自動(dòng)舵控制系統(tǒng)便攜式故障檢測儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

申傳俊 朱晉泉 李城華 丁澤民

（1.海軍湛江航保修理廠 湛江 524002）（2.91991部隊(duì) 舟山 316001）（3.92638部隊(duì) 湛江 524000）（4.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

自動(dòng)舵是控制艦船航向、深度的一種航海儀器，它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)，保證艦船實(shí)現(xiàn)高精度的航行［1］。自動(dòng)舵構(gòu)成一般包括信號(hào)發(fā)生電路、綜合處理電路、功率放大器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、反饋機(jī)構(gòu)、舵角復(fù)示器、電源電路等。由于自動(dòng)舵控制系統(tǒng)（核心為信號(hào)發(fā)生、綜合處理及功放）構(gòu)成復(fù)雜，且長期工作于潮濕、鹽霧、震動(dòng)等惡劣環(huán)境，元件容易老化、銹蝕、脫焊或松動(dòng)等從而引發(fā)故障，對控制電路及時(shí)檢測維修，是自動(dòng)舵維修保障的重要內(nèi)容。

目前，在役裝備的自動(dòng)操舵儀故障診斷設(shè)備較少，且較笨重。例如，上海902廠研制的某型自動(dòng)舵故障檢測儀，大連艦艇學(xué)院開發(fā)的某自動(dòng)舵故障診斷設(shè)備［2］，海軍工程大學(xué)開發(fā)的航跡-航向自動(dòng)舵故障檢測儀均體積較大，某修理廠研制的自動(dòng)舵模擬電路故障檢測儀［3］，雖然可以完成自動(dòng)舵電路故障的檢測，但為機(jī)柜式，較為笨重。上述儀器無法攜帶到裝備現(xiàn)場（船舶駕駛臺(tái)），限制了檢測儀的現(xiàn)場使用。

為了滿足自動(dòng)舵控制系統(tǒng)在裝備現(xiàn)場快速故障診斷的需求，設(shè)計(jì)一種基于PC104［4］為系統(tǒng)平臺(tái)，以ARM為檢測核心的自動(dòng)舵控制系統(tǒng)便攜式故障檢測儀，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)舵控制系統(tǒng)故障檢測，利用模糊推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合進(jìn)行故障的快速識(shí)別。

2 檢測系統(tǒng)工作原理

檢測系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

檢測系統(tǒng)工作原理為：PC104控制檢測主板的ARM工作，通過設(shè)置操舵模式，舵角參數(shù)，均衡模式等，發(fā)出舵角/深度/縱傾等指令，ARM得到指令，經(jīng)過運(yùn)算，發(fā)出舵角及相敏參考信號(hào)、閥，泵開啟信號(hào)，經(jīng)過D/A變換后，輸入檢測主板放大器，放大器的輸出作為模擬控制信號(hào)被輸入自動(dòng)舵控制電路（被檢測電路），被檢測電路的響應(yīng)由取樣電路取樣、保持后送入自帶A/D的ARM，ARM完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將電壓上傳到PC104，存儲(chǔ)并顯示電壓信號(hào)，同時(shí)，后臺(tái)處理軟件結(jié)合歷史檢測數(shù)據(jù)，利用模糊推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理自動(dòng)運(yùn)算，從而判斷電路故障。

3 硬件設(shè)計(jì)方案

選擇PC104計(jì)算機(jī)作為檢測儀的系統(tǒng)平臺(tái)，以STM32F103RCT6為核心的檢測主板，輔以系統(tǒng)電源電路、觸摸屏顯示器，檢測接口電路等，安裝于400mm×360mm×300mm的箱體內(nèi)，組成自動(dòng)舵控制系統(tǒng)便攜式故障檢測儀，主要電路如圖2（不含虛線框部分）所示。

對檢測儀的系統(tǒng)平臺(tái)及主要部件分別介紹如下：

圖2 檢測儀器主要電路結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)平臺(tái)：系統(tǒng)平臺(tái)采用PC104計(jì)算機(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，對工作環(huán)境要求低，集成接口豐富，可以外接作為工控機(jī)使用，也可以作為嵌入式計(jì)算機(jī)使用。

檢測主板：該檢測主板包括32位微處理器STM32F103RCT6［6］，電壓放大電路 1，電壓放大電路2，D/A電路，D/A電路，取樣保持電路，通信電路，信號(hào)切換電路和專用接口等電路。

STM32F103RCT6為意法半導(dǎo)體公司生產(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A/D，D/A電路，PWM以及多個(gè)定時(shí)器，讀寫速度快，功耗較低的優(yōu)點(diǎn)，故選擇STM32F103RCT6作為檢測主板的核心。

信號(hào)取樣電路：取樣電路將輸入的信號(hào)取樣后，保持，送入檢測主板控制器。

模擬放大器：采用運(yùn)放電路與晶體管共同構(gòu)成同相電壓放大器［7］。如圖3，放大器前級(jí)采用運(yùn)放，后級(jí)利用晶體管2SA1145、2SC1507進(jìn)行信號(hào)放大，輸出級(jí)采用2SC3298、2SA1306作射級(jí)跟隨器。電路采用±60V供電，可以將信號(hào)從～Vpp=5V放大到～Vpp=110V，滿足模擬旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)發(fā)送需要。

電源電路：電源電路為工控機(jī)PC104、顯示器、檢測主板和被檢測控制板等供電，電源包括+60V，-60V，+12V，-12V，+5V，-5V，+3.33V 各 1路。+60V采用串聯(lián)兩個(gè)相同的可調(diào)電源模塊構(gòu)成，單個(gè)模塊由穩(wěn)壓芯片LM317與電阻等相結(jié)合的方式構(gòu)成可調(diào)穩(wěn)壓電路［8］，將電壓調(diào)整至30V；同理采用LM337形成的可調(diào)電源調(diào)整至-30V，串聯(lián)兩個(gè)相同的電源模塊即構(gòu)成-60V。+12V，-12V，+5V，-5V采用整流、三端穩(wěn)壓芯LM7812，LM7912，LM7805，LM7905穩(wěn)壓加電容濾波的方式設(shè)計(jì)。ARM工作所需+3.3V電源由+5V直流經(jīng)LM1117可調(diào)穩(wěn)壓芯片獲得。電源變壓器1采用定制的環(huán)型變壓器，其輸入為～220V，輸出為8路，4路為～26V/0.3A，其余為 2路～12-0V-12V/0.15A，總功率為40W。電源變壓器2為定制的環(huán)型變壓器，為模擬放大板提供電源，該變壓器為3路輸出，2路為12-0V/0.2A，1路為～20V/0.8A，該變壓器總功率為36W。

圖3 檢測主板放大器電路

圖4 +60V電源原理圖

4 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)軟件分上位機(jī)和ARM軟件兩部分，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Labwindows/CVI開發(fā)［9］，其工作流程如圖 5 所示。ARM軟件采用MDK5.0開發(fā)，采用C語言實(shí)現(xiàn)。

圖5 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接受指令，發(fā)出舵角等信號(hào)，經(jīng)D/A變換后進(jìn)行放大，輸出到被檢測板件，被測板件的響應(yīng)經(jīng)取樣后，輸入ARM，A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到上位機(jī)，A/D轉(zhuǎn)化及數(shù)據(jù)上傳完畢后，ARM工作終止。上位機(jī)界面顯示檢測數(shù)據(jù)，同時(shí)，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)［10～12］原理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［13］的后臺(tái)故障識(shí)別程序利用當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)庫中的完整及故障板件的歷史檢測數(shù)據(jù)自動(dòng)運(yùn)算，得出控制電路是否存在故障，并給出故障報(bào)告。

ARM工作流程圖如圖6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、舵角參數(shù)、均衡調(diào)水信號(hào)后，發(fā)出舵角信號(hào)/縱傾信號(hào)，開啟閥控制信號(hào)，D/A轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，發(fā)出模擬控制信號(hào)，經(jīng)過放大電路放大后輸入自動(dòng)舵控制系統(tǒng)電路（被檢測板），被檢測板件的響應(yīng)被取樣、保持后送入ARM經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，ARM將電壓信號(hào)上傳到上位機(jī)，轉(zhuǎn)換和上傳完成后，ARM工作結(jié)束。

圖6 ARM工作流程

5 檢測實(shí)驗(yàn)

將檢測儀制作完畢后，通電調(diào)試，能夠產(chǎn)生各種所需要的模擬信號(hào)，放大器可正常放大信號(hào)。

將被檢測的自動(dòng)操舵儀控制系統(tǒng)電路板與檢測儀通過專用接口進(jìn)行連接，利用檢測儀器對某型自動(dòng)操舵儀控制系統(tǒng)電路板進(jìn)行故障檢測與診斷，檢測儀能正常獲得被測試電路板的響應(yīng)數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)根據(jù)返回的數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的完整及故障板件的歷史檢測數(shù)據(jù)，利用編制的模糊識(shí)別與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的算法進(jìn)行故障識(shí)別，耗時(shí)30s可以完成單塊控制電路板件的檢測及故障類別判斷，自動(dòng)輸出電路板的故障信息。

6 結(jié)語

提出一種自動(dòng)舵控制系統(tǒng)便攜式故障檢測儀設(shè)計(jì)方案，采用工控機(jī)PC104為系統(tǒng)平臺(tái)，以STM32F103RCT6為核心的檢測主板，輔以電源電路、接口電路、顯示電路等，構(gòu)成自動(dòng)舵控制系統(tǒng)便攜式故障檢測儀。該儀器小巧輕便，易于攜帶。利用該檢測儀對自動(dòng)舵控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際故障檢測，結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)ψ詣?dòng)舵控制系統(tǒng)電路進(jìn)行快速檢測，準(zhǔn)確判斷故障。