自動舵控制系統便攜式故障檢測儀設計與實現?

申傳俊 朱晉泉 李城華 丁澤民

（1.海軍湛江航保修理廠 湛江 524002）（2.91991部隊 舟山 316001）（3.92638部隊 湛江 524000）（4.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033）

1 引言

自動舵是控制艦船航向、深度的一種航海儀器，它能夠按照給定的控制規律改變與保持航向、深度及姿態，保證艦船實現高精度的航行［1］。自動舵構成一般包括信號發生電路、綜合處理電路、功率放大器、執行機構、反饋機構、舵角復示器、電源電路等。由于自動舵控制系統（核心為信號發生、綜合處理及功放）構成復雜，且長期工作于潮濕、鹽霧、震動等惡劣環境，元件容易老化、銹蝕、脫焊或松動等從而引發故障，對控制電路及時檢測維修，是自動舵維修保障的重要內容。

目前，在役裝備的自動操舵儀故障診斷設備較少，且較笨重。例如，上海902廠研制的某型自動舵故障檢測儀，大連艦艇學院開發的某自動舵故障診斷設備［2］，海軍工程大學開發的航跡-航向自動舵故障檢測儀均體積較大，某修理廠研制的自動舵模擬電路故障檢測儀［3］，雖然可以完成自動舵電路故障的檢測，但為機柜式，較為笨重。上述儀器無法攜帶到裝備現場（船舶駕駛臺），限制了檢測儀的現場使用。

為了滿足自動舵控制系統在裝備現場快速故障診斷的需求，設計一種基于PC104［4］為系統平臺，以ARM為檢測核心的自動舵控制系統便攜式故障檢測儀，實現自動舵控制系統故障檢測，利用模糊推理與神經網絡技術結合進行故障的快速識別。

2 檢測系統工作原理

檢測系統工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統工作原理圖

檢測系統工作原理為：PC104控制檢測主板的ARM工作，通過設置操舵模式，舵角參數，均衡模式等，發出舵角/深度/縱傾等指令，ARM得到指令，經過運算，發出舵角及相敏參考信號、閥，泵開啟信號，經過D/A變換后，輸入檢測主板放大器，放大器的輸出作為模擬控制信號被輸入自動舵控制電路（被檢測電路），被檢測電路的響應由取樣電路取樣、保持后送入自帶A/D的ARM，ARM完成模數轉換后，將電壓上傳到PC104，存儲并顯示電壓信號，同時，后臺處理軟件結合歷史檢測數據，利用模糊推理與神經網絡原理自動運算，從而判斷電路故障。

3 硬件設計方案

選擇PC104計算機作為檢測儀的系統平臺，以STM32F103RCT6為核心的檢測主板，輔以系統電源電路、觸摸屏顯示器，檢測接口電路等，安裝于400mm×360mm×300mm的箱體內，組成自動舵控制系統便攜式故障檢測儀，主要電路如圖2（不含虛線框部分）所示。

對檢測儀的系統平臺及主要部件分別介紹如下：

圖2 檢測儀器主要電路結構圖

系統平臺：系統平臺采用PC104計算機，該型計算機技術成熟［5］，體積小巧，功耗低，可靠性高，對工作環境要求低，集成接口豐富，可以外接作為工控機使用，也可以作為嵌入式計算機使用。

檢測主板：該檢測主板包括32位微處理器STM32F103RCT6［6］，電壓放大電路 1，電壓放大電路2，D/A電路，D/A電路，取樣保持電路，通信電路，信號切換電路和專用接口等電路。

STM32F103RCT6為意法半導體公司生產的含Cortex-M3內核的32位微處理器，屬于增強型ARM，具有功能強大，實時性較好，I/O接口豐富，含有A/D，D/A電路，PWM以及多個定時器，讀寫速度快，功耗較低的優點，故選擇STM32F103RCT6作為檢測主板的核心。

信號取樣電路：取樣電路將輸入的信號取樣后，保持，送入檢測主板控制器。

模擬放大器：采用運放電路與晶體管共同構成同相電壓放大器［7］。如圖3，放大器前級采用運放，后級利用晶體管2SA1145、2SC1507進行信號放大，輸出級采用2SC3298、2SA1306作射級跟隨器。電路采用±60V供電，可以將信號從～Vpp=5V放大到～Vpp=110V，滿足模擬旋轉變壓器的信號發送需要。

電源電路：電源電路為工控機PC104、顯示器、檢測主板和被檢測控制板等供電，電源包括+60V，-60V，+12V，-12V，+5V，-5V，+3.33V 各 1路。+60V采用串聯兩個相同的可調電源模塊構成，單個模塊由穩壓芯片LM317與電阻等相結合的方式構成可調穩壓電路［8］，將電壓調整至30V；同理采用LM337形成的可調電源調整至-30V，串聯兩個相同的電源模塊即構成-60V。+12V，-12V，+5V，-5V采用整流、三端穩壓芯LM7812，LM7912，LM7805，LM7905穩壓加電容濾波的方式設計。ARM工作所需+3.3V電源由+5V直流經LM1117可調穩壓芯片獲得。電源變壓器1采用定制的環型變壓器，其輸入為～220V，輸出為8路，4路為～26V/0.3A，其余為 2路～12-0V-12V/0.15A，總功率為40W。電源變壓器2為定制的環型變壓器，為模擬放大板提供電源，該變壓器為3路輸出，2路為12-0V/0.2A，1路為～20V/0.8A，該變壓器總功率為36W。

圖3 檢測主板放大器電路

圖4 +60V電源原理圖

4 檢測系統軟件設計

檢測系統軟件分上位機和ARM軟件兩部分，上位機負責系統任務調度，接收ARM上傳的數據等，并在后臺作數據處理。上位機軟件采用Labwindows/CVI開發［9］，其工作流程如圖 5 所示。ARM軟件采用MDK5.0開發，采用C語言實現。

圖5 上位機軟件工作流程

上位機軟件工作流程：上位機與ARM通信，成功后在界面中進行模式選擇，設置參數，確認后點擊發送；指令由串口發送到ARM，ARM接受指令，發出舵角等信號，經D/A變換后進行放大，輸出到被檢測板件，被測板件的響應經取樣后，輸入ARM，A/D轉換后發送到上位機，A/D轉化及數據上傳完畢后，ARM工作終止。上位機界面顯示檢測數據，同時，結合模糊數學［10～12］原理與神經網絡［13］的后臺故障識別程序利用當前檢測數據，以及數據庫中的完整及故障板件的歷史檢測數據自動運算，得出控制電路是否存在故障，并給出故障報告。

ARM工作流程圖如圖6所示，ARM首先與上位機通信，成功后等待計算機發出指令，接收操舵模式、舵角參數、均衡調水信號后，發出舵角信號/縱傾信號，開啟閥控制信號，D/A轉換芯片進行轉換后，發出模擬控制信號，經過放大電路放大后輸入自動舵控制系統電路（被檢測板），被檢測板件的響應被取樣、保持后送入ARM經A/D轉換后，ARM將電壓信號上傳到上位機，轉換和上傳完成后，ARM工作結束。

圖6 ARM工作流程

5 檢測實驗

將檢測儀制作完畢后，通電調試，能夠產生各種所需要的模擬信號，放大器可正常放大信號。

將被檢測的自動操舵儀控制系統電路板與檢測儀通過專用接口進行連接，利用檢測儀器對某型自動操舵儀控制系統電路板進行故障檢測與診斷，檢測儀能正常獲得被測試電路板的響應數據。計算機根據返回的數據，結合數據庫中的完整及故障板件的歷史檢測數據，利用編制的模糊識別與神經網絡相結合的算法進行故障識別，耗時30s可以完成單塊控制電路板件的檢測及故障類別判斷，自動輸出電路板的故障信息。

6 結語

提出一種自動舵控制系統便攜式故障檢測儀設計方案，采用工控機PC104為系統平臺，以STM32F103RCT6為核心的檢測主板，輔以電源電路、接口電路、顯示電路等，構成自動舵控制系統便攜式故障檢測儀。該儀器小巧輕便，易于攜帶。利用該檢測儀對自動舵控制系統進行了實際故障檢測，結果表明，該裝置能夠對自動舵控制系統電路進行快速檢測，準確判斷故障。