潛艇用智能化電工儀表的實現＊

汪宏偉 余躍聽 謝 煒

（1.海軍駐719所軍事代表室 武漢 430064）（2.武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064）

1 引言

隨著潛艇裝備的電氣化、自動化程度的不斷提高和潛艇總體設計指標的需要，電力系統在潛艇上的牽涉面變得更廣，重要性更加突出。電力系統穩定可靠的運行離不開電力監控，而電力監控需要使用大量的電工儀表對電力系統的發電、供電、用電等環節進行實時監測。

通常潛艇上使用的電工儀表均為模擬式單參數顯示儀表，一般與供配電設備的控制屏、控制柜集成布置。而在需要較多電力參數集中監測的場合，較多單參數模擬儀表的集中布置占用了潛艇上的有限空間；且隨著潛艇信息化程度的不斷提高，電工儀表具備通訊接口等智能接口，將電力參數等監測信息實時傳送給上一級信息平臺進行統一分析決策［1～4］，成為電工儀表必不可少的基本功能。因此多參數集成顯示、具高速通訊接口的智能化電工儀表代表著艇用電工儀表的設計發展趨勢。本文提出了一種智能化電工儀表的設計方法，并在實際中得到了應用。

2 智能化電工儀表的設計

針對潛艇用電電制，將智能化電工儀表設計劃為分為交流智能化電工儀表和直流智能化電工儀表，兩者在設計上高度統一，除前端輸入處理單元有差異外，其余部分均為通用型組件。

2.1 硬件設計

智能化電工儀表的硬件由CPU板、數據采集板、顯示面板、電源部分組成、信號輸入接口，其原理框圖如圖1所示。

圖1 智能化電工儀表硬件原理框圖

2.1.1 CPU 板

智能化電工儀表的CPU板是以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A 為核心［5～6］，在此基礎上擴展出外部 存儲器、CAN通訊口、串行通訊口、復位電路、輸入輸出電路、仿真接口等外圍電路。

CPU板的功能有

1）對采集的數據進行處理

2）負責顯示數據的輸出

3）通過CAN接口輸出數據

4）接收CAN接口的輸入數據并進行處理

2.1.2 數據采集板

數據采集板實現的功能是測量三相交流電的電工參數，包括電壓、電流、功率等和測量直流電壓。

對數據采集板的設計思想是將測量三相交流電工參數和測量直流電壓的功能分成兩塊板來實現。每塊板都有與CPU板相同的硬件接口，從而通過與CPU板的組合構成交流智能電工儀表和直流智能電工儀表［7～8］。

1）交流數據采集板

設計三路電壓、三路電流共六路輸入測量通道。通過前置隔離、濾波、放大電路將被測交流信號轉換成進行A／D變換所允許的信號范圍并進行A／D變換。

2）直流數據采集板

設計共四路直流電壓測量通道。通過前置隔離放大、濾波電路將被測直流信號轉換成進行A／D變換所允許的信號范圍并進行A／D變換。

2.1.3 顯示面板

智能化電工儀表的顯示面板是通過串行接口從CPU板接收顯示數據，并將其顯示到面板上。

對交流電工儀表，顯示面板上使用三組4位數碼管和光柱表，顯示三相電壓、三相電流、有功功率以及頻率。

直流電工儀表采用四組4位數碼管和光柱表，顯示4個值，不安排按鍵和發光二極管。

2.1.4 電源部分

智能化電工儀表電源由航空接頭接入直流24V電壓，需提供3.3V、5V、±15V二級輸出。使用DC－DC變換模塊來實現。

2.1.5 信號輸入接口

被測信號、CAN總線信號通過航空接頭輸入。同時信號輸入接口提供智能化電工儀表的工作模式的設置和初始化的配置信息，如交流或直流工作模式、CAN標識符的設置等。

圖2 智能化電工儀表軟件結構流程框圖

2.2 軟件設計

智能化電工儀表的軟件分初始化軟件模塊、A／D采樣軟件模塊、計算軟件模塊、通信軟件模塊、顯示軟件模塊。智能化電工儀表的軟件結構流程框圖如圖2所示。

2.2.1 初始化軟件模塊

初始化軟件模塊是智能化電工儀表上電時所執行的一段程序，分系統初始化軟件和應用軟件初始化兩部分。

系統初始化軟件所做的工作就是配置CPU和外圍硬件，使整個智能化電工儀表能夠正常工作，配置內容如下：

1）配置CPU；

2）設置存儲空間；

3）中斷配置；

4）A／D器件初始化；

5）串口初始化；

6）CAN接口初始化。

應用軟件初始化是對應用軟件運行環境進行初始化，配置應用軟件運行所需要的參數。

2.2.2 A／D采樣軟件模塊

A／D采樣軟件是通過控制A／D器件從而實現將模擬量轉換成數字量并讀入軟件程序中來的軟件功能模塊。

智能化電工儀表的A／D采樣軟件使用等待模式設計，軟件流程設計如圖3所示。

2.2.3 計算軟件模塊

計算軟件是智能化電工儀表軟件的中心部分。計算軟件根據智能化電工儀表的功能分為交流電工參數計算軟件部分和直流電工參數計算軟件部分。

1）交流電工參數計算軟件

對交流電工參數的計算包括交流電壓、交流電流、有功功率和頻率。因輸入被測信號是正弦波形，必須對一個或多個周期內的正弦波進行多點采樣，然后通過一定的算法計算出相應的交流電工參數。交流電工參數計算軟件使用FFT算法對交流電壓、電流和相位進行計算。頻率計算采取過零點的計算方法［10～11］。

2）直流電工參數計算軟件

直流電工參數的計算包括直流電壓和直流電流。被測量和測量值之間存在線性關系，通過一定的線性運算即可計算出被測直流電壓和直流電流。

2.2.4 通信軟件模塊

通信軟件是基于CAN網絡的，其功能是從CAN網絡上獲取數據來進行顯示或將采樣到的數據通過CAN網絡發送到其他設備。

2.2.5 顯示軟件模塊

顯示軟件的功能是將采集到的數據進行顯示或顯示從CAN網絡接收到的數據。設計思想是將準備顯示的數據轉換成自定義的標準格式，然后通過串口協議發送到顯示面板上。在顯示面板上的顯示接收程序接收到數據后，按預定義的標準格式進行顯示。

圖3 A／D采樣軟件流程圖

3 結語

設計的智能化電工儀表，克服了現有潛艇電力參數測量儀表功能單一、測量顯示效率低和非智能化等應用上的不足，非常適合電力系統集中監控應用場合，可實現多電力參數集中顯示，具備CAN總線通訊接口，為上層信息平臺提供實時電力參數信息。

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