=E0sinθsinωt

VS2-S3=E0sin（θ+120°）sinωt

VS3-S1=E0sin（θ+240°）sinωt

2.4 軟件編制

控制軟件是控制系統的核心，模數隨動系統檢測儀的軟件采用Windows 支持下的可視化程序設計，它使用了Microsoft Windows 圖形用戶界面的許多先進特性和設計思想，采用了彈性可重復利用的完整的面向對象語言。軟件設計采用先進的軟件編程工具，其主要部分為測控模塊、軟件示波器、數據庫應用程序、在線幫助等幾個模塊。通過精心的設計為檢測儀的操作使用提供了良好的人機界面，使用時用鼠標或鍵盤通過菜單或命令按鈕可方便的進行命令的執行和參數的輸入。設計了先進的輸出角度信號指針式動畫實時顯示程序，和可放大縮小的示波器顯示輸出，用于顯示發送信號波形及采集信號波形。整個軟件設計保證了儀器具有完備的自檢、發送、采集、分析、處理、存儲、顯示、查詢、打印等功能，軟件部分主要框架如圖5 所示。

圖5 控制軟件模塊圖Fig.5 Module diagram of control software

3 結束語

模數隨動系統檢測儀是融入虛擬儀器理論技術研制開發的一種專用設備，其基本構架為一臺高性能的計算機系統，配置相應輸入、輸出卡以實現特定的檢測功能。該檢測儀采用成熟的計算機作為硬件載體，選用Windows 支持下的可視化程序設計作為軟件平臺，自動化程度高，功能強大，測量精確，而且成本低，操作簡便，易于攜帶。

該檢測儀在離線模擬訓練、輔助快速故障定位等方面取得顯著創新，既能為某中口徑艦炮提供實時、快速、準確的技術保障和檢測維修，又能用于艦炮的日常模擬訓練，符合設計要求，滿足艦隊的應用需求，有效保障艦隊的維修任務。

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