自動舵模擬電路故障檢測系統設計*

申傳俊　鐘多就　譚志楊

(1.92236部隊　湛江　524002) (2.91630部隊　廣州　510000)

SHEN Chuanjun1　ZHONG Duojiu1　TAN Zhiyang2

(1.No.92236 Troops of PLA, Zhanjiang　524002) (2.No.91630 Troops of PLA, Guangzhou　510000)

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自動舵模擬電路故障檢測系統設計*

申傳俊1鐘多就1譚志楊2

(1.92236部隊湛江524002) (2.91630部隊廣州510000)

針對自動舵放大板結構復雜，難以檢測判斷故障的問題，設計了以計算機為系統平臺，以增強型51單片機為控制核心的檢測主板，輔以電源模塊，系統電源電路，接口電路構成自動舵模擬放大電路檢測裝置。編寫上位機系統軟件和單片機軟件，利用串口進行通信，最后，利用檢測系統進行了模擬測試，測試結果表明，檢測裝置能夠對自動舵模擬放大板進行快速檢測。

自動舵; 模擬放大板; 檢測裝置; 單片機; 故障檢測

SHEN Chuanjun1ZHONG Duojiu1TAN Zhiyang2

(1.No.92236 Troops of PLA, Zhanjiang524002) (2.No.91630 Troops of PLA, Guangzhou510000)

Class NumberTP273

1　引言

自動舵是控制船舶航向的一種航海儀器，其結構一般由電源電路、信號發生電路、信號綜合處理電路、功率放大器、執行機構、反饋機構、舵角復示器等構成，其完整性和可靠性是保證船舶航行安全和在航率的重要因素。由于自動舵信號綜合處理電路(又稱作模擬放大板)長期工作，且處于潮濕環境，容易發生元件老化，產生故障，對模擬放大電路及時檢測維修，是自動舵維修保障的重要內容。

李天偉[1]針對自動舵故障電路板需要返廠測試的問題，采用專用接口電纜和測試軟件，基于神經網絡方法設計了自動舵電路板便攜式故障測試系統，該系統結構緊湊，能夠定位電路板常見故障。胡光明[2]從舵機故障的現象入手，對自動舵電氣控制系統的功能塊進行分析，指出了可能出現故障的原因。王超[3]設計了以單片機和基于故障字典的診斷軟件為核心的自動舵放大器電路故障診斷裝置。王宇超[4]設計了某型自動舵數控系統故障診斷系統，該系統能判斷微機通道模塊是否正常工作，對板卡性能做出判斷，將故障定位到板件級和芯片級。李堅[5]以自動舵突然失靈為頂事件建立了故障樹，對故障樹進行了分析，得出了故障樹的最小割集；給出了影響自動舵正常工作的各失效因素及其邏輯關系，為自動舵可靠性試驗、評價和設計提供了依據。郭莫燦等對PID船舶自動舵組件自動測試系統進行了研究[6]。上海902廠研制了自動舵組件自動測試系統，可進行水面艦船自動舵放大板的離線檢測。大連艦艇學院設計了HD-5自動舵放大器檢測儀器，通過檢測放大器關鍵元件的參數，利用智能算法與數據庫比對，從而實現故障的識別。文獻[7]提出利用專家系統進行自動舵故障檢測識別。

為了提高某自動舵模擬放大電路的檢測效率，滿足其檢測維修需要，本文提出一種基于計算機為系統平臺，以嵌入式系統為檢測核心的自動舵模擬放大電路檢測方案，輔以電源電路，取樣保持電路等構成自動舵模擬放大電路檢測儀，通過接口電路實現被檢測對象與儀器的連接，編寫上位機軟件和單片機軟件，計算機控制單片機，可以實現自動舵模擬放大電路的快速檢測和故障識別。

圖1　硬件總體框圖

2　檢測系統工作原理

采用計算機作為檢測系統的平臺，以單片機作為嵌入式系統的核心，計算機控制單片機工作，通過設置操舵模式，舵角參數等，發出舵角指令，單片機發出舵角信號，經過D/A變換后，發送給信號放大電路，放大電路的輸出信號送入自動舵模擬放大電路，其輸出經過取樣保持電路后送入自帶A/D單片機，單片機經過模數轉換，完成后，將電壓自動上傳到計算機，計算機存儲并顯示電壓信號，同時，后臺處理軟件將自動運算，將信號與正常放大電路的輸出參數進行對比，從而發現電路故障。

3　硬件設計方案

以計算機為系統平臺，以51單片機STC12C5A60s2(增強型51單片機，自帶A/D)為核心的檢測主板，該檢測主板包括：D/A轉換及放大電路(將單片機發出的數字信號轉換為模擬信號后放大，送模放箱)，取樣保持電路，電源電路(為檢測主板供電)；輔以電源模塊(為工控機PC104及顯示器，放大板供電)，觸摸屏顯示器，檢測接口電路等，組成模擬放大板自動檢測裝置，根據檢測獲得的信號信息進行綜合判斷，從而判斷模擬放大板的故障。

檢測主板由MCU，D/A電路，放大電路，取樣保持電路，通信模塊等構成，主要電路包括主控電路(圖2)及放大器(圖3)。

圖2　檢測儀器主控電路結構圖

圖3　檢測主板放大器電路

放大器采用具有線性補償的場效應管高壓反相放大器，采用純甲類形式，力求最低限度的失真[8]。放大器前級采用晶體管2SC1507, 進行小信號放大，后級采用MOS管IRFP240，承擔后級的大電壓放大。Qq、Z4、R49共同構成限流保護電路。電路采用+120V供電，可以將信號從Vpp=5V放大到Vpp=110V，能夠滿足模擬旋轉變壓器的信號發送需要。

電源方案：其原理如圖4所示，電源部分包括+120V, +12V，-12V，+5V，-5V各一路。+120V采用穩壓芯片LM7824有穩壓二極管相結合的方式設計升壓電路，即在穩壓芯片LM7824的2腳與地之間串聯2個穩壓48V的穩壓二極管。+12V，-12V，+5V，-5V采用整流，穩壓加電容濾波的方式設計，三端穩壓芯LM7812，LM7912，LM7805，LM7905分別用于設計制作+12V -12V，+5V，-5V電源。電源變壓器采用定制的環型變壓器，其輸入為～220V，輸出為3路，一路為～90V/0.8A，其余為雙路～12-0V/0.15A，總功率為75W。

圖4　電源原理圖

4　檢測系統軟件設計

檢測系統軟件分上位機和單片機軟件兩部分，上位機軟件負責系統任務調度，接受單片機上傳的數據等，并在后臺軟件中進行處理。上位機軟件采用VB6.0開發[10]，其工作流程如圖5所示。

圖5　上位機軟件工作流程

上位機工作流程為：上位機與單片機通信，成功后在界面中進行模式選擇，設置舵角等參數，確認后點擊發送；指令由串口發送到單片機，單片機接受指令，發出舵角信號，經D/A變換后進行放大，輸出到模擬放大器。放大器的響應經取樣后輸入單片機A/D轉換后發送到上位機，最終轉化完成，發送完數據后單片機工作終止。上位機界面顯示電壓數據，同時，后臺處理程序自動運算，得出放大電路是否存在故障，并給出故障報告。

單片機軟件工作流程如圖6所示，單片機首先與上位機進行通信，通信成功后等待計算機發出的指令，接受操舵模式，舵角參數后，發出舵角信號， D/A轉換芯片進行轉換后，發出模擬舵角信號，經過放大電路放大后輸入自動舵模擬放大器，其輸出經過取樣保持電路，送入單片機，單片機自帶的A/D轉換器轉換后，將電壓信號上傳到上位機，最終轉換結束后，單片機工作結束。

圖6　單片機軟件工作流程

5　模擬檢測試驗

將檢測裝置制作完畢后，通電調試，能夠正常發出各種所需要的信號，放大器可正常放大信號，將檢測板輸出的放大信號輸入采樣電路，上位機可及時收到上傳回來的自動舵放大板的電壓信號并實時刷新。圖7為上位機軟件檢測界面。

圖7　上位機軟件檢測界面

將發送信號的輸出接入信號接收電路，進行檢測裝置模擬檢測測試，表1為方向舵給定舵角為4°～25°之間部分舵角時，所接收到的方向舵輸出電壓信號。

表1　發送與接收電壓

在實際檢測中，需要建立完好板件數據庫，在故障診斷時，可從數據庫中進行比對，從而判斷電路故障。

6　結語

提出一種自動舵模擬放大電路故障檢測方案，采用計算機作為系統平臺，設計了以增強型單片機作為核心的檢測主板，輔以電源電路，接口電路等，構成自動舵模擬放大電路檢測裝置，對該裝置進行了模擬檢測，結果表明，該裝置能夠對自動舵模擬放大板進行快速故障檢測。

[1] 李天偉，李正友，黃謙.自動舵電路板故障測試系統研究[J].中國測試,2013,39(2):77-80.

[2] 胡光明.自動舵故障原因分析[J].機電設備,2013(4):46-48.

[3] 王超，姜應戰，劉金輝，等.船舶自動舵放大器在線故障診斷儀設計[J].中國修船,2005(6):31-33.

[4] 王宇超.船舶自動舵故障診斷系統設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2008:20-67.

[5] 李堅,陳傳坎.船舶自動舵故障樹分析[J].中國水運,2009,9(11):9-10.

[6] 郭莫燦,陳斌華.PID船舶自動舵組件自動測試系統研究[J].船舶工程,2004,26(2):71-72.

[7] 周智勇,李踐飛,朱琳.某型艦船自動舵故障診斷專家系統[J].四川兵工學報,2009,30(5):11-13.

[8] 王乃成.電子愛好者[M].福州：福建科學技術出版社,2002:934-938.

[9] 王增福，李旭，魏永明.新編線性直流電源[M].北京：電子工業出版社,2004:103-108.

[10] 明日科技編著.Visual Basic從入門到精通[M].北京：清華大學出版社,2008:197-235.

Design of Fault Testing System for Analog Circuits Amplify Board of Autopilot*

The autopilot analog amplifying circuit board is complicated and difficult to inspect its faults. A kind of analog amplifying circuits fault testing instrument is designed which includes system platform, testing board, power board, circuit interface. The system software for the host computer and single chip computer are programmed. The computer and single chip computer communicate with each other by serial communication. The autopilot analog amplifying circuit fault testing instrument is tested by simulation inspection. The testing result indicates that the testing instrument can inspect the autopilot analog amplifying circuits rapidly.

autopilot, analog amplifying circuits, testing instrument, single chip computer, fault testing

2016年2月15日,

2016年3月17日

申傳俊，男，博士，工程師，研究方向：電路故障診斷及航海裝備維修。鐘多就，男，碩士，工程師，研究方向：自動控制理論及航海裝備維修。譚志楊，男，工程師，研究方向：航海裝備維修。

TP273

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.040