引言

　　航跡繪算儀(以下簡稱航跡儀)是非常重要的航海導(dǎo)航設(shè)備，用于自動推算船舶的船位并將其航跡自動繪制在麥卡托海圖上。當(dāng)航跡儀出現(xiàn)故障進廠維修時，需構(gòu)建航跡儀仿真運行與測試平臺，完成航跡儀在線工作環(huán)境的模擬和解算輸出的檢測，以方便維修人員對故障進行排除和檢測維修后的航跡儀經(jīng)緯度輸出精度是否滿足要求等。對于大量采用旋轉(zhuǎn)變壓器(以下簡稱“旋變”)、自整角機等微電機作為機械解算元件的航跡儀來說，軸角信號的采集是其仿真運行與測試平臺需重點解決的問題之一。本文以一路緯度信號(旋轉(zhuǎn)變壓器輸出，轉(zhuǎn)值2°/r，激磁40V400Hz，信號電壓23V，增量式輸出)的采集為例介紹一種旋變軸角模擬信號的采集方法。

　　設(shè)計方案

　　為了保證系統(tǒng)的通用性和可擴展性，采用基于虛擬儀器技術(shù)的測試平臺?？紤]到體積、重量等因素，采用固態(tài)技術(shù)，而不使用機械式旋轉(zhuǎn)變壓器。為了提高開發(fā)速度，軸角轉(zhuǎn)換模塊的控制采用數(shù)字I/O卡，避免基于PCI總線板卡的軟硬件設(shè)計。仿真運行與測試平臺構(gòu)建航跡儀所需的工作環(huán)境，并對航跡儀各旋轉(zhuǎn)變壓器解算輸出進行檢測。整個仿真運行與測試平臺由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。軸角信號的采集基于航跡儀仿真運行與測試平臺，其系統(tǒng)組成如圖1所示。圖中，軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊用于將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬角度信號轉(zhuǎn)換成與TTL電平兼容的并行自然二進制碼數(shù)字量[1,2]，其工作所需的激磁和工作電源分別由激磁電源和直流電源提供。

　　硬件設(shè)計

　　軸角信號采集的硬件由研華工控機及其配件、數(shù)字I/O卡、朝陽一體化變頻電源、軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字軸角轉(zhuǎn)換電路板、信號轉(zhuǎn)接底板等組成。軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)軸角旋變模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，其選型根據(jù)輸出的緯度信號的性質(zhì)決定，包括分辨率、激磁、變比等，經(jīng)分析后定制SDC1806[2]。數(shù)字I/O卡選用研華的一款基于PCI總線的數(shù)字量I/O卡PCI-1753，非常適合航跡儀仿真運行與測試平臺，其主要特點為：96路TTL數(shù)字量I/O;仿真8255 PPI，模式0;提供比8255更高的驅(qū)動能力緩沖電路;系統(tǒng)熱啟動后，保持I/O口設(shè)置和數(shù)字量輸出值;支持干、濕接點[3]。信號轉(zhuǎn)接底板完成數(shù)字I/O卡、多功能采集卡、電源信號與軸角轉(zhuǎn)換電路之間的連接、軸角轉(zhuǎn)換電路與航跡儀之間的連接以及電源信號與電平及脈沖信號采集電路板之間的連接等。圖2給出了SDC1806模塊與數(shù)字I/O卡和旋轉(zhuǎn)變壓器等的連接關(guān)系。

軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計是軸角信號采集的靈魂。用基于LabVIEW開發(fā)的軟件運行在工控機平臺中，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)變壓器軸角信號的采集、處理及顯示等。軟件總體上包括零位對準模塊、緯度采集模塊、角度解算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲和回放模塊等。

　　零位對準模塊

　　假設(shè)初始緯度為80°，此時旋變輸出應(yīng)為0°，由于旋變存在機械零位，實際上緯度采集值不為0°，而為包含0-2°之間的某一個角度如1.95°的值，因此必須把該角度作為一個初始零位，在此后每次采集時都要加上這個初始零位。具體方法為：緯度采集值加上2°，減去緯度零位，所得值如小于2°，則直接所得值作為緯度實際值輸出;所得值如大于2°則將所得值減去2°后作為緯度實際值輸出。

　　緯度采集模塊

　　緯度采集模塊完成對PCI-1753數(shù)字I/O卡和SDC1806旋變/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的程序控制，并把旋變輸出的模擬角度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字角度信息。緯度采集模塊為一個順序程序結(jié)構(gòu)，第1幀使用DIOWriteBit.vi將PCI-1753的PC05置0，即向SDC1806模塊的“/INH”引腳發(fā)一個邏輯低電平，使模塊停止計數(shù)，輸出的數(shù)據(jù)不變。第2幀使用DIOWriteBit.vi將PCI-1753的PC07置1，即向SDC1806模塊的“BYSEL”引腳發(fā)送邏輯高電平，此時決定模塊采用字輸出方式，模塊的輸出與16位數(shù)據(jù)總線對應(yīng)連接[4]。第3幀使用DIOReadPortByte.vi讀取PC-1753板卡3#、4#端口輸出的14位二進制角碼，然后二進制角碼轉(zhuǎn)換為十進制角度，如圖3所示。由于旋變的轉(zhuǎn)值為2°，故模塊輸出的最大值為214-1=16383，即代表2°。第4幀使用DIOWriteBit.vi將PCI-1753的PC05置1，即向SDC1806模塊的“/INH”引腳發(fā)一個邏輯高電平，使模塊重新工作，輸出的數(shù)據(jù)開始變化。

　　角度解算模塊

　　角度解算模塊的框圖程序如圖4所示。輸出緯度信息的旋變的轉(zhuǎn)值為2°/r，角度信息為增量輸出方式，而系統(tǒng)要求得到緯度信息的連續(xù)數(shù)據(jù)，因此必須解決解算過程中的角度區(qū)間問題，確定轉(zhuǎn)角的區(qū)間后即能得到實際的緯度值。顯而易見，在采樣周期內(nèi)緯度變化不可能超過0.5°(即1/4圓周)，因此可將0-2°按相位劃分為0-0.5°、0.5-1°、1-1.5°和1.5-2°四個象限。以ain表示本次緯度采集值、bin表示上次緯度采集值、fai代表本次實際緯度值、fai0代表上次實際緯度值。解算判別的關(guān)鍵就在于看旋變是否過零位。當(dāng)本次采樣為第Ⅰ象限，上次采樣為第Ⅳ象限時，表明旋變順時針轉(zhuǎn)過一周，則實際緯度值需加上一圈，即fai=fai0+2+ain-bin;當(dāng)本次采樣為第Ⅳ象限，上次采樣為第Ⅰ象限時，表明旋變逆時針轉(zhuǎn)過一周，則實際緯度值需減去一圈，即fai=fai0-2+ain-bin;其它情況下，實際緯度值只需加上緯度增量值即可，即fai=fai0+ain-bin。

　　數(shù)據(jù)顯示模塊

　　數(shù)據(jù)顯示模塊可以數(shù)字、圖形等方式實時顯示理論經(jīng)緯度、采集經(jīng)緯度、時間信息及其它測試相關(guān)信息。經(jīng)緯度數(shù)字顯示為度分格式(因航跡儀本身僅輸出度分格式)，由數(shù)據(jù)顯示模塊根據(jù)角度解算模塊輸出的經(jīng)緯度信息和理論推算經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換而來。航跡曲線按照地理坐標(biāo)方式(即橫軸為經(jīng)度、縱軸為緯度)同時顯示理論航跡和解算航跡。緯度計算值與緯度采集值分別通過Convert to Dynamic Data函數(shù)轉(zhuǎn)換為動態(tài)數(shù)據(jù)類型，然后通過Merge Signals合并為一路信號，作為航跡曲線XY Graph的Y軸數(shù)據(jù)。用同樣的方法得到航跡曲線XY Graph的X軸數(shù)據(jù)(經(jīng)度)。

數(shù)據(jù)存儲和回放模塊

　　數(shù)據(jù)存儲模塊可以實現(xiàn)將理論推算經(jīng)緯度信息和采集到的經(jīng)緯度信息附帶時間信息以xls格式存儲于工控機的硬盤中，便于對航跡儀的解算數(shù)據(jù)進行事后分析。數(shù)據(jù)存儲模塊的程序框圖如圖5所示。數(shù)據(jù)回放模塊可將xls格式的歷史航跡數(shù)據(jù)回放，并運用數(shù)理統(tǒng)計方法分析，方便維修人員對故障的分析和解算精度的評判。程序選用LabVIEW中文件存儲模板的中級函數(shù)及底層函數(shù)節(jié)點，這種方式雖然編程較繁瑣，但針對諸如存儲位置選擇及操作異常等情況的處理，保證了軟件的穩(wěn)定性及友好性[4-5]。

　　結(jié)語

　　利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、開發(fā)效率高、可擴展性強等特點，便于設(shè)備更新和功能的補充與完善，越來越廣泛地被應(yīng)用到自動測試系統(tǒng)中。文中提出的基于LabVIEW和數(shù)字I/O卡的軸角采集方案應(yīng)用到航跡儀仿真運行與測試平臺中，實現(xiàn)了對航跡儀內(nèi)部解算部件、對外輸出接口的檢測和故障診斷，對航跡儀的性能評估發(fā)揮了重要作用。采用文中所述方法構(gòu)建的軸角采集系統(tǒng)設(shè)計合理、穩(wěn)定可靠，已被推廣應(yīng)用到羅經(jīng)、計程儀等裝備的測試系統(tǒng)中。