潜艇用智能化电工仪表的实现＊

汪宏伟 余跃听 谢 炜

（1.海军驻719所军事代表室 武汉 430064）（2.武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064）

1 引言

随着潜艇装备的电气化、自动化程度的不断提高和潜艇总体设计指标的需要，电力系统在潜艇上的牵涉面变得更广，重要性更加突出。电力系统稳定可靠的运行离不开电力监控，而电力监控需要使用大量的电工仪表对电力系统的发电、供电、用电等环节进行实时监测。

通常潜艇上使用的电工仪表均为模拟式单参数显示仪表，一般与供配电设备的控制屏、控制柜集成布置。而在需要较多电力参数集中监测的场合，较多单参数模拟仪表的集中布置占用了潜艇上的有限空间；且随着潜艇信息化程度的不断提高，电工仪表具备通讯接口等智能接口，将电力参数等监测信息实时传送给上一级信息平台进行统一分析决策［1～4］，成为电工仪表必不可少的基本功能。因此多参数集成显示、具高速通讯接口的智能化电工仪表代表着艇用电工仪表的设计发展趋势。本文提出了一种智能化电工仪表的设计方法，并在实际中得到了应用。

2 智能化电工仪表的设计

针对潜艇用电电制，将智能化电工仪表设计划为分为交流智能化电工仪表和直流智能化电工仪表，两者在设计上高度统一，除前端输入处理单元有差异外，其余部分均为通用型组件。

2.1 硬件设计

智能化电工仪表的硬件由CPU板、数据采集板、显示面板、电源部分组成、信号输入接口，其原理框图如图1所示。

图1 智能化电工仪表硬件原理框图

2.1.1 CPU 板

智能化电工仪表的CPU板是以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A 为核心［5～6］，在此基础上扩展出外部 存储器、CAN通讯口、串行通讯口、复位电路、输入输出电路、仿真接口等外围电路。

CPU板的功能有

1）对采集的数据进行处理

2）负责显示数据的输出

3）通过CAN接口输出数据

4）接收CAN接口的输入数据并进行处理

2.1.2 数据采集板

数据采集板实现的功能是测量三相交流电的电工参数，包括电压、电流、功率等和测量直流电压。

对数据采集板的设计思想是将测量三相交流电工参数和测量直流电压的功能分成两块板来实现。每块板都有与CPU板相同的硬件接口，从而通过与CPU板的组合构成交流智能电工仪表和直流智能电工仪表［7～8］。

1）交流数据采集板

设计三路电压、三路电流共六路输入测量通道。通过前置隔离、滤波、放大电路将被测交流信号转换成进行A／D变换所允许的信号范围并进行A／D变换。

2）直流数据采集板

设计共四路直流电压测量通道。通过前置隔离放大、滤波电路将被测直流信号转换成进行A／D变换所允许的信号范围并进行A／D变换。

2.1.3 显示面板

智能化电工仪表的显示面板是通过串行接口从CPU板接收显示数据，并将其显示到面板上。

对交流电工仪表，显示面板上使用三组4位数码管和光柱表，显示三相电压、三相电流、有功功率以及频率。

直流电工仪表采用四组4位数码管和光柱表，显示4个值，不安排按键和发光二极管。

2.1.4 电源部分

智能化电工仪表电源由航空接头接入直流24V电压，需提供3.3V、5V、±15V二级输出。使用DC－DC变换模块来实现。

2.1.5 信号输入接口

被测信号、CAN总线信号通过航空接头输入。同时信号输入接口提供智能化电工仪表的工作模式的设置和初始化的配置信息，如交流或直流工作模式、CAN标识符的设置等。

图2 智能化电工仪表软件结构流程框图

2.2 软件设计

智能化电工仪表的软件分初始化软件模块、A／D采样软件模块、计算软件模块、通信软件模块、显示软件模块。智能化电工仪表的软件结构流程框图如图2所示。

2.2.1 初始化软件模块

初始化软件模块是智能化电工仪表上电时所执行的一段程序，分系统初始化软件和应用软件初始化两部分。

系统初始化软件所做的工作就是配置CPU和外围硬件，使整个智能化电工仪表能够正常工作，配置内容如下：

1）配置CPU；

2）设置存储空间；

3）中断配置；

4）A／D器件初始化；

5）串口初始化；

6）CAN接口初始化。

应用软件初始化是对应用软件运行环境进行初始化，配置应用软件运行所需要的参数。

2.2.2 A／D采样软件模块

A／D采样软件是通过控制A／D器件从而实现将模拟量转换成数字量并读入软件程序中来的软件功能模块。

智能化电工仪表的A／D采样软件使用等待模式设计，软件流程设计如图3所示。

2.2.3 计算软件模块

计算软件是智能化电工仪表软件的中心部分。计算软件根据智能化电工仪表的功能分为交流电工参数计算软件部分和直流电工参数计算软件部分。

1）交流电工参数计算软件

对交流电工参数的计算包括交流电压、交流电流、有功功率和频率。因输入被测信号是正弦波形，必须对一个或多个周期内的正弦波进行多点采样，然后通过一定的算法计算出相应的交流电工参数。交流电工参数计算软件使用FFT算法对交流电压、电流和相位进行计算。频率计算采取过零点的计算方法［10～11］。

2）直流电工参数计算软件

直流电工参数的计算包括直流电压和直流电流。被测量和测量值之间存在线性关系，通过一定的线性运算即可计算出被测直流电压和直流电流。

2.2.4 通信软件模块

通信软件是基于CAN网络的，其功能是从CAN网络上获取数据来进行显示或将采样到的数据通过CAN网络发送到其他设备。

2.2.5 显示软件模块

显示软件的功能是将采集到的数据进行显示或显示从CAN网络接收到的数据。设计思想是将准备显示的数据转换成自定义的标准格式，然后通过串口协议发送到显示面板上。在显示面板上的显示接收程序接收到数据后，按预定义的标准格式进行显示。

图3 A／D采样软件流程图

3 结语

设计的智能化电工仪表，克服了现有潜艇电力参数测量仪表功能单一、测量显示效率低和非智能化等应用上的不足，非常适合电力系统集中监控应用场合，可实现多电力参数集中显示，具备CAN总线通讯接口，为上层信息平台提供实时电力参数信息。

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