某训练评估系统数据采集电路设计与实现.pdf

2023.7 下 EPEM 115 电力创新Power Innovation某训练评估系统数据采集电路设计与实现海军士官学校 吴吉伟 徐先勇 汪峥嵘 代 振摘要：本文针对某训练评估系统的功能需求，对操作过程信息采集和评估、故障现象设置的方法和实现途径进行了深入的研究，设计数据采集电路并且进行样机试验，解决单控开关、互锁开关、多档选择开关等操作功能实现与数据采集。在设计时，采用硬件软件分离设计思路，通过CAN总线控制模块设计并开发了模拟器现场控制的通用控制硬件产品，包括各种开关单元和故障设置等部分；采用CAN总线控制器配套程序实现现场硬件的操作响应、故障设置控制；通过记录各个开关的响应状态，实现了考核评估功能的实现。关键词：现场控制；维修训练；信息采集；故障现象设置在进行装备训练评估系统设计时为了实现故障现象显示、故障排除、训练信息记录等维修训练功能；实现操作步骤记录等操作训练功能；实现考核信息的记录、统计、分析，考核结果的评判等考核评估功能1。其中，现场控制是研制过程中的重要内容，要解决的两个重要问题：一是操作过程信息采集和评估，二是故障现象设置。本文主要以某一典型设备为研究对象，设计现场控制线路，主要包括以下几方面内容。一是操控部件总体设计。为了提高响应的速度，计划将所有台位的硬件集中到一台计算机中去控制，采用分布式 CAN 总线结构完成设计。对于指示灯、开关等操控部件通过采用半成品进行加工设计来实现所需要的记录和控制功能。在设计时尽量采用技术相对成熟的成品元器件。采用成品，直接通过USB 口与计算机相连，直接对操作程序或者操作步骤进行控制。同时在后台利用软件记录鼠标点击关键点的时间、时机等信息。二是指示灯控制线路设计。主要实现两个功能，一是装备正常时的状态响应，二是装备故障时的状态响应，以及两者之间的差别。三是触点开关控制线路设计。主要解决两个问题一是故障时没有正确信号输出的问题，另一个是误操作的排除设计。四是常开或者常闭触点开关控制线路设计。主要解决常开或者常闭触点信息采集方法等问题。1 系统硬件设计与实现1.1 硬件总体设计思路在进行硬件总体设计时，充分考虑到软件的编程难度和系统稳定性，以硬件和软件分离控制与硬件独立控制相结合方式，采用分布式微机系统，将各个台位分立开来、独立运行，通过网络互通互联，硬件的大部分控制由硬件独立完成（硬件独立控制指的是在硬件内部通过组合搭载不同元器件以及设计控制电路板实现），软件的响应大部分也有软件完成，只有软硬件交互时采用软件来控制硬件。硬件总体设计如图1所示。图1 硬件总体结构示意图在设计过程中，硬件台位之间通过教控台的网络交换机进行信息交互，这部分交互的信息主要包116 EPEM 2023.7 下电力创新Power Innovation括：台位的状态、输出的操控信息，等等。各台位之间的硬件通过 CAN 总线连接到教控台，主要交互的信息是每个台位的操控信息，用于记录操作手的动作；教控台通过 CAN 总线发送信息控制 UPS控制状态面板，以及发出故障代码信息控制故障的发生和解除。1.2 可编程触摸键盘等硬件设计与实现采用高仿元器件实现外形结构和功能模拟。数字小键盘在设计时尽量采用技术相对成熟的成品元器件。数字小键盘采用外购成品，直接通过 USB 口与计算机相连。1.3 各种开关和灯的控制实现方法1.3.1单独灯的控制和常闭触点开关控制电路图如图2所示。图2 单独控制灯和常闭触点开关工作原理图单独控制灯。使用场合：在进行工作状态指示，特别是远距离状态监控反馈时使用，在综合反潜指挥仪模拟器中，主要用在现实接口机柜中的 UPS 电源显示状态等，位于操控面板右上角。工作原理：上位机通过发送代码控制第7路的开关状态来达到对状态响应的控制。平时是断开状态。当设备上电时，所有输出断开，指示灯灭。此时灯的控制由软件执行，比如当条件满足时，状态指示红灯亮。当需要故障设置时，通过上位机发送代码，使第7路输出断开，红灯灭。从而达到设置故障的目的。如果为了使故障的过程不被打断或者无论前面操作手的操作是否正确，都不能使红灯点亮，可以在控制电路中加入1路控制，电路图如图3所示。图3 加入故障设置电路图通过控制 K9-1，达到控制灯亮的目的。通过控制 K7-2来实现控制灯灭的过程。常闭触点。使用场合：UPS 控制面板上的电源开关，用来控制 UPS 电源的启动。工作原理：在硬件总体设计时已经将开关和所控开关分开控制，所以二者之间除了电源是共享的，状态之间没有必然联系。都是通过硬件编程解决的，通过 CAN 总线模块检测输入开关的状态来控制继电器输出状态响应。一是平时状态。当常闭自锁开关处于平时状态时，CAN 总线模块检测开关状态，开关没有动作，灯的状态保持不变（无论所控灯是亮的还是灭的）；二是开关动作。当常闭自锁开关按下弹起时，CAN总线模块检测到开关状态从闭合到断开，开始响应，第1路输出断开，灯灭；三是故障设置。当需要进行故障设置时，可以通过发送代码断开 K6-2来控制灯灭，通过控制 K8-1闭合来使 K1-1开关失去作用，灯亮，达到设置故障的目的。（后续所有的故障设置基本类似）；四是操作过程记录。无论常闭触点如何动作都会给上位机发送一个信息，可以通过串口来进行检测数据信息，判断开关的输入状态变化。1.3.2常开触点的电路设计常开触点电路设计在原则上遵循硬件电路设计原理，将开关和所控灯以及其他带电部件分开控制。主要包括：电源开关电路、灯1开关电路、灯2按钮电路、灯3按钮电路、灯4按钮电路。电路图如图4所示。图4 常开触点电路设计一是使用场合及特点。常开开关的特点是按下就弹起，同时状态有响应，灯亮、电路接通。再次按下弹起，状态有响应，灯灭、电路断开。二是逻辑控制电路。根据以上特点，在进行电路设计时采2023.7 下 EPEM 117 电力创新Power Innovation用了继电器输出中的状态翻转功能。三是工作原理。平时状态：开关不按下，电源不启动，电源灯灭；电源启动：开关按下弹起，电源启动，电源灯点亮；电源关闭：开关按下弹起，电源断开，电源灯灭；故障设置：设置的故障现象是当按下电源开关时，电源灯不亮、电源不启动。设置方法时在进行操作之前发送故障代码让 K6-2断开，然后无论如何操作都不能使电源工作指示灯点亮。1.3.3互锁开关电路设计与实现一是使用场合和特点。互锁开关，主要是用来选择工作方式，三者互斥，使用的是三联互锁开关。其主要特点是本按键会对另外两个开关所控部件产生影响。二是双联互锁电路。工作原理：双联互锁开关由于在默认状态有输出，在设计时有两种方法实现，一种是硬件控制，一种是软件控制。硬件控制是指用启动按键来控制默认状态的灯亮。三是三联互锁电路。使用场合和特点：基本特点与双联互锁电路一致，主要区别在于三联互锁电路中，某一个按键对另外的两个受控灯起到控制作用。这里的三联互锁电路并没有在物理上进行互锁，不是收音机钢琴按键，只是三个并列的按键，在信息和状态响应上互锁。工作原理：初始启动，开机默认方式是1，第1路输出闭合，工作在1方式，指示灯1点亮。1.3.4多档选择开关、乒乓开关设计多档选择开关电路。一是主要功能特点：每一个档位都有输出，一般有一个空档，有控制灯的，有只发送信息的，发送信息的方法和考核评估记录类似，当上位机接收到开关动作代码，就会控制软件系统进行相应的响应。二是电路工作原理：当SA1闭合时，L1点亮，其他灯都不亮；SA2闭合时，L2点亮，L1灭，其他灯都不亮；SA3闭合时，L3点亮，L1、L2灯灭；SA4闭合时，L4点亮，其他灯都灭。电路原理如图5所示。电路工作过程。平时状态，多档开关位于 SA1，空档位置或者初始位置。不发出信息或者灯不亮。当开关顺时针或者逆时针转动时，接通其他开关，每一个开关都控制其他几路开关所控制的部件，同时本身所控状态指示灯点亮，其他所控状态灯灭。一是乒乓开关。主要用途：用作在两个位置之间切换的，一般只有两个档位，偶尔能有三个档位的。工作原理：当处于一个位置时，所控灯点亮，当处于另一个位置时，第一个灯灭，第二个灯或者所控部件状态改变。开关工作过程平时处于5路输入闭合位置时或者空档位置时，是电路初始状态，没有响应。当从空转到6，或者5转到6档位置时，第6路输出闭合，电路图中 L6点亮。从空转到5，或者6转到5档位置时，第5路输出闭合，电路图中 L5点亮。图5 多档选择开关、乒乓开关电路图2 总结与展望本系统既可模拟实装的操作使用，也可模拟各种故障现象并进行维修训练。采用硬件软件分离设计思路，通过 CAN 总线控制模块设计并开发了模拟器现场控制的通用控制硬件产品，包括各种开关单元和故障设置等部分。系统设计的优点主要包括：可无限制的增加节点，便于进行系统控制；Can 总线内容交互通讯，不依赖于计算机网络，减少计算机编程数量和调试工作量，便于进行分布式工控系统设计和实现。参考文献1 崔海燕,基于 DALI 协议的智能照明模拟器的设计与实现 J.现代计算机,2016,10.2李姗,袁远.网络编码 P2P 流媒体模拟器的设计与实现 J.微型电脑应用,2016,7.3 杨静宜,崔建弘,等.基于 DSP 技术和目标模拟器的自主导航播种机设计 J.农机化研究,2016,7.4 郑蕊,杨贵福,等.浅淡项目教学与仿真模拟器在计算机网络教学中的应用J.电脑与电信,2016,6.5 刘海波,王红 艳,等.基于 TMS320LF2407A 的CAN 总线数据采集系统 J.仪表技术与传感器,2014,1.