自动舵模拟电路故障检测系统设计*

申传俊　钟多就　谭志杨

(1.92236部队　湛江　524002) (2.91630部队　广州　510000)

SHEN Chuanjun1　ZHONG Duojiu1　TAN Zhiyang2

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



自动舵模拟电路故障检测系统设计*

申传俊1钟多就1谭志杨2

(1.92236部队湛江524002) (2.91630部队广州510000)

针对自动舵放大板结构复杂，难以检测判断故障的问题，设计了以计算机为系统平台，以增强型51单片机为控制核心的检测主板，辅以电源模块，系统电源电路，接口电路构成自动舵模拟放大电路检测装置。编写上位机系统软件和单片机软件，利用串口进行通信，最后，利用检测系统进行了模拟测试，测试结果表明，检测装置能够对自动舵模拟放大板进行快速检测。

自动舵; 模拟放大板; 检测装置; 单片机; 故障检测

SHEN Chuanjun1ZHONG Duojiu1TAN Zhiyang2

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

Class NumberTP273

1　引言

自动舵是控制船舶航向的一种航海仪器，其结构一般由电源电路、信号发生电路、信号综合处理电路、功率放大器、执行机构、反馈机构、舵角复示器等构成，其完整性和可靠性是保证船舶航行安全和在航率的重要因素。由于自动舵信号综合处理电路(又称作模拟放大板)长期工作，且处于潮湿环境，容易发生元件老化，产生故障，对模拟放大电路及时检测维修，是自动舵维修保障的重要内容。

李天伟[1]针对自动舵故障电路板需要返厂测试的问题，采用专用接口电缆和测试软件，基于神经网络方法设计了自动舵电路板便携式故障测试系统，该系统结构紧凑，能够定位电路板常见故障。胡光明[2]从舵机故障的现象入手，对自动舵电气控制系统的功能块进行分析，指出了可能出现故障的原因。王超[3]设计了以单片机和基于故障字典的诊断软件为核心的自动舵放大器电路故障诊断装置。王宇超[4]设计了某型自动舵数控系统故障诊断系统，该系统能判断微机通道模块是否正常工作，对板卡性能做出判断，将故障定位到板件级和芯片级。李坚[5]以自动舵突然失灵为顶事件建立了故障树，对故障树进行了分析，得出了故障树的最小割集；给出了影响自动舵正常工作的各失效因素及其逻辑关系，为自动舵可靠性试验、评价和设计提供了依据。郭莫灿等对PID船舶自动舵组件自动测试系统进行了研究[6]。上海902厂研制了自动舵组件自动测试系统，可进行水面舰船自动舵放大板的离线检测。大连舰艇学院设计了HD-5自动舵放大器检测仪器，通过检测放大器关键元件的参数，利用智能算法与数据库比对，从而实现故障的识别。文献[7]提出利用专家系统进行自动舵故障检测识别。

为了提高某自动舵模拟放大电路的检测效率，满足其检测维修需要，本文提出一种基于计算机为系统平台，以嵌入式系统为检测核心的自动舵模拟放大电路检测方案，辅以电源电路，取样保持电路等构成自动舵模拟放大电路检测仪，通过接口电路实现被检测对象与仪器的连接，编写上位机软件和单片机软件，计算机控制单片机，可以实现自动舵模拟放大电路的快速检测和故障识别。

图1　硬件总体框图

2　检测系统工作原理

采用计算机作为检测系统的平台，以单片机作为嵌入式系统的核心，计算机控制单片机工作，通过设置操舵模式，舵角参数等，发出舵角指令，单片机发出舵角信号，经过D/A变换后，发送给信号放大电路，放大电路的输出信号送入自动舵模拟放大电路，其输出经过取样保持电路后送入自带A/D单片机，单片机经过模数转换，完成后，将电压自动上传到计算机，计算机存储并显示电压信号，同时，后台处理软件将自动运算，将信号与正常放大电路的输出参数进行对比，从而发现电路故障。

3　硬件设计方案

以计算机为系统平台，以51单片机STC12C5A60s2(增强型51单片机，自带A/D)为核心的检测主板，该检测主板包括：D/A转换及放大电路(将单片机发出的数字信号转换为模拟信号后放大，送模放箱)，取样保持电路，电源电路(为检测主板供电)；辅以电源模块(为工控机PC104及显示器，放大板供电)，触摸屏显示器，检测接口电路等，组成模拟放大板自动检测装置，根据检测获得的信号信息进行综合判断，从而判断模拟放大板的故障。

检测主板由MCU，D/A电路，放大电路，取样保持电路，通信模块等构成，主要电路包括主控电路(图2)及放大器(图3)。

图2　检测仪器主控电路结构图

图3　检测主板放大器电路

放大器采用具有线性补偿的场效应管高压反相放大器，采用纯甲类形式，力求最低限度的失真[8]。放大器前级采用晶体管2SC1507, 进行小信号放大，后级采用MOS管IRFP240，承担后级的大电压放大。Qq、Z4、R49共同构成限流保护电路。电路采用+120V供电，可以将信号从Vpp=5V放大到Vpp=110V，能够满足模拟旋转变压器的信号发送需要。

电源方案：其原理如图4所示，电源部分包括+120V, +12V，-12V，+5V，-5V各一路。+120V采用稳压芯片LM7824有稳压二极管相结合的方式设计升压电路，即在稳压芯片LM7824的2脚与地之间串联2个稳压48V的稳压二极管。+12V，-12V，+5V，-5V采用整流，稳压加电容滤波的方式设计，三端稳压芯LM7812，LM7912，LM7805，LM7905分别用于设计制作+12V -12V，+5V，-5V电源。电源变压器采用定制的环型变压器，其输入为～220V，输出为3路，一路为～90V/0.8A，其余为双路～12-0V/0.15A，总功率为75W。

图4　电源原理图

4　检测系统软件设计

检测系统软件分上位机和单片机软件两部分，上位机软件负责系统任务调度，接受单片机上传的数据等，并在后台软件中进行处理。上位机软件采用VB6.0开发[10]，其工作流程如图5所示。

图5　上位机软件工作流程

上位机工作流程为：上位机与单片机通信，成功后在界面中进行模式选择，设置舵角等参数，确认后点击发送；指令由串口发送到单片机，单片机接受指令，发出舵角信号，经D/A变换后进行放大，输出到模拟放大器。放大器的响应经取样后输入单片机A/D转换后发送到上位机，最终转化完成，发送完数据后单片机工作终止。上位机界面显示电压数据，同时，后台处理程序自动运算，得出放大电路是否存在故障，并给出故障报告。

单片机软件工作流程如图6所示，单片机首先与上位机进行通信，通信成功后等待计算机发出的指令，接受操舵模式，舵角参数后，发出舵角信号， D/A转换芯片进行转换后，发出模拟舵角信号，经过放大电路放大后输入自动舵模拟放大器，其输出经过取样保持电路，送入单片机，单片机自带的A/D转换器转换后，将电压信号上传到上位机，最终转换结束后，单片机工作结束。

图6　单片机软件工作流程

5　模拟检测试验

将检测装置制作完毕后，通电调试，能够正常发出各种所需要的信号，放大器可正常放大信号，将检测板输出的放大信号输入采样电路，上位机可及时收到上传回来的自动舵放大板的电压信号并实时刷新。图7为上位机软件检测界面。

图7　上位机软件检测界面

将发送信号的输出接入信号接收电路，进行检测装置模拟检测测试，表1为方向舵给定舵角为4°～25°之间部分舵角时，所接收到的方向舵输出电压信号。

表1　发送与接收电压

在实际检测中，需要建立完好板件数据库，在故障诊断时，可从数据库中进行比对，从而判断电路故障。

6　结语

提出一种自动舵模拟放大电路故障检测方案，采用计算机作为系统平台，设计了以增强型单片机作为核心的检测主板，辅以电源电路，接口电路等，构成自动舵模拟放大电路检测装置，对该装置进行了模拟检测，结果表明，该装置能够对自动舵模拟放大板进行快速故障检测。

[1] 李天伟，李正友，黄谦.自动舵电路板故障测试系统研究[J].中国测试,2013,39(2):77-80.

[2] 胡光明.自动舵故障原因分析[J].机电设备,2013(4):46-48.

[3] 王超，姜应战，刘金辉，等.船舶自动舵放大器在线故障诊断仪设计[J].中国修船,2005(6):31-33.

[4] 王宇超.船舶自动舵故障诊断系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2008:20-67.

[5] 李坚,陈传坎.船舶自动舵故障树分析[J].中国水运,2009,9(11):9-10.

[6] 郭莫灿,陈斌华.PID船舶自动舵组件自动测试系统研究[J].船舶工程,2004,26(2):71-72.

[7] 周智勇,李践飞,朱琳.某型舰船自动舵故障诊断专家系统[J].四川兵工学报,2009,30(5):11-13.

[8] 王乃成.电子爱好者[M].福州：福建科学技术出版社,2002:934-938.

[9] 王增福，李旭，魏永明.新编线性直流电源[M].北京：电子工业出版社,2004:103-108.

[10] 明日科技编著.Visual Basic从入门到精通[M].北京：清华大学出版社,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

申传俊，男，博士，工程师，研究方向：电路故障诊断及航海装备维修。钟多就，男，硕士，工程师，研究方向：自动控制理论及航海装备维修。谭志杨，男，工程师，研究方向：航海装备维修。

TP273

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.040