工作费时费力，远远不能适应战时对装备维修工作的要求。本文旨在设计出能多通道测量旋转变压器、自整角机信号的检测仪器，以提高装备维修工作的效率。
【关键词】旋转变压器；自整角机；软件设计；A/D转换；嵌入式系统
1.引言
舰船航向、纵摇、横摇、航速、航程等姿态信息的传递通常采用自整角机、旋转变压器来实现。信息的发送与接收是否正常，直接影响到舰船的战斗力与生命力。这种机电发送接收装置结构一般较为复杂，姿态等信息的发送路数多，内部机械结构复杂，且各发送机之间互相关联。目前，此类收发装置的调整与维修系多采用示波器观察输入与发送端的波形来判断接收与发送机的电气位置，既不准确又不直观，并且无法同时观察各发送端的输出。由于维修手段的落后，维修工作费时费力，远远不能适应战时对装备维修工作的要求。
综上所述，研制专用的能多通道测量旋转变压器、自整角机信号的多功能检测设备对提高装备维修工作的效率具有重要意义。
2.总体设计方案
该方案由4个高精度角度模拟量/数字量（A/D）转换模块（分别负责对不同种类的旋转变压器和自整角机信号进行选择）、主控CPU板、通道选择矩阵、工作方式选择、电压选择和人机接口和显示模块等组成。其工作流程为主控CPU板根据面板输入设定进行功能选择、控制通道选择矩阵进行通道扫描，然后控制转换模块进行A/D转换。当A/D转换完成后，主控CPU板将得到的二进制轴角数据与相应权值组合后得到高精度的角度位置信息。最后将得到的各通道角度位置信息在本机显示出来，同时也可通过各种接口发往其它设备进一步分析利用。整个多功能检测仪结构原理如图1所示。
考虑到系统开发时间短、可靠性要求高、操作要求简单方便的特点，系统中的CPU模块、数字I/O卡选用基于PC/104总线的嵌入式专用工控模块。显示屏采用工业级高亮度液晶屏。取消了传统的键盘接口方式，采用触摸屏获取输入信息。电源模块选用工业级专用模块提供+5V电源。系统中的±15V通过对+5V电源进行DC-DC变换后得到。
3.技术设计方案
3.1嵌入式计算机
该方案采用嵌入式控制计算机设计，根据本系统的控制要求，脱离通用开发平台，嵌入到系统内部并根据系统要求由专用处理器、存贮器、控制部件、计时器、I/O接口和总线组成。嵌入式系统由硬件、软件组成的专用控制系统，以硬件为平台、以软件为核心实现系统所需的控制功能。
可靠性要求高是嵌入式系统的一个很重要的指标。为了满足系统可靠性要求，采用小型化和高可靠性的元器件。系统的设计采用模块化的插件结构，可实现以简单的硬件支持高速数据传输和处理；采用插针方式接触可靠，特别是在对可靠性要求较高的恶劣环境中，插针整个包在插座里，与外界环境隔离，更能抵御恶劣环境的影响。
为了确保系统有效控制，对嵌入式控制计算机设计了测试监测功能。采用了测试支持电路，如采集、在线监控等；在软件上采用周期任务调度，可以实现系统控制操作和测试输出调试。系统中采用的CPU模块系专门针对小体积嵌入式应用开发，具有很高的性价比。
3.2数字I/O卡
数字I/O卡在系统中完成的主要功能是根据CPU模块发出的指令控制通道选择模块和电压选择模块对信号的电压、类型及通道进行选择，并且对A/D转换模块进行控制和读取数据。
系统中共有两块I/O卡。系统中0#卡负责控制通道选择模块，其地址设定为210H；1#卡负责对A/D转换模块进行控制并读取A/D转换模块的数据，其地址设定为330H。
3.3A/D转换模块
A/D转换模块是系统的核心模块。系统的主要功能在该模块中完成。该模块的设计思想是通过数字I/O卡和系统总线完成数据交换。该模块需要完成的主要功能：①对旋转变压器信号进行模数转换、②对自整角机信号进行模数转换、③信号电压3档可选。
旋转变压器与自整角机都是测角元件。它们的工作原理从本质来看大致相同，不论是自整角机还是旋转变压器，它们的输出最终都可以用正余旋变压器的二相电压表示，轴角θ的信息就包含在θ的正弦和余弦调幅信号中，为了求得θ值，必须对V1和V2进行处理。目前的处理方法有相位移转换器、谐波振荡转换器、跟踪式转换器等。处理方法虽然多，但综合性能最优，应用最广的方法首推跟踪反馈法。由于跟踪反馈法的优点，本卡选用了七一六所研制的按照该原理工作的14XSZ、14ZSZ02系列旋转变压器—数字转换器。整个电路由象限选择器和译码器、函数发生器（数字正、余弦乘法器）、减法电路、相敏整流器、模拟积分器、压控振荡器（电压/频率变换器）、可逆计数器以及输出寄存器等组成。
3.4通道选择模块
由于来自姿态转发箱的信号电压的动态范围较大，难以用模拟电子开关进行直接切换。用模拟电子开关切换存在的主要缺点是由于信号电压的幅值较大，普通模拟器件容易饱和。若选用大动态范围的器件，如固态继电器、PMOS FET等，却存在较大的固定压降，造成旋转变压器或自整角机的输出在零值附近存在较大误差，甚至导致后级的A/D转换模块无法正常工作。如果选用普通继电器切换，又会导致整机尺寸过大，影响仪器的便携性。经过大量的反复试验分析，最终确定采用数字I/O模块控制超小型继电器矩阵对旋转变压器或自整角机输出的信号电压进行切换，切换周期根据需要设置5档可选。
4.系统软件设计
根据硬件环境的选定和计算机的性能要求，以便于开发、维护、测试为原则，确定系统相应的软件开发方案。由于系统要求具有一定的实时控制能力，选用C++语言和VC++集成开发环境为程序开发语言和开发环境，采用面向数据流分析和设计的方法对软件进行开发。采用多线程技术增加软件的实时性和多任务处理能力。
模块化是系统软件编码的前导，它确定系统由哪些模块组成和模块之间的相互关系以及模块独立的功能和输入输出数据的规格，使模块不会产生混乱。系统程序设计首先进行总体结构设计，然后再进行详细设计。在详细设计阶段确定每个模块的具体处理过程。模块化可以减少目标系统实现方案的复杂性，有利于提高开发效率；程序的错误通常出现在模块内部和接口部分，模块化使得软件易于测试和调试，有利于可靠性的提高；而信息的局部化同时有助于信息隐蔽，有利于提高软件的可维护性。
根据需求分析得到的数据流图为出发点，把数据流图中的处理逻辑地进行组合，映射为不同的程序结构，就可以得到不同模块划分的程序控制实现方案。根据模块分割原则，按功能对模块进行划分，先确定初始化处理、通讯处理、数据格式转换、定时中断、导航仪命令处理等中心控制模块，再由控制模块指示从属模块，逐次进行细化，把各个功能层次具体化。
系统由初始化处理模块、定时中断模块、通讯处理模块、数据格式转换、人机界面模块等五大部分组成。初始化模块在执行时间上先于其他模块执行，而其他四个模块工作于系统正常控制状态，各自完成独立的功能，之间的信息交换只采用少量的数据耦合，相互之间为并行关系，正常运行时构成一个多任务系统。
随着元件的集成量大大增加，从而使嵌入式设备的硬件性能得到了极大的提高；与此同时，面对系统复杂性的增加，需要功能强大、性能稳定的应用软件与之相适应。由于软件的代码量越来越大，系统应用又要求精简高效、稳定可靠，软件的开发在整个系统开发中所占的时间较长，软件的设计对系统的最终性能起到了决定性的作用。
由于嵌入式控制模块工作的环境恶劣，电磁干扰严重。控制计算机在这样的环境里面临着巨大的考验。系统能否正常运行、达到设计指标要求，其抗干扰能力是一个关键的因素。本系统中采用的的软件抗干扰技术有：软件陷阱、指令冗余、软件WATCHDOG等，其作用是在系统受干扰时能及时发现、再用软件的方法使系统复位。
计算机的抗干扰性能根本在硬件结构，软件抗干扰只是一个补充。首先要尽可能的完善硬件的设计，不轻易降低标准。而软件的设计时处处考虑到硬件可能的失效，可能受到的干扰等种种问题，在保证实时性和控制功能的前提下，尽力提高系统的抗干扰性能。设计时考虑得很细致，努力赋予软件高度的智能。把硬件和软件有机的结合起来，才能经得起长期恶劣环境的考验。
5.结束语
该设计能够对旋转变压器、自整角机信号进行多通道测量，从而提高装备维修效率、降低保障难度、适应战时需要，具有显著的军事效益和推广应用前景。
参考文献
[1]徐大林，陈建华.自整角机旋转变压器数字变换技术及发展.测控技术，2005，（24）
[2]吴红星，洪俊杰，李立毅.基于旋转变压器的电动机转子位置检测研究.微电机，2008，（41）
[3]刘君华.虚拟仪器编程语言.电子工业出版社，2008.01
[4]徐大林，廖良闯，高文政，黄庆安.双通道多极旋转变压器-数字转换器的设计与实现.微特电机，2010（01）
作者简介
陈猛（1982年8月--）男，山东省济宁市、2005年毕业于山东理工大学电子信息工程专业、本科。现供职中国人民解放军第4806工厂军械修理厂，现从事特装装备保障工作。