綜合顯控箱電路設(shè)計(jì)與技術(shù)驗(yàn)證*

方航 向宇 嚴(yán)濤

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所 宜昌 443004）

1 引言

某型裝備工程研制過(guò)程中需要設(shè)計(jì)一臺(tái)集成顯示與控制功能一體的電子設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為綜合顯控箱）作為全系統(tǒng)的指控設(shè)備，要求具備狀態(tài)指示及人機(jī)交互、配電控制、通訊管理、開(kāi)關(guān)信號(hào)采樣、控制信號(hào)輸出等功能。本文以綜合顯控箱的電氣設(shè)計(jì)為例，從設(shè)計(jì)與制造需求分析、總體功能分解與子功能硬件實(shí)現(xiàn)、具體電路設(shè)計(jì)及實(shí)物樣機(jī)技術(shù)狀態(tài)驗(yàn)證等角度出發(fā)闡述產(chǎn)品從無(wú)到有、從上至下的開(kāi)發(fā)流程和方法，希望對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)師有一定的入門(mén)啟發(fā)作用。

2 設(shè)計(jì)需求分析

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)之前，首先應(yīng)多角度調(diào)研市場(chǎng)，充分收集信息、匯總并整理產(chǎn)品需求，編制需求分析報(bào)告。綜合顯控箱的設(shè)計(jì)與制造需求涵蓋了結(jié)構(gòu)、電氣、軟件及“六性要求［1］”等方面，本文著重從電氣角度對(duì)設(shè)備的需求進(jìn)行歸納總結(jié)，將總體功能進(jìn)行分解并開(kāi)展工程設(shè)計(jì)。首先將設(shè)備內(nèi)部視作黑匣子，從對(duì)外接口關(guān)系角度對(duì)綜合顯控箱的總體功能進(jìn)行量化明確，繪制設(shè)備的輸入輸出信號(hào)流向如圖1所示。

圖1 綜合顯控箱輸入輸出關(guān)系

根據(jù)設(shè)備的輸入輸出關(guān)系框圖，左側(cè)為輸入信號(hào)包含1路交流220V電源用于對(duì)設(shè)備供電、內(nèi)部電源分配及電壓等級(jí)變換，3路千兆網(wǎng)絡(luò)［2］及1路USB口用于與外部設(shè)備進(jìn)行通訊。右側(cè)為輸出信號(hào)包含6路交流220V電源用于分別對(duì)外部6個(gè)設(shè)備A1-A6供電，6路CAN通訊信號(hào)用于分別與外部6個(gè)設(shè)備A1-A6進(jìn)行CAN通訊［3～4］，6路動(dòng)作信號(hào)為綜合顯控箱向外部6個(gè)設(shè)備A1-A6分別輸出的+28V直流電壓信號(hào)，6路+28V指示電源為外部6個(gè)設(shè)備A1-A6分別向綜合顯控箱輸出的+28V反饋電源、用于對(duì)各自的+28V工作電源信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)指示，2路+28V電源信號(hào)用于向外部設(shè)備A7-A8輸出的工作電源，2路RS422信號(hào)用于綜合顯控箱與外部設(shè)備A7-A8進(jìn)行RS422串口通訊。

3 功能分解與實(shí)現(xiàn)

厘清設(shè)備的輸入輸出信號(hào)后，設(shè)計(jì)任務(wù)的重點(diǎn)方向就是運(yùn)用什么電路架構(gòu)將輸入轉(zhuǎn)化成要求的輸出。根據(jù)設(shè)備的輸入輸出關(guān)系，對(duì)總體功能進(jìn)行分解得出如下四個(gè)子功能單元，具體的電路設(shè)計(jì)［5］主要圍繞以下子功能單元進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)部電路框圖如圖2所示。

圖2 綜合顯控箱內(nèi)部電路框圖

1）通訊與顯控模塊。實(shí)現(xiàn)3路千兆網(wǎng)絡(luò)通訊、6路CAN通訊、2路RS422通訊、1路USB通訊，數(shù)據(jù)顯示及人機(jī)交互。

2）電源模塊。實(shí)現(xiàn)1路交流220V轉(zhuǎn)6路交流220V電源輸出、交流220V轉(zhuǎn)直流+28V電源、2路直流+28V電源輸出。

3）控制模塊。實(shí)現(xiàn)6路+28V電壓的動(dòng)作信號(hào)經(jīng)相關(guān)開(kāi)關(guān)按鍵控制后輸出。

4）采樣模塊。實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合顯控箱面板開(kāi)關(guān)按鍵及工作電源等信號(hào)進(jìn)行采樣，接收外部設(shè)備A1-A6反饋輸入的+28V指示電源并控制指示燈顯示。

4 電路設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)

4.1 通訊模塊設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)通訊功能要求綜合顯控箱至少具備3路千兆網(wǎng)口、6路CAN通訊接口、2路RS422串口及1路USB接口，為了降低電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度，應(yīng)盡量選擇同時(shí)具備上述通訊接口的控制模塊。

根據(jù)對(duì)控制模塊的調(diào)研選型，確定本次設(shè)計(jì)采用定制款綜合一體機(jī)（型號(hào)為RFC-150DTJ-HS）作為控制中心，該模塊自帶豐富的控制接口（含3路千兆網(wǎng)絡(luò)口、2路CAN通訊接口、2路RS422/485串口、4路USB接口及6路高電平采樣接口）和觸摸顯示屏，可以運(yùn)行自主開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。由于設(shè)備需要通過(guò)6路CAN通訊接口與外界6個(gè)設(shè)備A1-A6分別進(jìn)行CAN通訊，現(xiàn)有的綜合一體機(jī)的CAN通訊接口不足，因此還需要通過(guò)1個(gè)CANHub模塊（型號(hào)為CANHub-AS8）進(jìn)行CAN接口擴(kuò)展，該模塊具備8路CAN通訊接口，通過(guò)其中2路與綜合一體機(jī)進(jìn)行雙冗余數(shù)據(jù)交互，另外的6路可滿(mǎn)足與外界設(shè)備通訊的要求。通訊模塊電路框圖如圖3所示。

圖3 通訊模塊電路框圖

4.2 電源模塊設(shè)計(jì)

多路電源輸出功能要求設(shè)備能將輸入的1路交流220V經(jīng)電源濾波器Z1、斷路器QF1及系統(tǒng)加斷電開(kāi)關(guān)S1控制后分線(xiàn)成6路交流220V電源輸出，將內(nèi)部的交流220V電壓通過(guò)AC/DC電源模塊G1轉(zhuǎn)換成直流+28V電壓，為本設(shè)備內(nèi)部供電、其中2路直流+28V電源對(duì)外部設(shè)備輸出，主要屬于配電控制方面的內(nèi)容。根據(jù)環(huán)境適應(yīng)性及功耗要求對(duì)關(guān)鍵電子元器件選型，電源濾波器型號(hào)為JNF211B10/05、斷路器型號(hào)為IC65N2PC10A、系統(tǒng)加斷電開(kāi)關(guān)型號(hào)為KAN04-1-2T-B-GF220、AC/DC電源模塊型號(hào)為4NIC-Q168，確定多路電源輸出模塊的電路框圖如圖4所示。

圖4 電源模塊電路框圖

4.3 控制模塊設(shè)計(jì)

動(dòng)作信號(hào)輸出功能要求設(shè)備通過(guò)相關(guān)開(kāi)關(guān)控制后能對(duì)外統(tǒng)一輸出6路+28V信號(hào)，綜合顯控箱工作方式分為自動(dòng)方式和獨(dú)立方式、通過(guò)自動(dòng)/人工切換開(kāi)關(guān)（常閉）SB8（型號(hào)為KAN31-3B2-GF28）進(jìn)行工作方式選擇，斷開(kāi)（默認(rèn)狀態(tài)）為自動(dòng)方式、接通后轉(zhuǎn)入人工方式。自動(dòng)方式下電源模塊輸出的DC28V信號(hào)需接通鑰匙開(kāi)關(guān)SA1（型號(hào)為A165K-T2M-2）和自動(dòng)/人工切換開(kāi)關(guān)才能對(duì)外輸出。獨(dú)立方式下首先應(yīng)斷開(kāi)自動(dòng)/人工切換開(kāi)關(guān)，電源模塊輸出的DC28V信號(hào)需接通鑰匙開(kāi)關(guān)和動(dòng)作開(kāi)關(guān)SB7（型號(hào)為KAN31B-3B2-RF28）才能對(duì)外輸出。動(dòng)作信號(hào)輸出模塊電路框圖如圖5所示。

圖5 控制模塊電路框圖

4.4 采樣模塊設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)信號(hào)采樣及狀態(tài)反饋功能分為采樣和狀態(tài)反饋兩部分，采樣包括對(duì)鑰匙開(kāi)關(guān)接通高電平采樣、動(dòng)作開(kāi)關(guān)接通高電平采樣、動(dòng)作信號(hào)輸出高電平采樣、自動(dòng)/人工切換開(kāi)關(guān)接通高電平采樣及箱體內(nèi)部+28V直流工作電源高電平采樣，通過(guò)綜合一體機(jī)I/O口進(jìn)行采樣處理并在界面軟件上虛擬顯示。外部設(shè)備A1-A6在輸入綜合顯控箱給定的交流220V電源后在內(nèi)部降壓轉(zhuǎn)化為+28V工作電源，狀態(tài)反饋主要由外部設(shè)備A1-A6向綜合顯控箱輸入+28V電源，用于控制6路指示燈（型號(hào)為KAN31-0H1-GF28）進(jìn)行顯示，以指示外部設(shè)備A1-A6的+28V工作電源正常工作。該模塊的電路框圖如圖6、7所示。

圖6 開(kāi)關(guān)信號(hào)采樣電路框圖

圖7 狀態(tài)反饋電路框圖

4.5 設(shè)備總體電路框圖設(shè)計(jì)

綜合上述各子功能模塊的電路框圖設(shè)計(jì)，兼顧內(nèi)部模塊供電和箱體內(nèi)部散熱處理［6］設(shè)計(jì)，得出整機(jī)詳細(xì)的電路框圖如圖8所示，進(jìn)一步根據(jù)Cadance［7］軟件及電路圖繪制規(guī)則可得到產(chǎn)品詳細(xì)的電氣圖紙［8～9］。

圖8 綜合顯控箱總體詳細(xì)電路框圖

5 技術(shù)驗(yàn)證

綜合顯控箱的整機(jī)三維Pro/E模型如圖9所示，根據(jù)電路框圖開(kāi)展了具體的電路原理圖及接線(xiàn)圖設(shè)計(jì)，并同時(shí)開(kāi)展了結(jié)構(gòu)和電氣試制加工調(diào)試。對(duì)設(shè)備進(jìn)行電氣接線(xiàn)關(guān)系及絕緣性檢查確認(rèn)通過(guò)后，開(kāi)始對(duì)設(shè)備搭建測(cè)試平臺(tái)并通電開(kāi)展技術(shù)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

圖9 綜合顯控箱三維模型

表1 綜合顯控箱技術(shù)驗(yàn)證結(jié)果

續(xù)表

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)綜合顯控箱實(shí)物樣機(jī)開(kāi)展功能/性能測(cè)試分析，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)任務(wù)需求，綜合顯控箱設(shè)計(jì)滿(mǎn)足功能及性能指標(biāo)等要求。本設(shè)計(jì)案例從設(shè)計(jì)與制造需求分析、總體功能分解與硬件實(shí)現(xiàn)、具體電路設(shè)計(jì)及實(shí)物樣機(jī)技術(shù)狀態(tài)驗(yàn)證等角度出發(fā)闡述了產(chǎn)品從無(wú)到有、從上至下的開(kāi)發(fā)流程和方法，對(duì)產(chǎn)品電氣方面的開(kāi)發(fā)工作有一定的參考意義。