【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)，同時在該型方位水平儀的保障修理過程中，對于板件的調(diào)試檢測也存在一定的困難。本文旨在設(shè)計(jì)出一型能夠滿足批量生產(chǎn)及調(diào)試需要的檢測設(shè)備，以滿足裝備保障需要。

【關(guān)鍵詞】中頻電源;信號檢測;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)，同時在該型方位水平儀的保障修理過程中，對于板件的調(diào)試檢測也存在一定的困難。

目前，批量生產(chǎn)中對各工作點(diǎn)參數(shù)的調(diào)試采用示波器來觀察輸入與發(fā)送端的波形來判斷是否符合技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，通過萬用表一路路檢測來確定各路工作電壓，既不準(zhǔn)確又不直觀，并且無法同時觀察各發(fā)送端的輸出。由于檢測手段的落后，生產(chǎn)及維修工作費(fèi)時費(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)幾天的時間，因而遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)批量生產(chǎn)及戰(zhàn)時對裝備維修工作的要求。

綜上所述，研制專用的能多通道測量輸出波形信號及同步檢測多路電壓的檢測儀對生產(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儀器，方便陣地修理，該檢測儀在設(shè)計(jì)時配有三路擴(kuò)展口，可隨時隨地檢測調(diào)試任何裝備、任何板件，并最多可為其同時提供四路工作電壓顯示、8路邏輯信號、2路示波信號的顯示分析。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

檢測儀由4個電壓表模塊、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、采集來自板件的波形信號及電壓信號，通過解碼換算，最后將得到的各路信息在本機(jī)顯示出來，用于實(shí)時調(diào)試各工作點(diǎn)參數(shù)。

考慮到系統(tǒng)開發(fā)時間短、可靠性要求高、操作要求簡單方便的特點(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。以下分別對各部分的原理、參數(shù)和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行說明。

2.技術(shù)設(shè)計(jì)方案

2.1 邏輯分析功能設(shè)計(jì)

由于待測板件輸出為COMS信號而邏輯分析模塊接收為TTL信號，故必須先設(shè)計(jì)出COMS、TTL信號轉(zhuǎn)換電路，才能實(shí)現(xiàn)COMS信號通過邏輯分析模塊實(shí)時顯示波形信號的功能，并對六路信號分別控制，可進(jìn)行多路顯示或單路分析。波形信號接收幅值范圍為+20V～-20V，帶測板信號最大幅值為8V左右，無需另外進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，直接通過后面板采集處理。

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

2.3 外部功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)

為確保檢測儀使用的可靠性，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，通過后面板航空插頭可外接各種板件信號檢測點(diǎn)，對其他板件進(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，考慮多方面因素，確保美觀的同時，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)系到檢測儀能否正常工作以及采集的數(shù)據(jù)是否失真的問題。本儀器采集的信號均為弱電信號，而板件供電變壓器、開關(guān)電源、散熱風(fēng)扇等部件工作時均會產(chǎn)生大量的電磁輻射，給軟件運(yùn)行帶來一定的干擾，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確，甚至出現(xiàn)檢測儀系統(tǒng)功能失效的后果。

該檢測儀在設(shè)計(jì)時采用分體式設(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，防止信號干擾。同時，在每根信號傳輸線上套有磁環(huán)，可以有效的抑制干擾輻射。

檢測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采集端子安裝在鋁板上部。

除這些措施之外，所有信號傳輸線全部采用屏蔽電纜，以確保傳輸信號不失真。

2.6 前面板設(shè)計(jì)

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

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

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通過后面板共享方式傳輸，另外上部分信號也通過后面板航空插頭進(jìn)行一一對應(yīng)采集分析。同時，為了實(shí)現(xiàn)檢測儀的功能擴(kuò)展，設(shè)計(jì)時，配備了兩條外部信號采集線，分別測量其他板件電壓信號及波形信號，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，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運(yùn)行狀態(tài)。待測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220V轉(zhuǎn)24V變壓器及兩個220V轉(zhuǎn)18V變壓器來完成板件供電，若照搬原廠家設(shè)計(jì)方案，檢測儀將比較笨重，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。通過對原有供電變壓器參數(shù)的分析測量，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，變壓器次級各路電壓相互隔離，盡可能少的減少了相互間的干擾，同時將變壓器的數(shù)量從原有的六個減少到兩個，此設(shè)計(jì)方案能夠完全滿足檢測儀板件供電需求。

2.9 散熱設(shè)計(jì)

由于檢測儀需要多種電壓的供電，檢測儀內(nèi)部存在五個獨(dú)立的供電電源，儀器工作時將產(chǎn)生大量熱量。同時，中央處理器在信號采集分析時，也會散發(fā)熱量。若熱量無法及時排出，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，充分考慮了這一因素。對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。同時檢測儀上下體均配有兩個24V大功率散熱風(fēng)扇，與儀器側(cè)面進(jìn)風(fēng)口形成回路，及時排出熱量。

2.10 多任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模塊化是檢測儀功能實(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，使信號采集不會產(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)行時構(gòu)成一個多任務(wù)系統(tǒng)。

圖2 檢測儀運(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)壓電源檢測儀不僅能夠單獨(dú)對NF系列方位水平儀電源板進(jìn)行多通道測量，及各工作點(diǎn)參數(shù)的分析、調(diào)試，同時其擴(kuò)展功能可完成幾乎所有板件波形信號檢測調(diào)試等功能，同時復(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)時需要，具有顯著的軍事效益和推廣應(yīng)用前景。

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作者簡介：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)供職于中國人民解放軍第4806工廠軍械修理廠。