劉祥集，申傳俊，陳 濤

(海軍湛江航保修理廠，廣東 湛江 524002)

自動(dòng)操舵裝置是一種控制船舶航向、深度的裝置，能夠按照給定的控制規(guī)律改變與保持航向、深度及姿態(tài)，保證船舶實(shí)現(xiàn)高精度的航行[1]。通常，自動(dòng)操舵裝置由信號(hào)給定裝置、綜合放大器、功率放大器、反饋機(jī)構(gòu)、航向/舵角復(fù)示器、電源、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示裝置、報(bào)警裝置等共同構(gòu)成。自動(dòng)操舵裝置工作環(huán)境惡劣，且工作時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大，其控制器(自動(dòng)操舵儀)容易發(fā)生電路老化和器件參數(shù)漂移，導(dǎo)致控制器性能退化。對(duì)自動(dòng)操舵裝置進(jìn)行及時(shí)維修，使其保持既有的戰(zhàn)技性能是修理工作的重要內(nèi)容。

在自動(dòng)操舵裝置的維修及系泊試驗(yàn)與航行試驗(yàn)活動(dòng)中，必須獲取其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。在以往的工作中，需要維修人員現(xiàn)場(chǎng)操縱自動(dòng)操舵裝置，人工記錄舵角數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)舵時(shí)間等，計(jì)算系統(tǒng)的超調(diào)量、復(fù)示誤差、跟隨誤差、穩(wěn)定時(shí)間等，由于人工記錄誤差較大，導(dǎo)致性能指標(biāo)參數(shù)計(jì)算不夠準(zhǔn)確。因此，自動(dòng)操舵裝置控制器的參數(shù)難以調(diào)校到令人較為滿意的效果，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

鑒于上述情況，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)操舵裝置動(dòng)態(tài)性能分析設(shè)備，該設(shè)備的硬件以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以工控機(jī)為上位機(jī)，以主板微處理器(ARM)為控制主板的核心，與電源電路、取樣濾波電路、軸-角模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等共同構(gòu)成。系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)系統(tǒng)軟件和單片機(jī)軟件，通過上位機(jī)發(fā)出指令，自動(dòng)測(cè)量獲取操舵裝置的控制器相關(guān)的性能參數(shù)。

分析設(shè)備設(shè)計(jì)為便攜式，方便攜帶到裝備現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量分析，指導(dǎo)技術(shù)員快速準(zhǔn)確地調(diào)整自動(dòng)操舵裝置控制器參數(shù)，獲得滿意的控制性能。

1 分析設(shè)備工作原理

自動(dòng)操舵裝置動(dòng)態(tài)性能分析設(shè)備工作原理為：分析裝置與自動(dòng)舵系統(tǒng)通過專用接口相聯(lián)，通過觸摸屏輸入指令，控制工控機(jī)[2-3]發(fā)出信號(hào)，工控機(jī)控制控制主板的ARM工作，通過專用接口獲得自動(dòng)舵運(yùn)行原始參數(shù)(自動(dòng)舵和分析設(shè)備需要同時(shí)開機(jī)運(yùn)行，自動(dòng)舵系統(tǒng)的微電機(jī)發(fā)出的航向差，隨動(dòng)舵角指令，舵角反饋、舵角復(fù)示等角度模擬電壓信號(hào))，原始參數(shù)經(jīng)過取樣濾波板濾波和采樣，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后，控制主板獲取自動(dòng)操舵裝置運(yùn)行參數(shù)數(shù)字信號(hào)，控制主板通過通信電路，將參數(shù)發(fā)送到工控機(jī)，工控機(jī)對(duì)獲取的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算分析，給出自動(dòng)操舵裝置的動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)，液晶觸摸屏顯示接收到的原始數(shù)據(jù)以及分析獲得的自動(dòng)舵關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

選擇工控機(jī)作為分析設(shè)備的系統(tǒng)平臺(tái)，以STM32F103RCT6為分析設(shè)備的控制核心[4-5]，輔以系統(tǒng)電源電路(電源板1，為模數(shù)轉(zhuǎn)換板、取樣濾波板、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路等供電；電源板2為工控機(jī)、液晶觸摸屏等供電)、模數(shù)轉(zhuǎn)換板、取樣濾波板、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、液晶觸摸屏、專用接口電路等，共同組成自動(dòng)操舵裝置動(dòng)態(tài)性能分析設(shè)備。對(duì)分析設(shè)備的系統(tǒng)平臺(tái)及主要部件分別介紹如下。

1)系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)平臺(tái)采用工控機(jī)，該型計(jì)算機(jī)技術(shù)成熟[5]，體積小巧，功耗低，可靠性高，對(duì)工作環(huán)境要求低，集成接口豐富；在測(cè)量控制系統(tǒng)中，可以作為控制計(jì)算機(jī)使用，也可以作為嵌入式計(jì)算機(jī)使用。

2)控制主板。該控制主板包括32位微處理器STM32F103RCT6，相應(yīng)的單片機(jī)系統(tǒng)電路、通信電路、信號(hào)切換電路和接口電路等。主板工作原理圖如圖1所示。

圖1 主板工作原理圖

3)32位微處理器。STM32F103RCT6為某公司生產(chǎn)的含Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器，屬于增強(qiáng)型ARM，具有功能強(qiáng)大，實(shí)時(shí)性較好，I/O接口豐富，含有模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(A/D)電路、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換(D/A)電路、脈寬調(diào)制(PWM)電路以及多個(gè)定時(shí)器，讀寫速度快，功耗較低的優(yōu)點(diǎn)，因此選擇STM32F103RCT6作為檢測(cè)主板的核心。

4)取樣濾波電路。將輸入的微電機(jī)信號(hào)取樣、濾波處理后，作有效值保持，送入軸角模數(shù)轉(zhuǎn)換板。

5)軸角模數(shù)轉(zhuǎn)換板。將軸角取樣，經(jīng)過濾波電路濾波后輸出，進(jìn)行D/A變換[6]，將變換后所得的數(shù)字信號(hào)輸入控制主板。采用AD2S80轉(zhuǎn)換器將微電機(jī)發(fā)出的航向差、舵角反饋、舵角復(fù)示等角度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，發(fā)送給控制主板單片機(jī)。

6)電源變壓器。采用定制的環(huán)形變壓器，其輸入電壓為交流50 Hz/220 V，輸出為6路，其中4路為交流50 Hz/8 V/0.5 A，其余2路為交流50 Hz/12 V/0.2 A，總功率為30 W。

7)電源板1電路。電源部分包括3路直流電壓+5.00 V電源，1路直流電壓+3.33 V電源。分別采用LM7805、LM1117穩(wěn)壓芯片來實(shí)現(xiàn)。向控制主板、模數(shù)轉(zhuǎn)換板、取樣濾波板、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路提供符合要求的直流電壓。

8)電源板2電路。包括2路電壓+5 V電源，輸入交流電壓50 Hz/8 V，經(jīng)過整流器整流后，由LM7805穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，濾波電容濾波后輸出[7]。向工控機(jī)、液晶觸摸屏供應(yīng)符合要求的直流電壓。

3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

分析設(shè)備系統(tǒng)軟件分上位機(jī)軟件和ARM軟件2部分。上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度，接收ARM上傳的數(shù)據(jù)等，并在后臺(tái)作數(shù)據(jù)處理。上位機(jī)軟件采用WindML開發(fā)基于VxWorks環(huán)境下的顯控軟件[8]，WindML具備圖形顯示及部分控制功能，上位機(jī)軟件工作流程如圖2所示。ARM軟件采用KeiluVision5來開發(fā)，采用C語言實(shí)現(xiàn)。

圖2 上位機(jī)軟件工作流程

上位機(jī)軟件工作流程：上位機(jī)與ARM通信，成功后在觸摸屏的界面中進(jìn)行模式選擇，設(shè)置參數(shù)，確認(rèn)后點(diǎn)擊發(fā)送；指令由串口發(fā)送到ARM，ARM接收指令后，進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，并將測(cè)量所得的角度所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)、時(shí)間等信息上傳到上位機(jī)；上位機(jī)依據(jù)程序自動(dòng)分析運(yùn)算，得出自動(dòng)操舵裝置的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，繪制系統(tǒng)整個(gè)控制過程的舵角-時(shí)間運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線，并在液晶屏上顯示。

可通過輸出接口，利用打印機(jī)打印輸出舵角-時(shí)間運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)結(jié)論報(bào)告，從而指導(dǎo)技術(shù)員現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)調(diào)試。

ARM軟件工作流程如圖3所示，ARM首先與上位機(jī)通信，成功后等待計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，接收操舵模式，接收模數(shù)轉(zhuǎn)換板發(fā)出的角度數(shù)據(jù)數(shù)字信息，以及記錄的相應(yīng)的時(shí)間信息，將上述信息打包，上傳到工控機(jī)，當(dāng)操舵結(jié)束，數(shù)據(jù)記錄、轉(zhuǎn)換和上傳工作完成后，ARM工作結(jié)束。

圖3 ARM軟件工作流程

4 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

自動(dòng)操舵裝置動(dòng)態(tài)性能分析設(shè)備制作、調(diào)試完畢后，將設(shè)備與某型船用自動(dòng)操舵裝置控制器相應(yīng)接口進(jìn)行連接，在自動(dòng)操舵裝置工作過程中，自動(dòng)獲取操舵裝置運(yùn)行過程中的關(guān)鍵參數(shù)，上位機(jī)在后臺(tái)自動(dòng)分析，獲得自動(dòng)操舵裝置動(dòng)態(tài)性能的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分析裝置檢測(cè)獲取的數(shù)據(jù)可供裝備保障技術(shù)人員迅速掌握自動(dòng)操舵裝置控制器的性能參數(shù)調(diào)試情況，為參數(shù)調(diào)校不理想的控制器及時(shí)調(diào)試參數(shù)提供指導(dǎo)依據(jù)。

5 結(jié)束語

利用工控機(jī)和單片機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了一種自動(dòng)操舵裝置動(dòng)態(tài)性能分析設(shè)備，解決了自動(dòng)舵修理調(diào)試期間難以準(zhǔn)確獲得控制器性能參數(shù)導(dǎo)致的調(diào)校比較困難的問題，為自動(dòng)操舵裝置的內(nèi)場(chǎng)修理和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、試驗(yàn)試航時(shí)準(zhǔn)確把握裝備實(shí)際性能、及時(shí)調(diào)整控制器參數(shù)提供了有力支撐。所設(shè)計(jì)的分析設(shè)備體積小、重量輕、接口適應(yīng)性強(qiáng)、方便攜帶，運(yùn)用在修理保障和試驗(yàn)中，可大大節(jié)約時(shí)間，提升保障效率。