【摘要】方位水平儀廣泛應(yīng)用于艦艇武器指揮系統(tǒng)，三相中頻穩(wěn)壓電源為其提供所需各路電壓。但在該電源電路板批量生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的調(diào)試及檢測(cè)手段已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足該板件的生產(chǎn)任務(wù)，同時(shí)在該型方位水平儀的保障修理過(guò)程中，對(duì)于板件的調(diào)試檢測(cè)也存在一定的困難。本文旨在設(shè)計(jì)出一型能夠滿足批量生產(chǎn)及調(diào)試需要的檢測(cè)設(shè)備，以滿足裝備保障需要。

【關(guān)鍵詞】中頻電源;信號(hào)檢測(cè);電磁兼容;功能擴(kuò)展;軟件設(shè)計(jì)

1.研制現(xiàn)狀

1.1 研究目的與意義

NF系列方位水平儀廣泛應(yīng)用于艦艇武器指揮系統(tǒng)，為艦船提供方位、水平、航速等姿態(tài)信息。三相中頻穩(wěn)壓電源為其提供所需各路電壓。由于工廠承擔(dān)了該電源板的研仿及批量訂貨任務(wù)，傳統(tǒng)的調(diào)試及檢測(cè)手段已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足該板件的生產(chǎn)任務(wù)，同時(shí)在該型方位水平儀的保障修理過(guò)程中，對(duì)于板件的調(diào)試檢測(cè)也存在一定的困難。

目前，批量生產(chǎn)中對(duì)各工作點(diǎn)參數(shù)的調(diào)試采用示波器來(lái)觀察輸入與發(fā)送端的波形來(lái)判斷是否符合技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，通過(guò)萬(wàn)用表一路路檢測(cè)來(lái)確定各路工作電壓，既不準(zhǔn)確又不直觀，并且無(wú)法同時(shí)觀察各發(fā)送端的輸出。由于檢測(cè)手段的落后，生產(chǎn)及維修工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。一名熟練技師采用此種辦法進(jìn)行一次調(diào)整也要耗費(fèi)幾天的時(shí)間，因而遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)批量生產(chǎn)及戰(zhàn)時(shí)對(duì)裝備維修工作的要求。

綜上所述，研制專用的能多通道測(cè)量輸出波形信號(hào)及同步檢測(cè)多路電壓的檢測(cè)儀對(duì)生產(chǎn)及提高裝備維修工作的效率具有重要意義。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

為使維修技術(shù)人員能盡量少的攜帶檢測(cè)儀器，方便陣地修理，該檢測(cè)儀在設(shè)計(jì)時(shí)配有三路擴(kuò)展口，可隨時(shí)隨地檢測(cè)調(diào)試任何裝備、任何板件，并最多可為其同時(shí)提供四路工作電壓顯示、8路邏輯信號(hào)、2路示波信號(hào)的顯示分析。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

檢測(cè)儀由4個(gè)電壓表模塊、邏輯分析模塊、主控CPU板、通道選擇開關(guān)、工作方式選擇、人機(jī)接口和顯示模塊等組成。該檢測(cè)儀的工作流程為主控CPU板根據(jù)面板輸入設(shè)定進(jìn)行功能選擇、采集來(lái)自板件的波形信號(hào)及電壓信號(hào)，通過(guò)解碼換算，最后將得到的各路信息在本機(jī)顯示出來(lái)，用于實(shí)時(shí)調(diào)試各工作點(diǎn)參數(shù)。

考慮到系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間短、可靠性要求高、操作要求簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，系統(tǒng)中的CPU模塊、數(shù)字I/O接口卡選用的工控模塊。系統(tǒng)中的人機(jī)接口界面采用圖形化顯示方式。顯示屏采用工業(yè)級(jí)高亮度液晶屏。取消了傳統(tǒng)的鍵盤接口方式，采用觸摸屏獲取輸入信息。電源模塊選用工業(yè)級(jí)專用模塊提供+5V、+24V、+12V電源。220V轉(zhuǎn)24V四路變壓器及220V轉(zhuǎn)18V變壓器為專門根據(jù)技術(shù)指標(biāo)定做。以下分別對(duì)各部分的原理、參數(shù)和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行說(shuō)明。

2.技術(shù)設(shè)計(jì)方案

2.1 邏輯分析功能設(shè)計(jì)

由于待測(cè)板件輸出為COMS信號(hào)而邏輯分析模塊接收為TTL信號(hào)，故必須先設(shè)計(jì)出COMS、TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，才能實(shí)現(xiàn)COMS信號(hào)通過(guò)邏輯分析模塊實(shí)時(shí)顯示波形信號(hào)的功能，并對(duì)六路信號(hào)分別控制，可進(jìn)行多路顯示或單路分析。波形信號(hào)接收幅值范圍為+20V～-20V，帶測(cè)板信號(hào)最大幅值為8V左右，無(wú)需另外進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，直接通過(guò)后面板采集處理。

2.2 多路電壓復(fù)視功能設(shè)計(jì)

采用三位高亮電壓顯示模塊，通過(guò)+24V給功能按鈕進(jìn)行供電，由12V電控制繼電器來(lái)達(dá)到開關(guān)指示的目的。另外，為確保檢測(cè)儀使用的可靠性，采用四路繼電器隔離開關(guān)與電壓顯示模塊來(lái)控制四路檢測(cè)電壓，確保數(shù)值測(cè)量準(zhǔn)確。

2.3 外部功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)

為確保檢測(cè)儀使用的可靠性，本儀器上下機(jī)柜采用航空插頭進(jìn)行連接，同時(shí)擴(kuò)展口也從后面板外接。由于此三相中頻穩(wěn)壓電源工作原理廣泛應(yīng)用于艦船裝備供電系統(tǒng)中，只是每型裝備具體參數(shù)不同，故本儀器在設(shè)計(jì)之初就考慮到了其功能擴(kuò)展接口，通過(guò)后面板航空插頭可外接各種板件信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)其他板件進(jìn)行修理，方便進(jìn)行陣地修理，提高保障效率。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為方便制作，待測(cè)板件區(qū)采用有機(jī)玻璃組裝完成，根據(jù)板件尺寸設(shè)計(jì)出插槽大小、深度并加工制作。由于殼體與前面板尺寸要完全吻合，故在設(shè)計(jì)定型時(shí)，考慮多方面因素，確保美觀的同時(shí)，達(dá)到快速插拔的目的，以提高板件調(diào)試效率。

2.5 抗干擾設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)的抗干擾性能根本在硬件結(jié)構(gòu)，軟件抗干擾只是一個(gè)補(bǔ)充。除了軟件的抗干擾外，物理的EMI設(shè)計(jì)也直接關(guān)系到檢測(cè)儀能否正常工作以及采集的數(shù)據(jù)是否失真的問(wèn)題。本儀器采集的信號(hào)均為弱電信號(hào)，而板件供電變壓器、開關(guān)電源、散熱風(fēng)扇等部件工作時(shí)均會(huì)產(chǎn)生大量的電磁輻射，給軟件運(yùn)行帶來(lái)一定的干擾，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確，甚至出現(xiàn)檢測(cè)儀系統(tǒng)功能失效的后果。

該檢測(cè)儀在設(shè)計(jì)時(shí)采用分體式設(shè)計(jì)充分考慮了這一因素。把變壓器及開關(guān)電源放置在下體，而邏輯分析模塊及液晶屏等安裝在上部。這樣可以進(jìn)行有效的隔離，防止信號(hào)干擾。同時(shí)，在每根信號(hào)傳輸線上套有磁環(huán)，可以有效的抑制干擾輻射。

檢測(cè)儀上部同樣將工控處理單元與存貯器及專用電源分開。采用鋁板物理隔離的方式將邏輯分析模塊及信號(hào)采集端子安裝在鋁板上部。

除這些措施之外，所有信號(hào)傳輸線全部采用屏蔽電纜，以確保傳輸信號(hào)不失真。

2.6 前面板設(shè)計(jì)

設(shè)備的實(shí)用性是對(duì)設(shè)計(jì)的另一個(gè)考驗(yàn)。本檢測(cè)儀面板設(shè)計(jì)直觀，操作界面及按鈕功能人性化，僅需簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可掌握檢測(cè)、調(diào)試全過(guò)程，能讓操作者很快上手。這對(duì)特裝裝備保障隊(duì)伍的建設(shè)，人員技能的提高有很大的推動(dòng)作用。該儀器前面板上部為檢測(cè)信號(hào)輸出及控制區(qū)，前面板下部為檢測(cè)信號(hào)輸入及顯示區(qū)。操作者只需使用手寫筆及控制按鈕就能達(dá)到對(duì)板件檢測(cè)的目的，同時(shí)配合提升板可直觀、方便的進(jìn)行修理，人機(jī)互動(dòng)性強(qiáng)。

由于陣地修理檢測(cè)儀工作環(huán)境較為惡劣，本著提高檢測(cè)儀可靠性的原則，在前面板上部加入了復(fù)位開關(guān)按鈕。信號(hào)輸入錯(cuò)誤、程序解算出錯(cuò)導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)等情況出現(xiàn)時(shí)，可緊急按下復(fù)位按鈕，重新啟動(dòng)程序。

2.7 后面板設(shè)計(jì)

供電采用下部分單獨(dú)供電的方式，以便減少儀器供電模塊的數(shù)量及儀器可靠性。儀器上下體所需其他電壓如220V、24V、12V、5V通過(guò)后面板共享方式傳輸，另外上部分信號(hào)也通過(guò)后面板航空插頭進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)采集分析。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀的功能擴(kuò)展，設(shè)計(jì)時(shí)，配備了兩條外部信號(hào)采集線，分別測(cè)量其他板件電壓信號(hào)及波形信號(hào)，方便修理。

2.8 供電方式設(shè)計(jì)

信息處理單元電路采取單獨(dú)電源供電方式，其余所需電壓共用一路完成。所有按鈕開關(guān)采用24V單獨(dú)供電，在按下的同時(shí)，點(diǎn)亮發(fā)光二極管，表明程序正進(jìn)行信息采集處理，可以較為直觀的顯示各路信號(hào)運(yùn)行狀態(tài)。待測(cè)板件供電電壓為四路交流24V及兩路18V交流電壓。原裝備電源采用獨(dú)立的四個(gè)220V轉(zhuǎn)24V變壓器及兩個(gè)220V轉(zhuǎn)18V變壓器來(lái)完成板件供電，若照搬原廠家設(shè)計(jì)方案，檢測(cè)儀將比較笨重，不能達(dá)到快速保障的目的。傳統(tǒng)的變壓器生產(chǎn)工藝，采用抽頭式來(lái)實(shí)現(xiàn)多路電壓的輸出，這種方式在技術(shù)要求不很嚴(yán)格的情況下可行。但對(duì)于穩(wěn)壓電源供電，由于四路電壓相通，存在相互干擾，不符合三相穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。通過(guò)對(duì)原有供電變壓器參數(shù)的分析測(cè)量，設(shè)計(jì)出符合該指標(biāo)的220V轉(zhuǎn)24V單獨(dú)四路變壓器及220V轉(zhuǎn)18V單獨(dú)兩路變壓器，變壓器次級(jí)各路電壓相互隔離，盡可能少的減少了相互間的干擾，同時(shí)將變壓器的數(shù)量從原有的六個(gè)減少到兩個(gè)，此設(shè)計(jì)方案能夠完全滿足檢測(cè)儀板件供電需求。

2.9 散熱設(shè)計(jì)

由于檢測(cè)儀需要多種電壓的供電，檢測(cè)儀內(nèi)部存在五個(gè)獨(dú)立的供電電源，儀器工作時(shí)將產(chǎn)生大量熱量。同時(shí)，中央處理器在信號(hào)采集分析時(shí)，也會(huì)散發(fā)熱量。若熱量無(wú)法及時(shí)排出，將導(dǎo)致儀器運(yùn)行緩慢甚至燒壞芯片情況。方案設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了這一因素。對(duì)于中央處理模塊供電的單獨(dú)電源配有單獨(dú)散熱風(fēng)扇，并向上排熱。CPU產(chǎn)生的熱量由導(dǎo)熱硅脂加散熱片完成。同時(shí)檢測(cè)儀上下體均配有兩個(gè)24V大功率散熱風(fēng)扇，與儀器側(cè)面進(jìn)風(fēng)口形成回路，及時(shí)排出熱量。

2.10 多任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模塊化是檢測(cè)儀功能實(shí)現(xiàn)的前導(dǎo)，它確定系統(tǒng)由哪些模塊組成和模塊之間的相互關(guān)系以及模塊獨(dú)立的功能和輸入輸出數(shù)據(jù)的規(guī)格，使信號(hào)采集不會(huì)產(chǎn)生混亂。本儀器由中央處理模塊、波形信息采集模塊、電壓信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、人機(jī)界面模塊等五大部分組成。五大模塊相互之間為并行關(guān)系，正常運(yùn)行時(shí)構(gòu)成一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)。

圖2 檢測(cè)儀運(yùn)行圖

3.軍事經(jīng)濟(jì)效益分析

如圖2所示，該型中頻穩(wěn)壓電源檢測(cè)儀不僅能夠單獨(dú)對(duì)NF系列方位水平儀電源板進(jìn)行多通道測(cè)量，及各工作點(diǎn)參數(shù)的分析、調(diào)試，同時(shí)其擴(kuò)展功能可完成幾乎所有板件波形信號(hào)檢測(cè)調(diào)試等功能，同時(shí)復(fù)視四路工作電壓，能夠基本滿足維修技術(shù)人員的需求，從而提高裝備維修效率、降低保障難度、適應(yīng)戰(zhàn)時(shí)需要，具有顯著的軍事效益和推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]史本安，徐巍.KB-1型三相中頻穩(wěn)壓電源的修理和改進(jìn)[J].船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息，2001（11）.

[2]韋成杰，李麗蘭.開關(guān)電源綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（08）.

[3]李峻.三相中頻方波變頻電源[J].微特電機(jī)，1990（04）.

作者簡(jiǎn)介：王慧（1983—），男，浙江寧波人，大學(xué)本科，畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)供職于中國(guó)人民解放軍第4806工廠軍械修理廠。