自動(dòng)舵模擬電路故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

申傳俊　鐘多就　譚志楊

(1.92236部隊(duì)　湛江　524002) (2.91630部隊(duì)　廣州　510000)

SHEN Chuanjun1　ZHONG Duojiu1　TAN Zhiyang2

(1.No.92236 Troops of PLA, Zhanjiang　524002) (2.No.91630 Troops of PLA, Guangzhou　510000)

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自動(dòng)舵模擬電路故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

申傳俊1鐘多就1譚志楊2

(1.92236部隊(duì)湛江524002) (2.91630部隊(duì)廣州510000)

針對(duì)自動(dòng)舵放大板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以檢測(cè)判斷故障的問題，設(shè)計(jì)了以計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)平臺(tái)，以增強(qiáng)型51單片機(jī)為控制核心的檢測(cè)主板，輔以電源模塊，系統(tǒng)電源電路，接口電路構(gòu)成自動(dòng)舵模擬放大電路檢測(cè)裝置。編寫上位機(jī)系統(tǒng)軟件和單片機(jī)軟件，利用串口進(jìn)行通信，最后，利用檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，檢測(cè)裝置能夠?qū)ψ詣?dòng)舵模擬放大板進(jìn)行快速檢測(cè)。

自動(dòng)舵; 模擬放大板; 檢測(cè)裝置; 單片機(jī); 故障檢測(cè)

SHEN Chuanjun1ZHONG Duojiu1TAN Zhiyang2

(1.No.92236 Troops of PLA, Zhanjiang524002) (2.No.91630 Troops of PLA, Guangzhou510000)

Class NumberTP273

1　引言

自動(dòng)舵是控制船舶航向的一種航海儀器，其結(jié)構(gòu)一般由電源電路、信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)綜合處理電路、功率放大器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、反饋機(jī)構(gòu)、舵角復(fù)示器等構(gòu)成，其完整性和可靠性是保證船舶航行安全和在航率的重要因素。由于自動(dòng)舵信號(hào)綜合處理電路(又稱作模擬放大板)長期工作，且處于潮濕環(huán)境，容易發(fā)生元件老化，產(chǎn)生故障，對(duì)模擬放大電路及時(shí)檢測(cè)維修，是自動(dòng)舵維修保障的重要內(nèi)容。

李天偉[1]針對(duì)自動(dòng)舵故障電路板需要返廠測(cè)試的問題，采用專用接口電纜和測(cè)試軟件，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法設(shè)計(jì)了自動(dòng)舵電路板便攜式故障測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，能夠定位電路板常見故障。胡光明[2]從舵機(jī)故障的現(xiàn)象入手，對(duì)自動(dòng)舵電氣控制系統(tǒng)的功能塊進(jìn)行分析，指出了可能出現(xiàn)故障的原因。王超[3]設(shè)計(jì)了以單片機(jī)和基于故障字典的診斷軟件為核心的自動(dòng)舵放大器電路故障診斷裝置。王宇超[4]設(shè)計(jì)了某型自動(dòng)舵數(shù)控系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能判斷微機(jī)通道模塊是否正常工作，對(duì)板卡性能做出判斷，將故障定位到板件級(jí)和芯片級(jí)。李堅(jiān)[5]以自動(dòng)舵突然失靈為頂事件建立了故障樹，對(duì)故障樹進(jìn)行了分析，得出了故障樹的最小割集；給出了影響自動(dòng)舵正常工作的各失效因素及其邏輯關(guān)系，為自動(dòng)舵可靠性試驗(yàn)、評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。郭莫燦等對(duì)PID船舶自動(dòng)舵組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究[6]。上海902廠研制了自動(dòng)舵組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可進(jìn)行水面艦船自動(dòng)舵放大板的離線檢測(cè)。大連艦艇學(xué)院設(shè)計(jì)了HD-5自動(dòng)舵放大器檢測(cè)儀器，通過檢測(cè)放大器關(guān)鍵元件的參數(shù)，利用智能算法與數(shù)據(jù)庫比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)故障的識(shí)別。文獻(xiàn)[7]提出利用專家系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)舵故障檢測(cè)識(shí)別。

為了提高某自動(dòng)舵模擬放大電路的檢測(cè)效率，滿足其檢測(cè)維修需要，本文提出一種基于計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)平臺(tái)，以嵌入式系統(tǒng)為檢測(cè)核心的自動(dòng)舵模擬放大電路檢測(cè)方案，輔以電源電路，取樣保持電路等構(gòu)成自動(dòng)舵模擬放大電路檢測(cè)儀，通過接口電路實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)對(duì)象與儀器的連接，編寫上位機(jī)軟件和單片機(jī)軟件，計(jì)算機(jī)控制單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)舵模擬放大電路的快速檢測(cè)和故障識(shí)別。

圖1　硬件總體框圖

2　檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

采用計(jì)算機(jī)作為檢測(cè)系統(tǒng)的平臺(tái)，以單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的核心，計(jì)算機(jī)控制單片機(jī)工作，通過設(shè)置操舵模式，舵角參數(shù)等，發(fā)出舵角指令，單片機(jī)發(fā)出舵角信號(hào)，經(jīng)過D/A變換后，發(fā)送給信號(hào)放大電路，放大電路的輸出信號(hào)送入自動(dòng)舵模擬放大電路，其輸出經(jīng)過取樣保持電路后送入自帶A/D單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成后，將電壓自動(dòng)上傳到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)并顯示電壓信號(hào)，同時(shí)，后臺(tái)處理軟件將自動(dòng)運(yùn)算，將信號(hào)與正常放大電路的輸出參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從而發(fā)現(xiàn)電路故障。

3　硬件設(shè)計(jì)方案

以計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)平臺(tái)，以51單片機(jī)STC12C5A60s2(增強(qiáng)型51單片機(jī)，自帶A/D)為核心的檢測(cè)主板，該檢測(cè)主板包括：D/A轉(zhuǎn)換及放大電路(將單片機(jī)發(fā)出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后放大，送模放箱)，取樣保持電路，電源電路(為檢測(cè)主板供電)；輔以電源模塊(為工控機(jī)PC104及顯示器，放大板供電)，觸摸屏顯示器，檢測(cè)接口電路等，組成模擬放大板自動(dòng)檢測(cè)裝置，根據(jù)檢測(cè)獲得的信號(hào)信息進(jìn)行綜合判斷，從而判斷模擬放大板的故障。

檢測(cè)主板由MCU，D/A電路，放大電路，取樣保持電路，通信模塊等構(gòu)成，主要電路包括主控電路(圖2)及放大器(圖3)。

圖2　檢測(cè)儀器主控電路結(jié)構(gòu)圖

圖3　檢測(cè)主板放大器電路

放大器采用具有線性補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)效應(yīng)管高壓反相放大器，采用純甲類形式，力求最低限度的失真[8]。放大器前級(jí)采用晶體管2SC1507, 進(jìn)行小信號(hào)放大，后級(jí)采用MOS管IRFP240，承擔(dān)后級(jí)的大電壓放大。Qq、Z4、R49共同構(gòu)成限流保護(hù)電路。電路采用+120V供電，可以將信號(hào)從Vpp=5V放大到Vpp=110V，能夠滿足模擬旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)發(fā)送需要。

電源方案：其原理如圖4所示，電源部分包括+120V, +12V，-12V，+5V，-5V各一路。+120V采用穩(wěn)壓芯片LM7824有穩(wěn)壓二極管相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)升壓電路，即在穩(wěn)壓芯片LM7824的2腳與地之間串聯(lián)2個(gè)穩(wěn)壓48V的穩(wěn)壓二極管。+12V，-12V，+5V，-5V采用整流，穩(wěn)壓加電容濾波的方式設(shè)計(jì)，三端穩(wěn)壓芯LM7812，LM7912，LM7805，LM7905分別用于設(shè)計(jì)制作+12V -12V，+5V，-5V電源。電源變壓器采用定制的環(huán)型變壓器，其輸入為～220V，輸出為3路，一路為～90V/0.8A，其余為雙路～12-0V/0.15A，總功率為75W。

圖4　電源原理圖

4　檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)軟件分上位機(jī)和單片機(jī)軟件兩部分，上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度，接受單片機(jī)上傳的數(shù)據(jù)等，并在后臺(tái)軟件中進(jìn)行處理。上位機(jī)軟件采用VB6.0開發(fā)[10]，其工作流程如圖5所示。

圖5　上位機(jī)軟件工作流程

上位機(jī)工作流程為：上位機(jī)與單片機(jī)通信，成功后在界面中進(jìn)行模式選擇，設(shè)置舵角等參數(shù)，確認(rèn)后點(diǎn)擊發(fā)送；指令由串口發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)接受指令，發(fā)出舵角信號(hào)，經(jīng)D/A變換后進(jìn)行放大，輸出到模擬放大器。放大器的響應(yīng)經(jīng)取樣后輸入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到上位機(jī)，最終轉(zhuǎn)化完成，發(fā)送完數(shù)據(jù)后單片機(jī)工作終止。上位機(jī)界面顯示電壓數(shù)據(jù)，同時(shí)，后臺(tái)處理程序自動(dòng)運(yùn)算，得出放大電路是否存在故障，并給出故障報(bào)告。

單片機(jī)軟件工作流程如圖6所示，單片機(jī)首先與上位機(jī)進(jìn)行通信，通信成功后等待計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令，接受操舵模式，舵角參數(shù)后，發(fā)出舵角信號(hào)， D/A轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，發(fā)出模擬舵角信號(hào)，經(jīng)過放大電路放大后輸入自動(dòng)舵模擬放大器，其輸出經(jīng)過取樣保持電路，送入單片機(jī)，單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，將電壓信號(hào)上傳到上位機(jī)，最終轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機(jī)工作結(jié)束。

圖6　單片機(jī)軟件工作流程

5　模擬檢測(cè)試驗(yàn)

將檢測(cè)裝置制作完畢后，通電調(diào)試，能夠正常發(fā)出各種所需要的信號(hào)，放大器可正常放大信號(hào)，將檢測(cè)板輸出的放大信號(hào)輸入采樣電路，上位機(jī)可及時(shí)收到上傳回來的自動(dòng)舵放大板的電壓信號(hào)并實(shí)時(shí)刷新。圖7為上位機(jī)軟件檢測(cè)界面。

圖7　上位機(jī)軟件檢測(cè)界面

將發(fā)送信號(hào)的輸出接入信號(hào)接收電路，進(jìn)行檢測(cè)裝置模擬檢測(cè)測(cè)試，表1為方向舵給定舵角為4°～25°之間部分舵角時(shí)，所接收到的方向舵輸出電壓信號(hào)。

表1　發(fā)送與接收電壓

在實(shí)際檢測(cè)中，需要建立完好板件數(shù)據(jù)庫，在故障診斷時(shí)，可從數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行比對(duì)，從而判斷電路故障。

6　結(jié)語

提出一種自動(dòng)舵模擬放大電路故障檢測(cè)方案，采用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了以增強(qiáng)型單片機(jī)作為核心的檢測(cè)主板，輔以電源電路，接口電路等，構(gòu)成自動(dòng)舵模擬放大電路檢測(cè)裝置，對(duì)該裝置進(jìn)行了模擬檢測(cè)，結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)ψ詣?dòng)舵模擬放大板進(jìn)行快速故障檢測(cè)。

[1] 李天偉，李正友，黃謙.自動(dòng)舵電路板故障測(cè)試系統(tǒng)研究[J].中國測(cè)試,2013,39(2):77-80.

[2] 胡光明.自動(dòng)舵故障原因分析[J].機(jī)電設(shè)備,2013(4):46-48.

[3] 王超，姜應(yīng)戰(zhàn)，劉金輝，等.船舶自動(dòng)舵放大器在線故障診斷儀設(shè)計(jì)[J].中國修船,2005(6):31-33.

[4] 王宇超.船舶自動(dòng)舵故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2008:20-67.

[5] 李堅(jiān),陳傳坎.船舶自動(dòng)舵故障樹分析[J].中國水運(yùn),2009,9(11):9-10.

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[8] 王乃成.電子愛好者[M].福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社,2002:934-938.

[9] 王增福，李旭，魏永明.新編線性直流電源[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004:103-108.

[10] 明日科技編著.Visual Basic從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008:197-235.

Design of Fault Testing System for Analog Circuits Amplify Board of Autopilot*

The autopilot analog amplifying circuit board is complicated and difficult to inspect its faults. A kind of analog amplifying circuits fault testing instrument is designed which includes system platform, testing board, power board, circuit interface. The system software for the host computer and single chip computer are programmed. The computer and single chip computer communicate with each other by serial communication. The autopilot analog amplifying circuit fault testing instrument is tested by simulation inspection. The testing result indicates that the testing instrument can inspect the autopilot analog amplifying circuits rapidly.

autopilot, analog amplifying circuits, testing instrument, single chip computer, fault testing

2016年2月15日,

2016年3月17日

申傳俊，男，博士，工程師，研究方向：電路故障診斷及航海裝備維修。鐘多就，男，碩士，工程師，研究方向：自動(dòng)控制理論及航海裝備維修。譚志楊，男，工程師，研究方向：航海裝備維修。

TP273

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.040