基于地磁模式組的消磁系統(tǒng)誤差測試儀研制*

張朝陽　吳　飛　史　偉

(1.海軍裝備技術(shù)研究所　上?！?00083)(2.中船重工704研究所　上?！?00080)(3.92304部隊(duì)　三亞　572000)

ZHANG Zhaoyang1　WU Fei2　SHI Wei3

(1.Navy Equipment Technology Institute, Shanghai　200083) (2.704 Institute of China Ship Industry Corporation, Shanghai　200080)(3.No.92304 Troops of PLA, Sanya　572000)

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基于地磁模式組的消磁系統(tǒng)誤差測試儀研制*

張朝陽1吳飛2史偉3

(1.海軍裝備技術(shù)研究所上海200083)(2.中船重工704研究所上海200080)(3.92304部隊(duì)三亞572000)

根據(jù)地磁模式組式消磁系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，通過選取合適的計(jì)算機(jī)平臺(tái)、采集卡、通訊卡等，按照模塊化、結(jié)構(gòu)化思想，采用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種消磁系統(tǒng)誤差測試儀。多線程技術(shù)的運(yùn)用，保證了測試信號(hào)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

地磁模式組; 測試儀; 虛擬儀器; 多線程

ZHANG Zhaoyang1WU Fei2SHI Wei3

(1.Navy Equipment Technology Institute, Shanghai200083) (2.704 Institute of China Ship Industry Corporation, Shanghai200080)(3.No.92304 Troops of PLA, Sanya572000)

Class NumberTN219

1　引言

消磁系統(tǒng)是海軍艦艇上的重要裝備，在保持和提高艦艇磁防護(hù)能力方面發(fā)揮著不可替代的作用[1～2]，而消磁系統(tǒng)的維修保障工作則是保持消磁系統(tǒng)良好技術(shù)狀態(tài)的重要保證，其中消磁系統(tǒng)的誤差測試又是一項(xiàng)十分重要的工作，因此關(guān)于消磁系統(tǒng)誤差測試技術(shù)的研究比較常見。目前艦艇上的消磁系統(tǒng)主要是基于“測地磁消艦磁”的原理，即通過安裝在艦艇桅桿上的3分量磁探頭測量得到3分量地磁場，以此為控制信號(hào)調(diào)整各繞組中的消磁電流，從而產(chǎn)生磁場將艦艇感應(yīng)磁場補(bǔ)償?shù)簟ａ槍?duì)該類消磁系統(tǒng)(可稱為基于磁強(qiáng)計(jì)的消磁系統(tǒng))的誤差測試，桂林電子科技大學(xué)、桂林海威船舶電器有限公司等單位進(jìn)行了相應(yīng)儀器的研究開發(fā)，研制出了若干便攜式消磁系統(tǒng)誤差測試儀器(CQJ類誤差測試儀器)[3～8]，基本解決了磁強(qiáng)計(jì)式消磁系統(tǒng)各設(shè)備的性能測試問題。

隨著裝備技術(shù)的發(fā)展，磁強(qiáng)計(jì)式消磁系統(tǒng)逐漸顯露出一些缺點(diǎn)[9～10]：1)存在嚴(yán)重的干擾問題；2)可靠性無法保證；3)電路復(fù)雜；4)強(qiáng)弱電系統(tǒng)沒有進(jìn)行有效隔離。基于上述原因，有學(xué)者提出了基于地磁模式組的艦船消磁系統(tǒng)，并開始在一些新型艦艇上進(jìn)行應(yīng)用，但目前還沒有專門針對(duì)該類消磁系統(tǒng)的設(shè)備性能測試儀器，其維修保障工作還存在一定缺陷。本文試圖從基于地磁模式組的消磁系統(tǒng)裝備技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，研制一種專門針對(duì)地磁模式組消磁系統(tǒng)的誤差測試儀器，進(jìn)而提升該類消磁系統(tǒng)的維修保障能力，從而提高艦艇的磁防護(hù)能力。

2　基于地磁模式組的消磁系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

基于地磁模式組的消磁系統(tǒng)將地磁場模式組預(yù)先存儲(chǔ)在單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)，通過接收GPS的經(jīng)緯度、平臺(tái)羅經(jīng)的航向角和姿態(tài)等信息，經(jīng)單片機(jī)解算后控制消磁電流大小。實(shí)踐表明，該類消磁系統(tǒng)去除了磁探頭，從而大大簡化了信號(hào)處理電路，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。目前，地磁解算主要有三種方法，一是網(wǎng)格法，即把地磁空間按經(jīng)緯度劃分成網(wǎng)格，實(shí)測出網(wǎng)格的磁場值，制成表格，用查表的方法找出與經(jīng)緯度對(duì)應(yīng)的地磁場；二是球諧分析法，利用地面實(shí)測的地磁資料計(jì)算地磁場的經(jīng)緯度球諧級(jí)數(shù)表達(dá)式；三是泰勒多項(xiàng)式法，利用地磁場地理分布連續(xù)的性質(zhì)，把地磁要素展成經(jīng)緯度的泰勒多項(xiàng)式，然后根據(jù)實(shí)測的地磁資料，用最小二乘法建立地磁空間分布的泰勒多項(xiàng)式模式。目前地磁模式組式的消磁系統(tǒng)主要采用球諧分析法或者泰勒多項(xiàng)式法。

基于地磁模式組的消磁系統(tǒng)一般采用雙主機(jī)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能確保整套系統(tǒng)的正常運(yùn)行，如圖1為一種常見的消磁系統(tǒng)控制框圖。

圖1　一種地磁模式組式消磁系統(tǒng)控制框圖

針對(duì)消磁系統(tǒng)的誤差測試儀設(shè)計(jì)必須考慮消磁系統(tǒng)的接口特點(diǎn)，對(duì)于地磁模式組式消磁系統(tǒng)，其接口類型主要有三種：1)以太網(wǎng)接口，主要是傳輸導(dǎo)航信號(hào)；2)模擬電壓信號(hào)接口(-V～V)，主要是控制消磁電源按比例輸出消磁電流；3)電流輸出接口(-A～A)，主要是輸出消磁電流到消磁繞組。

本文的消磁系統(tǒng)誤差測試儀研制主要基于該類消磁系統(tǒng)的上述地磁模式組特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和接口特點(diǎn)等來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3　基于地磁模式組的消磁系統(tǒng)誤差

測試儀設(shè)計(jì)

3.1功能需求分析

為保證測試儀信號(hào)的輸入、輸出匹配實(shí)際設(shè)備，必須配備合適的接口。根據(jù)測試儀的輸出信號(hào)需求，可考慮采用以太網(wǎng)/CAN接口，用于高速傳輸位置和姿態(tài)信息；根據(jù)測試儀輸入信號(hào)(采集電壓信號(hào)、電流信號(hào))的特點(diǎn)，采用多通道的模擬輸入接口。為了能夠準(zhǔn)確快速地完成消磁系統(tǒng)性能測試任務(wù)，誤差測試儀各模擬通道應(yīng)具有很高的靜態(tài)輸出精度和動(dòng)態(tài)輸出精度，其數(shù)字通道應(yīng)具有較高的定時(shí)性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

地磁場解算是該類消磁系統(tǒng)的一大技術(shù)特點(diǎn)，因此對(duì)于誤差測試儀，必須把地磁解算模塊內(nèi)嵌入工控機(jī)中，在向消磁設(shè)備發(fā)送綜導(dǎo)和姿態(tài)信息時(shí)，工控機(jī)同時(shí)獲得相應(yīng)信息，利用地磁解算模塊計(jì)算出對(duì)應(yīng)的地磁場，進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)的電壓回采理論值，作為消磁設(shè)備性能評(píng)估的基準(zhǔn)。

3.2方案設(shè)計(jì)

消磁系統(tǒng)誤差測試儀硬件應(yīng)基于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)架構(gòu)，選用工業(yè)測控的現(xiàn)有成熟產(chǎn)品。選型依據(jù)為：

1)滿足使用環(huán)境要求；

2)采集卡、通訊卡滿足采集精度和實(shí)時(shí)性要求；

3)鉗形電流傳感器選型須滿足電源輸出電流范圍和精度采集要求；

4)選型基于X86的通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，注重性價(jià)比。

選擇軟件開發(fā)平臺(tái)時(shí)，綜合考慮操作系統(tǒng)的易用性和開發(fā)工具的支持性，在都滿足測試需求的前提下，選擇Windows操作系統(tǒng)作為測試軟件的開發(fā)平臺(tái)。另外，本測試儀基于虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理功能和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，以縮小儀器硬件的成本和體積，同時(shí)通過測控單元實(shí)現(xiàn)各種測試信號(hào)的高精度驅(qū)動(dòng)和采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)消磁儀器設(shè)備性能指標(biāo)的高精度測試。采用虛擬儀器技術(shù)后，軟件面板的設(shè)計(jì)可突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)顯示、處理和存儲(chǔ)上的限制，界面直觀，操作方便，能有效提高消磁設(shè)備的誤差測試效率。

根據(jù)上述考慮，本文所研究的消磁系統(tǒng)誤差測試儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖如圖2所示。

圖2　消磁系統(tǒng)誤差測試儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

4　基于地磁模式組的消磁系統(tǒng)誤差測試儀實(shí)現(xiàn)

4.1硬件實(shí)現(xiàn)

測試儀整套硬件系統(tǒng)組成如下：

1)誤差測試儀一臺(tái)，包括便攜式工控機(jī)、NI采集卡、通訊卡及測試軟件；

2)高精度電流鉗三個(gè)。

便攜式工控機(jī)選用一般加固型計(jì)算機(jī)(ARP-650)即可滿足要求；測試儀工作時(shí)需要兩個(gè)模擬輸出通道，同時(shí)最多有六個(gè)模擬輸入通道需要同時(shí)采集，屬于典型的多通、大容量數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)測量、采集和處理，因此選擇了NI公司的NI PCI-6221模擬量卡；測試儀通訊板卡為常規(guī)通訊接口板卡，選型時(shí)主要考慮與整機(jī)的匹配性和軟件開發(fā)的支持性，因此選擇了NI公司基于PCI板卡的PCI-8512/2 CAN卡；高精度電流鉗是測試儀的配件，用于將消磁電源的輸出電流等比例轉(zhuǎn)換為測試儀可采集處理的電壓信號(hào)，選擇了日本日置HIOKI3275鉗式電流探頭。

4.2軟件實(shí)現(xiàn)

測試儀軟件應(yīng)完成的任務(wù)有：信號(hào)發(fā)送采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)，數(shù)據(jù)顯示任務(wù)、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)標(biāo)定、報(bào)表打印等。根據(jù)所屬任務(wù)和模塊化、結(jié)構(gòu)化的總體思想，確定測試儀系統(tǒng)軟件的幾大功能模塊為：數(shù)據(jù)發(fā)送采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、I/O設(shè)置模塊、系統(tǒng)標(biāo)定模塊和報(bào)表打印模塊。功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

程序設(shè)計(jì)時(shí)，主程序中采用多線程技術(shù)將用戶交互，數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理各項(xiàng)功能分別開辟獨(dú)立線程，各個(gè)線程之間的數(shù)據(jù)交互利用隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。

圖3　軟件主要功能模塊結(jié)構(gòu)圖

在軟件系統(tǒng)各功能模塊中，數(shù)據(jù)分析處理模塊最為重要，其中主要包括軟件濾波處理和地磁模式組實(shí)現(xiàn)。

基于工控機(jī)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)中都含有各種噪音和干擾，它們來自被測信號(hào)源、傳感器、外界干擾等，為了準(zhǔn)確地測量和控制，必須采用軟件濾波技術(shù)最大程度的消除采集信號(hào)中的噪音干擾，本測試儀采用了改進(jìn)的算術(shù)平均值法進(jìn)行濾波。

基于地磁模式組的消磁電流控制是地磁模式組式消磁裝備的一大特點(diǎn)，與之相對(duì)應(yīng)，誤差測試儀內(nèi)也須嵌入地磁模式組模塊，以獲得某位置艦船對(duì)應(yīng)的地磁場理論值。本文地磁解算模塊采用國際地磁參考場(IGRF)作為計(jì)算模型，國際地磁參考場使用一系列球諧分析方法建立起來的關(guān)于地球主磁場及其長期變化的數(shù)學(xué)模型，得到地磁信息后，根據(jù)艦船的橫搖、縱傾、航向等信息對(duì)地磁場進(jìn)行投影，進(jìn)而計(jì)算出消磁電流控制儀控制消磁電源輸出電流的理論值?？紤]到地磁解算算法為復(fù)雜的多階運(yùn)算算法，采用C/C++語言實(shí)現(xiàn)較為方便，設(shè)計(jì)中將這部分功能獨(dú)立用C語言編程實(shí)現(xiàn)并編譯成DLL動(dòng)態(tài)庫形式，在labview環(huán)境中動(dòng)態(tài)加載調(diào)用(圖4為測試軟件主界面)。

圖4　測試軟件主界面

5　結(jié)語

根據(jù)地磁模式組式消磁系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，研制了相應(yīng)的消磁系統(tǒng)誤差測試儀，成功解決了基于地磁模式組的消磁系統(tǒng)性能測試問題。多線程技術(shù)的運(yùn)用使得測試儀可以同時(shí)處理多通道、多組的采集信號(hào)，保證了測試信號(hào)的實(shí)時(shí)性；采用多線程安全監(jiān)控、通道間隔離保護(hù)等技術(shù)，提高了測試過程中的容錯(cuò)性，確保了測試的準(zhǔn)確性；基于虛擬儀器技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)，具有良好的通用性、兼容性和可拓展性，能方便的實(shí)現(xiàn)多種測試功能的擴(kuò)展，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Development of One Error Test Instrument for Degaussing System Based on Type Series of Geomagnetic Field*

According to the technology characters of degaussing system based on the type series of geomagnetic field, by selecting appropriate computer platform, signal acquisition system, and communication system, based on the idea of blocking and configuration, via using VI technology, one error test instrument for degaussing system is designed. By using multithreading technology, the quality of real time and precision is ensured, which has expansive application foreground.

type series of geomagnetic field, test instrument, virtual instrument, multithreading technology

2016年2月6日,

2016年3月13日

張朝陽,男,博士，工程師，研究方向：艦船消磁技術(shù)。吳飛,男,碩士,工程師,研究方向：電子儀器設(shè)計(jì)。

TN219

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.045

史偉,男,工程師,研究方向：軍港工程、儀器控制。