基于地磁模式组的消磁系统误差测试仪研制*

张朝阳　吴　飞　史　伟

(1.海军装备技术研究所　上海　200083)(2.中船重工704研究所　上海　200080)(3.92304部队　三亚　572000)

ZHANG Zhaoyang1　WU Fei2　SHI Wei3

(1.Navy Equipment Technology Institute, Shanghai　200083) (2.704 Institute of China Ship Industry Corporation, Shanghai　200080)(3.No.92304 Troops of PLA, Sanya　572000)



基于地磁模式组的消磁系统误差测试仪研制*

张朝阳1吴飞2史伟3

(1.海军装备技术研究所上海200083)(2.中船重工704研究所上海200080)(3.92304部队三亚572000)

根据地磁模式组式消磁系统的技术特点，通过选取合适的计算机平台、采集卡、通讯卡等，按照模块化、结构化思想，采用虚拟仪器技术，设计实现了一种消磁系统误差测试仪。多线程技术的运用，保证了测试信号的实时性和准确性，具有广阔的应用前景。

地磁模式组; 测试仪; 虚拟仪器; 多线程

ZHANG Zhaoyang1WU Fei2SHI Wei3

(1.Navy Equipment Technology Institute, Shanghai200083) (2.704 Institute of China Ship Industry Corporation, Shanghai200080)(3.No.92304 Troops of PLA, Sanya572000)

Class NumberTN219

1　引言

消磁系统是海军舰艇上的重要装备，在保持和提高舰艇磁防护能力方面发挥着不可替代的作用[1～2]，而消磁系统的维修保障工作则是保持消磁系统良好技术状态的重要保证，其中消磁系统的误差测试又是一项十分重要的工作，因此关于消磁系统误差测试技术的研究比较常见。目前舰艇上的消磁系统主要是基于“测地磁消舰磁”的原理，即通过安装在舰艇桅杆上的3分量磁探头测量得到3分量地磁场，以此为控制信号调整各绕组中的消磁电流，从而产生磁场将舰艇感应磁场补偿掉。针对该类消磁系统(可称为基于磁强计的消磁系统)的误差测试，桂林电子科技大学、桂林海威船舶电器有限公司等单位进行了相应仪器的研究开发，研制出了若干便携式消磁系统误差测试仪器(CQJ类误差测试仪器)[3～8]，基本解决了磁强计式消磁系统各设备的性能测试问题。

随着装备技术的发展，磁强计式消磁系统逐渐显露出一些缺点[9～10]：1)存在严重的干扰问题；2)可靠性无法保证；3)电路复杂；4)强弱电系统没有进行有效隔离。基于上述原因，有学者提出了基于地磁模式组的舰船消磁系统，并开始在一些新型舰艇上进行应用，但目前还没有专门针对该类消磁系统的设备性能测试仪器，其维修保障工作还存在一定缺陷。本文试图从基于地磁模式组的消磁系统装备技术特点出发，研制一种专门针对地磁模式组消磁系统的误差测试仪器，进而提升该类消磁系统的维修保障能力，从而提高舰艇的磁防护能力。

2　基于地磁模式组的消磁系统技术特点

基于地磁模式组的消磁系统将地磁场模式组预先存储在单片机存储器内，通过接收GPS的经纬度、平台罗经的航向角和姿态等信息，经单片机解算后控制消磁电流大小。实践表明，该类消磁系统去除了磁探头，从而大大简化了信号处理电路，具有结构简单、可靠性高等优点。目前，地磁解算主要有三种方法，一是网格法，即把地磁空间按经纬度划分成网格，实测出网格的磁场值，制成表格，用查表的方法找出与经纬度对应的地磁场；二是球谐分析法，利用地面实测的地磁资料计算地磁场的经纬度球谐级数表达式；三是泰勒多项式法，利用地磁场地理分布连续的性质，把地磁要素展成经纬度的泰勒多项式，然后根据实测的地磁资料，用最小二乘法建立地磁空间分布的泰勒多项式模式。目前地磁模式组式的消磁系统主要采用球谐分析法或者泰勒多项式法。

基于地磁模式组的消磁系统一般采用双主机冗余结构设计，能确保整套系统的正常运行，如图1为一种常见的消磁系统控制框图。

图1　一种地磁模式组式消磁系统控制框图

针对消磁系统的误差测试仪设计必须考虑消磁系统的接口特点，对于地磁模式组式消磁系统，其接口类型主要有三种：1)以太网接口，主要是传输导航信号；2)模拟电压信号接口(-V～V)，主要是控制消磁电源按比例输出消磁电流；3)电流输出接口(-A～A)，主要是输出消磁电流到消磁绕组。

本文的消磁系统误差测试仪研制主要基于该类消磁系统的上述地磁模式组特点、结构设计特点和接口特点等来进行设计。

3　基于地磁模式组的消磁系统误差

测试仪设计

3.1功能需求分析

为保证测试仪信号的输入、输出匹配实际设备，必须配备合适的接口。根据测试仪的输出信号需求，可考虑采用以太网/CAN接口，用于高速传输位置和姿态信息；根据测试仪输入信号(采集电压信号、电流信号)的特点，采用多通道的模拟输入接口。为了能够准确快速地完成消磁系统性能测试任务，误差测试仪各模拟通道应具有很高的静态输出精度和动态输出精度，其数字通道应具有较高的定时性、准确性和实时性。

地磁场解算是该类消磁系统的一大技术特点，因此对于误差测试仪，必须把地磁解算模块内嵌入工控机中，在向消磁设备发送综导和姿态信息时，工控机同时获得相应信息，利用地磁解算模块计算出对应的地磁场，进而得到对应的电压回采理论值，作为消磁设备性能评估的基准。

3.2方案设计

消磁系统误差测试仪硬件应基于标准计算机架构，选用工业测控的现有成熟产品。选型依据为：

1)满足使用环境要求；

2)采集卡、通讯卡满足采集精度和实时性要求；

3)钳形电流传感器选型须满足电源输出电流范围和精度采集要求；

4)选型基于X86的通用计算机平台，注重性价比。

选择软件开发平台时，综合考虑操作系统的易用性和开发工具的支持性，在都满足测试需求的前提下，选择Windows操作系统作为测试软件的开发平台。另外，本测试仪基于虚拟仪器技术进行设计，将计算机强大的处理功能和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，以缩小仪器硬件的成本和体积，同时通过测控单元实现各种测试信号的高精度驱动和采集，进而实现消磁仪器设备性能指标的高精度测试。采用虚拟仪器技术后，软件面板的设计可突破传统仪器在数据显示、处理和存储上的限制，界面直观，操作方便，能有效提高消磁设备的误差测试效率。

根据上述考虑，本文所研究的消磁系统误差测试仪系统设计方案框图如图2所示。

图2　消磁系统误差测试仪系统设计框图

4　基于地磁模式组的消磁系统误差测试仪实现

4.1硬件实现

测试仪整套硬件系统组成如下：

1)误差测试仪一台，包括便携式工控机、NI采集卡、通讯卡及测试软件；

2)高精度电流钳三个。

便携式工控机选用一般加固型计算机(ARP-650)即可满足要求；测试仪工作时需要两个模拟输出通道，同时最多有六个模拟输入通道需要同时采集，属于典型的多通、大容量数据量实时测量、采集和处理，因此选择了NI公司的NI PCI-6221模拟量卡；测试仪通讯板卡为常规通讯接口板卡，选型时主要考虑与整机的匹配性和软件开发的支持性，因此选择了NI公司基于PCI板卡的PCI-8512/2 CAN卡；高精度电流钳是测试仪的配件，用于将消磁电源的输出电流等比例转换为测试仪可采集处理的电压信号，选择了日本日置HIOKI3275钳式电流探头。

4.2软件实现

测试仪软件应完成的任务有：信号发送采集任务、数据处理任务，数据显示任务、数据管理、系统标定、报表打印等。根据所属任务和模块化、结构化的总体思想，确定测试仪系统软件的几大功能模块为：数据发送采集模块、数据处理模块、数据显示模块、数据管理模块、I/O设置模块、系统标定模块和报表打印模块。功能模块结构图如图3所示。

程序设计时，主程序中采用多线程技术将用户交互，数据发送，数据采集，数据处理各项功能分别开辟独立线程，各个线程之间的数据交互利用队列实现。

图3　软件主要功能模块结构图

在软件系统各功能模块中，数据分析处理模块最为重要，其中主要包括软件滤波处理和地磁模式组实现。

基于工控机的数据采集应用系统的模拟输入信号中都含有各种噪音和干扰，它们来自被测信号源、传感器、外界干扰等，为了准确地测量和控制，必须采用软件滤波技术最大程度的消除采集信号中的噪音干扰，本测试仪采用了改进的算术平均值法进行滤波。

基于地磁模式组的消磁电流控制是地磁模式组式消磁装备的一大特点，与之相对应，误差测试仪内也须嵌入地磁模式组模块，以获得某位置舰船对应的地磁场理论值。本文地磁解算模块采用国际地磁参考场(IGRF)作为计算模型，国际地磁参考场使用一系列球谐分析方法建立起来的关于地球主磁场及其长期变化的数学模型，得到地磁信息后，根据舰船的横摇、纵倾、航向等信息对地磁场进行投影，进而计算出消磁电流控制仪控制消磁电源输出电流的理论值。考虑到地磁解算算法为复杂的多阶运算算法，采用C/C++语言实现较为方便，设计中将这部分功能独立用C语言编程实现并编译成DLL动态库形式，在labview环境中动态加载调用(图4为测试软件主界面)。

图4　测试软件主界面

5　结语

根据地磁模式组式消磁系统的技术特点，研制了相应的消磁系统误差测试仪，成功解决了基于地磁模式组的消磁系统性能测试问题。多线程技术的运用使得测试仪可以同时处理多通道、多组的采集信号，保证了测试信号的实时性；采用多线程安全监控、通道间隔离保护等技术，提高了测试过程中的容错性，确保了测试的准确性；基于虚拟仪器技术的模块化设计，具有良好的通用性、兼容性和可拓展性，能方便的实现多种测试功能的扩展，具有广泛的应用前景。

[1] 刘大明.舰船消磁理论与方法[D].武汉：海军工程大学，2012.

[2] 常宝林，渐开旺，张松勇.基于磁强计的消磁电流控制仪研制[J].上海海事大学学报，2012，33(2)：22-25.

[3] 唐洪祝，陈威，陈可.一种便携式消磁设备误差测试仪的研制[J].研究与开发，2012，31(3)：51-54.

[4] 李腾云，李智，陈威，等.消磁设备误差测试系统软件设计[J].计算机应用与软件，2012，29(10)：254-257.

[5] 乐季华，黎国湘，蒋喆华.消磁电流控制设备精度测试装置的系统误差[J].技术篇，2009，(5)：36-38.

[6] 余锡斌，陈可.基于虚拟仪器技术的信号模拟和测试系统设计[J].舰船电子工程，2011，31(11)：140-142.

[7] 范志杰，李智，郭金龙，等.基于VI技术的舰船消磁设备集成测试系统[J].微计算机信息，2007，23(11-1)：119-126.

[8] 李智，张大伟，牛军浩，等.舰船消磁设备测试系统的研究[J].研究与开发，2009，28(4)：40-42.

[9] 刘大明，何明，刘胜道.基于地磁模式组的舰船消磁电流调整器[J].海军工程大学学报，2001，13(4)：18-21.

[10] 朱显乔，刘胜道.地磁模拟数据采集系统的集成开发[J].船海工程，2008(5)：68-70.

Development of One Error Test Instrument for Degaussing System Based on Type Series of Geomagnetic Field*

According to the technology characters of degaussing system based on the type series of geomagnetic field, by selecting appropriate computer platform, signal acquisition system, and communication system, based on the idea of blocking and configuration, via using VI technology, one error test instrument for degaussing system is designed. By using multithreading technology, the quality of real time and precision is ensured, which has expansive application foreground.

type series of geomagnetic field, test instrument, virtual instrument, multithreading technology

2016年2月6日,

2016年3月13日

张朝阳,男,博士，工程师，研究方向：舰船消磁技术。吴飞,男,硕士,工程师,研究方向：电子仪器设计。

TN219

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.045

史伟,男,工程师,研究方向：军港工程、仪器控制。