李光磊

(海軍駐九江地區(qū)軍事代表室 九江 332007)

計(jì)程儀維修檢測調(diào)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究*

李光磊

(海軍駐九江地區(qū)軍事代表室 九江 332007)

文章以電磁傳感器信號(hào)模擬技術(shù)和多接口協(xié)議自適應(yīng)技術(shù)為核心,針對(duì)艦船計(jì)程儀維修保養(yǎng)的實(shí)際需求,設(shè)計(jì)了一種計(jì)程儀維修檢測調(diào)試平臺(tái),并詳細(xì)介紹了其設(shè)計(jì)方案、硬件組成和軟件設(shè)計(jì),具有良好的軍事經(jīng)濟(jì)效益。

計(jì)程儀; 維修檢測平臺(tái); 設(shè)計(jì)

Class Number TN911

1 引言

目前,對(duì)于計(jì)程儀的維修檢測調(diào)試,主要的技術(shù)手段還是通用儀表加人工經(jīng)驗(yàn),存在著效率低下、解決難題能力不足的實(shí)際情況[1～3],相關(guān)維修檢測調(diào)試技術(shù)的研究深度也普遍不高。針對(duì)上述問題,研制一種計(jì)程儀維修檢測調(diào)試平臺(tái)十分必要,它能顯著提高量化分析能力、提升專用配套設(shè)備的維修檢測調(diào)試水平,適應(yīng)各種維修保障需求[4]。

2 總體方案設(shè)計(jì)

計(jì)程儀維修檢測調(diào)試平臺(tái)[5～6]通過結(jié)合設(shè)備樣機(jī),以實(shí)際使用航行環(huán)境模擬、對(duì)外接口仿真等技術(shù)為基礎(chǔ),建立逼真的運(yùn)行環(huán)境,合理設(shè)置檢測位置,滿足計(jì)程儀維修檢測調(diào)試需求。計(jì)程儀維修、檢測、調(diào)試的基本過程如圖1所示:

圖1 維修檢測調(diào)試基本過程

對(duì)于需要維修檢測調(diào)試的對(duì)象(計(jì)程儀的部件或整機(jī)),輸入事先設(shè)定的激勵(lì)信號(hào),然后監(jiān)測其輸出響應(yīng),將該響應(yīng)與理論上的結(jié)果相比較,按照規(guī)定的要求調(diào)整,直至輸出響應(yīng)與理論結(jié)果相一致,則維修檢測調(diào)試工作完成；或者判斷該對(duì)象是否合格,是否需要返廠維修或報(bào)廢。其中,激勵(lì)的發(fā)生既可來自本平臺(tái)的研制部分,也可來自樣機(jī)自身的軟硬件,對(duì)響應(yīng)監(jiān)測,既可通過本平臺(tái)的研制部分來獲得,也可通過樣機(jī)上的相應(yīng)指示來獲取。

因此,從總體設(shè)計(jì)上來看,本平臺(tái)主要是構(gòu)筑激勵(lì)的發(fā)生、監(jiān)測響應(yīng)結(jié)果,同時(shí)通過軟件系統(tǒng)完成檢測的操作、結(jié)果顯示及數(shù)據(jù)判斷。

3 系統(tǒng)組成與工作原理

維修檢測調(diào)試平臺(tái)主要由兩大部分組成:測控柜與樣機(jī)掛架?？傮w組成方案見圖2。

其中,樣機(jī)掛架主要用來放置被測對(duì)象,通過分析A、B、C三型計(jì)程儀設(shè)備的技術(shù)狀態(tài),將其對(duì)應(yīng)的主儀器、放大器作為樣機(jī)的主要部分,以壁掛式方式安裝在樣機(jī)掛架上。除了這些部件的內(nèi)部連線外,其余連接線纜統(tǒng)一連接到轉(zhuǎn)接盒上,通過轉(zhuǎn)換盒與測控柜相連。對(duì)于計(jì)程儀的復(fù)示器、信息發(fā)送裝置等部件,在樣機(jī)掛架上保留其安裝位置,并通過轉(zhuǎn)換盒輸出測試用線纜接頭,完成測試。

測控柜主要用來生成測試激勵(lì)、監(jiān)測測試響應(yīng)、控制工作流程、提供人機(jī)接口及測試結(jié)果管理。由工業(yè)平板電腦、傳感器模擬器、轉(zhuǎn)角測試儀[7]、USB/RS422轉(zhuǎn)換器組成。測控柜在工業(yè)平板電腦的控制下,通過傳感器模擬器提供實(shí)際航行時(shí)的輸出信號(hào)模擬,作為樣機(jī)掛架上放大器的測試激勵(lì)輸入；通過USB/RS422轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展多路RS422,用來模擬計(jì)程儀外部數(shù)據(jù)通訊接口環(huán)境、模擬多普勒測速通道(僅對(duì)C型計(jì)程儀而言)；通過轉(zhuǎn)角測試儀提供DSC接口測試、參考信號(hào)生成功能。測控柜的所有信號(hào)輸出均連接到樣機(jī)掛架。

維修檢測調(diào)試平臺(tái)工作原理說明如下:

放大器維修檢測調(diào)試:通過在工業(yè)平板電腦上設(shè)置模擬的航速大小,由傳感器模擬器生成該航速下的傳感器信號(hào),送入放大器,觀測主儀器上所測航速,同時(shí)可檢測此時(shí)放大器關(guān)鍵測試點(diǎn)的信號(hào),完成判斷、調(diào)整任務(wù)；

主儀器維修檢測調(diào)試:同樣設(shè)置模擬航速,觀測主儀器測速結(jié)果,同時(shí)通過RS422接口,觀測主儀器對(duì)外通訊的正確性,修改主儀器參數(shù),操作主儀器完成計(jì)程儀全部功能,觀測關(guān)鍵點(diǎn)信號(hào),可完成主儀器的判斷、調(diào)整任務(wù)；

復(fù)示器維修檢測調(diào)試:將復(fù)示器連接到樣機(jī)掛架的對(duì)應(yīng)連接器上,在控制柜上設(shè)置不同的航速,復(fù)示器的數(shù)碼管應(yīng)該顯示正常,或者復(fù)試器的指針指示正確。此時(shí)可完成亮度、零位等確認(rèn)和調(diào)整工作,并觀察復(fù)示器關(guān)鍵點(diǎn)的信號(hào),完成合格性判斷、調(diào)整任務(wù)；

信息發(fā)送裝置維修檢測調(diào)試:將各種信息發(fā)送裝置連接到樣機(jī)掛架的對(duì)應(yīng)連接器上,在控制柜上設(shè)置不同的航速,觀察屏幕上各種不同接口顯示的航速是否滿足要求,觀察關(guān)鍵點(diǎn)信號(hào)波形,完成合格性判斷、調(diào)整任務(wù)。

4 硬件設(shè)計(jì)

維修檢測調(diào)試平臺(tái)由測控柜與樣機(jī)掛架等部分組成,在布局上要求兩者相鄰靠近布局,避免給電信號(hào)的傳輸帶來干擾。

1) 工業(yè)平板電腦。是測控柜的主要組成部分,安裝于測控柜的前面板上,是整個(gè)計(jì)程儀維修檢測調(diào)試平臺(tái)的核心控制部分,用戶通過其上的觸摸屏完成整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)交互。該工業(yè)平板電腦安裝于測控柜的前面板上,通過USB和RS422接口完成對(duì)外的數(shù)據(jù)輸入輸出。

2) USB/RS422轉(zhuǎn)換器。RS422接口在本平臺(tái)中得到大量使用,僅僅依靠平板電腦上所帶的接口是完全不夠的。因此需通過USB/RS422轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行擴(kuò)展,將該轉(zhuǎn)換器掛接到平板電腦的一路USB口上,就能獲得多路RS422的擴(kuò)充。

3) 轉(zhuǎn)角測試儀。主要檢測計(jì)程儀信息發(fā)送裝置中DSC接口的性能,滿足對(duì)計(jì)程儀信息發(fā)送裝置的3通道同時(shí)測試工作。

4) 傳感器模擬器。傳感器模擬器要求對(duì)電磁傳感器和壓差傳感器兩者進(jìn)行模擬。所得結(jié)果作為計(jì)程儀放大器的測試輸入激勵(lì)。其掛接到工業(yè)平板電腦的USB接口上,系統(tǒng)軟件通過USB口向傳感器模擬器輸出所要求的模擬的航速。其原理框圖件圖3,從圖3中可以看出,工業(yè)平板電腦通過USB接口將航速信息下發(fā)到傳感器模擬器,首先由USB接口電路CH372轉(zhuǎn)換后,送到單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的傳感器靈敏度將航速換成傳感器信號(hào)形式。

電磁傳感器模擬器[8]將來自放大器的勵(lì)磁電壓,通過模擬線圈(其阻抗特性與實(shí)際電磁傳感器線圈完全一致),得到勵(lì)磁電流,該電流經(jīng)電流互感器隔離變換后,提供給乘法型DAC,在此與單片機(jī)轉(zhuǎn)換的航速信號(hào)相乘,得到實(shí)際航行時(shí)電磁傳感器的電極輸出信號(hào),該信號(hào)為一幅度調(diào)制正弦波,經(jīng)適度衰減后,輸出與實(shí)際航行時(shí)電磁傳感器電極輸出信號(hào)一致的電磁傳感器模擬信號(hào),供計(jì)程儀放大器處理。壓差傳感器模擬是在單片機(jī)得到航速信號(hào)后,將其轉(zhuǎn)換為4mA～20mA的電流環(huán)路信號(hào),與實(shí)際航行時(shí)壓差傳感器完全一致,同樣輸出信號(hào)送各型計(jì)程儀的壓差測速處理通道處理。

5) 轉(zhuǎn)接盒。將來自測控柜的各路信號(hào)進(jìn)行分發(fā)、轉(zhuǎn)換給樣機(jī)。一方面,各型計(jì)程儀的連接器都是高可靠航空插座,來自測控柜的電信號(hào)需轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的航空插頭才能快捷便利地進(jìn)行連接；另一方面,同一時(shí)間實(shí)際上只能對(duì)一型計(jì)程儀進(jìn)行維修檢測調(diào)試。因此,測控柜的信號(hào)可以做到分時(shí)復(fù)用,同一個(gè)信號(hào)在不同的維修檢測調(diào)試任務(wù)下,連接到不同的樣機(jī)部件上,依靠計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制切換。

5 軟件設(shè)計(jì)

計(jì)程儀維修檢測調(diào)試平臺(tái)的軟件[9]主要由運(yùn)行在工業(yè)平板電腦上的主控軟件和運(yùn)行于各單片機(jī)上的輔助軟件兩部分組成。主控軟件采用Labview編程,運(yùn)行在Windows環(huán)境下。輔助軟件運(yùn)行在ARM7單片機(jī)上,無操作系統(tǒng)支持,采用C語言編程。

計(jì)程儀維修檢測調(diào)試平臺(tái)軟件流程圖見圖4。其基本過程說明如下:首先,完成測試環(huán)境復(fù)位,讓系統(tǒng)工作的軟硬件環(huán)境處于一個(gè)已知的狀態(tài),避免系統(tǒng)上電隨機(jī)狀態(tài)帶來接口電路的損壞。然后用戶通過人機(jī)界面完成需測試的對(duì)象的選擇、測試參數(shù)的設(shè)置,在屏幕提示下,完成硬件線纜連接工作,做好測試準(zhǔn)備。系統(tǒng)在最后要求用戶確認(rèn)軟硬件準(zhǔn)備工作一切就緒(若未準(zhǔn)備好,則用戶可再次修改參數(shù)設(shè)置、線纜連接)的情況下,施加測試激勵(lì)信號(hào),采集測試響應(yīng)信號(hào),并判斷響應(yīng)的正確性。

若響應(yīng)信號(hào)正確,則判斷測試對(duì)象合格,可轉(zhuǎn)入下一個(gè)測試任務(wù)。若響應(yīng)不正確,由用戶判斷是否需要進(jìn)行調(diào)試,若用戶判斷無需調(diào)試,則也判測試對(duì)象不合格,完成本次測試。若用戶需要調(diào)試,則在調(diào)試之后(或者邊調(diào)試邊監(jiān)測測試響應(yīng)),重復(fù)前述過程,直至調(diào)試成功或放棄調(diào)試。

軟件采用模塊化[10]設(shè)計(jì)方法,劃分為三個(gè)層次:驅(qū)動(dòng)層、中間層、應(yīng)用層。其中,應(yīng)用層是直接與用戶的測試任務(wù)相關(guān)的功能層次；中間層則是對(duì)測試任務(wù)分解后獲得的主要功能任務(wù)；驅(qū)動(dòng)層則是基于測試過程的激勵(lì)發(fā)生、響應(yīng)監(jiān)測而配置的直接數(shù)據(jù)采集層。

6 結(jié)語

本平臺(tái)立足于靈活的測試過程程控技術(shù),大量選用成熟部件,實(shí)現(xiàn)以較小的硬件成本代價(jià),完成復(fù)雜繁多的維修任務(wù),較好地解決了計(jì)程儀快速維修檢測調(diào)試難題,維修范圍廣,維修能力強(qiáng),具有良好的軍事經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 李海鳳.船舶通信與導(dǎo)航[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2007.

[2] 許連生,李素麗,王樹平. 微機(jī)計(jì)程儀測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(3):150-152.

[3] 華晶,楊乃青.電磁計(jì)程儀在船舶中的應(yīng)用及注意事項(xiàng)[J].黑龍江科技信息,2016(26):156-157.

[4] 趙濤.船用計(jì)程儀的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].艦船電子工程,2015(4):19-22.

[5] 吳永明,林育生.某型計(jì)程儀發(fā)送裝置測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].船電技術(shù),2014(6):76-80.

[6] 陳永冰,周崗,李文魁.艦船航跡控制系統(tǒng)運(yùn)行檢測平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),2011(4):38-42.

[7] 周自強(qiáng),馬文斌,李木軍.轉(zhuǎn)角特性測試儀的數(shù)據(jù)采集與處理[J].計(jì)算機(jī)與信息技術(shù),2008(5):27-28.

[8] 王鵬飛,羅君.艦船電磁計(jì)程儀傳感器的微弱信號(hào)檢測[J].光電技術(shù)應(yīng)用,2013(2):59-61.

[9] 夏明忠,夏以軒,李兵元.軟件模塊化設(shè)計(jì)和模塊化管理[J].中國信息界,2012(11):56-59.

[10] 周慶,劉斌,余正偉,等.綜合模塊化航電軟件測試環(huán)境研究[J].航空學(xué)報(bào),2012(11):722-733.

Design and Research of Log Maintenance Testing Debugging Platform

LI Guanglei

(Navy Military Representative Office in Jiujiang Area, Jiujiang 332007)

In this article, by the signal simulation technology of electromagnetic sensor and the adaptive technology of multi-interface protocol for core, according to the actual demand of maintenance for ship log, a log maintenance testing debugging platform is designed, and the design scheme, composition of hardware and design of software are described in details, the platform would produce a significant military economic benefits.

log, maintenance testing debugging platform, design

2016年10月8日,

2016年11月27日

李光磊,男,碩士研究生,工程師,研究方向:導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.027