专利名称：舰船机电设备通用测试分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及测量仪器仪表，特别是针对舰船机电设备的便携式测试分析和故障诊断仪。
背景技术：
大量的高新技术在舰船装备中的应用，使舰船装备趋于系统化、复杂化，同时也改变了原来舰船装备的故障模式和维修规律。因此，探索现代舰船装备的故障规律和维修策略是舰船维修管理的主要内容。故障的规律在于发现，因而对舰船运行状态实施有效监测诊断已成为新的维修体制下一项不可或缺的工作内容。大量的高新技术在装备中的应用使得舰船装备的技术层次越来越高，监测和维修的广度和深度均有所增加，要求维修手段愈来愈先进，那些功能单一、通用性差的传统仪器设备已不能为舰船监测诊断和维修保障提供行之有效的技术服务，这就迫切要求开发适合于现代装备监测诊断的新型仪器设备，以适应装备技术的发展。
在我国现有舰船虽然已部分经采用了微机集中测量，但总的说来仍存在如下缺点1、所测参数不全。选用的传感器种类不多，许多重要参数(如缸内压力、高压油管压力等)无法测量。2、不便于集中管理。有些参量仍须现场测量，不能引入集控室。3、所选用的微机性能不高，不能对结果进行进一步的处理。人机交互界面不佳，使用不便。4、不能进行通用测试。另外，舰船所用主、付机型号十分分散，一种型号的测试装置不能用于另一种型号的主付机。5、一旦监控系统出现问题，舰员无法迅速检测知道故障究竟出现在传感器及连线部分还是监控微机部分，不利于迅速恢复监测功能。
现代舰船监测诊断除需要监测控制系统进行实时监测外，还需用许多仪器设备，如万用表、示波器、压力测试仪、振动测试仪、频谱分析仪等。然而，由于这些仪器功能单一，适应性差，导致仪器购置乱而杂，重复购置现象严重，资金耗费大，更有甚者，每次检测时都需肩扛车拉一大堆仪器，这给靠前保障维修和监测诊断带来了很多的不便。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种以便携式加固型工控计算机为硬件平台，将信号采集电路板、信号处理电路板、电量信号处理电路板插在计算机扩展槽里，采用虚拟仪器设计技术，融数字示波器、频谱分析仪、压力测试仪、振动测试仪、数字转速表、数字温度计、数字流量计、数字频率计、信号发生器、数字万用表等十种通用和专用测试仪器于一体而构成一种多功能虚拟信号测试分析仪。以方便移动检测舰船运行参数并能实现只需配置不同传感器即可对不同机型和参数进行监测，而且，一旦船上监控系统有故障，还可用此仪器代替进行部分重要功能的监测和故障分析诊断。1总体组成1.1硬件部分1.1.1传感器整个仪表所能测试的传感器主要包括以下一些(1).缸内压力传感器运用此传感器可对由柴油机缸内压力波形进行测试并能显示其示功图，所测数据以便于对柴油机燃烧过程进行分析处理。
(2).高压油管压力传感器柴油机燃油系统中高压油管里的油压波形含有大量的有用信号，可用此高压油管压力传感器进行测试，其传感器的类型有两种一种是采用三通方式将传感器并接在高压油管中，对其油压波进行测试分析，另一种是采用无拆卸夹持式传感器对油压波形进行测试分析。本测试仪均可采用这两种类型传感器进行测试。
(3).转速传感器转速信号主要包括一般通用转速和增压器高转速信号，本仪器针对舰船上大量运用的磁电式转速传感器来测试转速信号，同时也可对采用磁电式方式进行转速测试的增压器转速进行测试。
(4).热电偶传感器柴油机排温以及许多高温的测量都采用热电偶传感器，本测试仪可对其热电偶传感器及其温度高低进行温度测试。
(5).热电阻传感器一般中低温度(如油温、水温)等的测量采用热电阻传感器。本测试仪可对热电阻传感器及其温度进行测试。
(6).振动传感器本测试仪可对振动加速度传感器、振动速度传感器、振动位移传感器及其振动信号进行测试。
(7).电压型变送器本测试仪可对电压型压力变送器输出信号进行测试。
(8).电流型变送器本测试仪可对电流型压力变送器输出信号进行测试。
(9).流量传感器本测试仪可对流量传感器及其流量信号进行测试。1.1.2信号处理电路信号处理电路主要完成对一些传感器等弱信号的放大、处理、变换。
信号处理电路由第一、二、三程控开关，方波及谱分析第一、二通道处理电路，电压信号处理电路，电流信号处理电路，频率信号处理电路，增压器高转速信号处理电路，小电压信号处理电路，转速信号处理电路，热电阻信号处理电路，热电偶信号处理电路，热敏电阻信号处理电路，软件信号输出处理电路，硬件信号输出处理电路等组成，详见图1。
程控开关由软件对其进行控制，以切换测试各种输入信号；示波及谱分析处理电路对输入信号放大处理后进行示波或谱分析；电压信号处理电路对凡是以电压量进行输入的信号进行预处理放大；电荷信号处理电路对凡是以电荷量进行输入的信号进行放大、滤波等处理；电流信号处理电路对凡是以电流量进行输入的信号进行放大、滤波等处理；频率信号处理电路对凡是以频率量进行输入的信号进行放大、滤波等处理；小电压信号处理电路主要是针对用数字万用表测试小于50V的小电压信号时，而专门进行放大处理；转速信号处理电路主要针对用磁电式转速传感器测试转速信号时，进行放大、整形、变换处理；热电阻信号处理电路，主要针对测试温度所用的热电阻传感器信号进行放大处理；热电偶信号处理电路，主要针对测试温度所用的热电偶传感器信号进行放大处理；热敏电阻信号处理电路，主要针对测试温度所用的热敏电阻传感器信号进行放大处理，本仪器用热敏电阻传感器(装在机器内)测试环境温度并对冷端温度进行补偿；软件DA输出信号处理电路，完成对由软件产生的信号发生器信号进行输出处理。硬件DA输出信号处理电路，完成对由硬件产生的信号发生器信号进行输出处理。以上整个信号处理电路集成于信号处理电路板中。1.1.3电量调理电路电量调理电路，主要完成对一些大电压、电流及电阻、电容、二极管、短路等电信号的放大、变换、处理。详见图2。
电量调理电路，由电阻信号测量电路、电容信号测量处理电路、二极管信号处理电路、短路测试及报警电路、交直流大电压测量处理电路、交直流电流测量处理电路等几部分组成，见图2。
电阻信号测量电路，功能是对所要测试的电阻量信号进行变换放大处理，使之转换成电压量信号输出到数据采集板进行采集处理；电容信号测量电路，功能是对所要测试电容量信号进行变换、放大和处理；二极管信号测量电路，功能是对所要测试二极管信号进行变换、放大和处理；短路测试及报警电路，功能是对短路信号进行处理，并产生声音和灯光报警信号；交直流大电压测量处理电路，功能是对需要测试的交流或直流大电压信号进行变换处理；交直流电流测量处理电路，功能是对需要测试的交流或直流电流信号进行变换处理。
以上整个信号处理电路，集成于电量调理电路板中。1.1.4信号采集电路信号采集电路主要完成对信号进行模数转换或数模转换的功能。信号采集电路由多路程控开关、采样保持器、A/D转换器、锁存器、缓冲器、程控时钟信号发生器、译码控制装置、地址译码器等部分组成，详见图3。整个硬件电路集成在数据采集板上。
由前面信号处理电路输出的被测信号送到多路程控开关进行通道切换，再经程控放大器放大后送到采样保持器对放大后的信号进行采样，在采样后保持该电平并送到模/数变换器变换为数字信号，再将变换后的数字信号送到锁存器，经缓冲器送往计算机PC总线，以便由计算机对该数字信号进行分析。程控时钟信号发生器，包括晶体振荡器及分频装置，可产生控制模/数变换器工作的脉冲，在该脉冲控制下同时进行采样和变换，程控时钟信号发生器与第四锁存器相连，控制程控时钟信号发生器的频率信号由计算机总线经缓冲器送至第四锁存器，然后，再送往程控时钟发生器，以控制其输出所要的信号频率。
与内部总线相连的第二锁存器能将来自计算机的控制信号送往程控多路转换开关，对其输入信号通道进行切换控制。与内部总线相连的第三锁存器能将来自计算机的控制信号送往程控放大器，分别对其所选的放大信号倍数进行控制，其放大倍数可设定为1，2，4，8倍。地址译码器的作用是当从计算机来的地址正确时，由地址译码器输出信号分别控制缓冲器及译码控制装置使其工作，译码装置通过译码后分别控制四个锁存器进行工作。1.1.4计算机系统计算机系统主要由便携式工控计算机，附加鼠标和触摸屏、键盘、软驱、外接光驱接口、外接打印机等几部分组成。
便携式工控机主要性能(1).CPUPentium II333(2).硬盘3.2G(3).液晶屏10.4”TFT真彩显示屏(4).内存32M(5).电源160W(6).软驱3.5”(7).扩展容量4槽(7).RS232串口2个(8).PS/2接口1个(10).并口1个(11).光驱接口1个(12).外接显示器接口；1个(13).触摸屏电阻式(14).环境温度0℃-55℃(15).环境湿度0-95％
(16).冲击＜8G(17).振动＜4G(10-100Hz)＜2.75G(100-200Hz)＜2G(200-600Hz)因为本机型属便携式加固型工控计算机，所以其系统的三个基本部分主机、显示器、键盘不是通过外围电缆互相连接的三个独立部分，而是在出厂时就已经通过内部电缆连接好，并封装一个整体。
为便于使用者操作方便，尤其是在舰船上进行操作计算机时，用鼠标操作不很方便，在本测试仪中专门加装有触摸屏装置。触摸屏提供了与电脑直接沟通的管道，避免了令人望之怯步的传统式键盘和鼠标操作，这个优点是一般滑鼠及数位板所无法取代的。使用者只需在电脑屏幕上指指点点即可操纵整个测试仪器使用。1.1.5信号接口设置本通用测试仪信号接口共有8个。(1)CH1接口该接口主要完成以下信号输入a.示波及频谱分析第一通道信号输入b.压力、振动等电荷信号输入c.电压、电流型压力变送器信号输入d.涡轮式流量计信号输入e.增压器转速信号输入f.频率弱信号输入
g.小于50V电压信号万用表测试输入(2)CH2接口该接口主要完成以下信号输入a.示波及频谱分析第二通道信号输入b.磁电式转速信号输入c.热电阻信号接入d.热电偶信号接入e.频率强信号输入(3)CH3接口该接口完成DA第一路信号输出。(4)CH4接口该接口完成DA第二路信号输出。(5)CH5接口该接口完成以下信号输入a.电阻b.电容c.二极管d.短路测试(6)CH6与CH7接口该接口完成交流和直流大电压信号接入。(7)CH8与CH7接口该接口完成交流和直流电流信号接入。1.2软件部分本软件由用户层与硬件驱动底层两个层构成，其中硬件驱动底层软件由VC++与VTOOLSD For Windows98开发工具包编写；用户应用层由自定义控件与用户界面、应用程序构成。自定义控件主要参考美国NI公司提供的虚拟仪器软件平台LabView与LabWindows/CVI所提供的控件，用C++Building重新改写；用户界面主要用VisualBasic语言编写；应用程序的众多公共函数(VC++编写)放置在自定义动态数据连接库MyDLL中。当然，由于提供了许多的数据分析函数，因此，如信号处理函数、滤波器设计、线性代数、概率与数理统计、曲线拟合等这些函数都可以直接调用。
本实用新型能满足舰船机电设备快捷方便地维修及进行监测和故障诊断的需要，它以功能强大的便携式加固型工控机为核心，采用先进的虚拟仪器设计技术，构成一种多功能信号测试分析仪。该分析仪具备对舰船上常用电量、状态量和运动量，以及主机、副机热力性能参数进行检测、示波和谱分析，并可将所检测的数据和波形，以数据格式和文件形式进行存取。其主要特点如下1、以计算机作为仪器统一的硬件平台，融十种通用和专用测试仪器于一体。
2、充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来并融为一体，并可充分享用计算机智能资源。
3、整机性能价格比优于传统硬件仪器。
4、界面设计友好，可操作简单、携带方便，通用性和扩充性强。
5、所测数据和波形可以进行存取，并提供Office接口，所测数据可在Excel中进行显示制表处理，并可用Word进行文字处理说明。
6、采用虚拟仪器设计技术，其核心是“软件即仪器”。仪器功能的增减可根据用户需要自行设定并由软件完成，灵活性强。设计成本远远低于购买多台不同功能的传统仪器，也低于购买多种功能的传统仪器。
7、具有较强的兼容性。只需将硬件电路板和相应软件装在台式计算机中，即可将此计算机变成一台通用测试仪器。
8、采用触摸屏，使现场操作更快捷、方便。
图1为信号处理电路板方框图；图2为电量调理电路板方框图；图3为数据采集电路板方框图；图4为软件组成方框图；图5为电量调理电路板中电阻信号处理电路电路图；图6为信号处理电路板中流量信号处理电路电路图；图7为整机组成框图；图8为数据采集电路板译码电路图。图中1-多路程控开关，2-程控放大器，3-采样保持器，4-模数转换器，5-第一锁存器，6-缓冲器，7-计算机总线，8-计算机CPU，9-地址译码器，10-译码控制器，11-第四锁存器，12-第三锁存器，13-第二锁存器，14-程控时钟信号发生器。
实施方式以下分别以电量调理电路板中电阻测量处理电路和信号处理电路板中被测物理量转速信号处理电路为例说明测试过程。图5、图6中所公开的处理电路以及其余未予公开的处理电路均在现有技术中已有记载，电路详情述略，仅就与本实用新型相关联部分加以说明。
图5是一个由运算放大器和基准电压源组成的基准电压源式测量电阻的电路。
其工作原理如下由图5可知UO=-R5R1Ui+R2+RxR3Ui·R5R4---(20)]]>当被测电阻Rx被导线短接时，令UO＝0，这时UO=-R5R1Uj+R2R3Uj·R5R4=0]]>即R4R1=R2R3---(21)]]>取R1＝R2＝R3＝R4＝R0时，式(21)也成立，所以式(20)变为UO=R5UjR02Rx---(22)]]>当取式(22)中的R5UjR02=1]]>时，式(22)变为UO＝Rx(23)从式(23)可以看出将电对UO送入测试仪中就可达到测量电阻Rx的目的。
如果想提高测量电阻的精度，应注意如下几个问题(1)图5中的所有运算放大器均选用高增益、低漂移、低噪声的运算放大器；(2)基准电压源选用高稳定性的；(3)电阻R1、R2、R3、R4均选用稳定性高的电阻，如RX70系列。图6是流量测量电路图。
流量传感器的输入流量Q与其输出信号的频率f成正比，即f＝K1Q (12)式中K1——常数。
从式(12)中知道，只要对流量传感器的输出信号的频率f进行精确的测量，就可达到测量流量的目的。
从图6所示的电路图可知，首先把流量传感器的输出信号送入脉冲整形电路中，A点产生高电平电压为UVD1-UVD2(UVD1为稳压管VD1的稳压值；UVD2为二极管VD2的导通压降，一般UVD2=0.7V]]>)。因为在C点为低电平时，二极管VD2截止，这时A点的电压为RIi(Ii为运算放大器N2的输入偏置电流，可认为Ii≈0)，所以在A点产生的低电压为RIi≈0。
这样在B点也得到了高电平电压为(UVD2=UVD2]]>)V、低电平为0V的方波信号。将此方波信号经过频率—电压转换器后，并且经过滤波、然后送入测试仪中，就可显示出流量。
CPU为了对I/O端口进行读写操作，就需确定与自己交换信息的端口(寄存器)，这就需要通过I/O地址译码电路把来自地址总线上的地址代码翻译成为所需要访问的端口(寄存器)。
本测试仪采用固定式端口地址译码，且需要采用多端口地址，因此，在设计上使用74LS138设计系统板上接口芯片的I/O端口地址译码电路。
采用74LS138译码器，可设计PC机系统板上的端口地址译码电路，如图8所示。图中地址线的高5位参加译码，其A5-A7经译码器，分别产生DMACS(8237)、INTRCS(8259)、T/CCS(8253)、PPICS(8255A)的片选信号，而地址线的低5位A0-A4作芯片内部寄存器的访问地址。
在图3所示框图中，信号处理电路板、电量调理电路板各处理电路的选通控制端上接有多路程控开关，多路程控开关信号控制端与锁存器之一的第二锁存器的输出端相连；前述各处理电路的输出端经多路程控开关、程控放大器、采样保持器而与A/D模数转换器的输入端相连，A/D模数转换器的输出端经锁存器之一的第一锁存器及缓冲器与计算机总线相连；缓冲器同时与第二锁存器、第三锁存器、第四锁存器的数据口相连；第一锁存器至第四锁存器的选通控制端口与译码控制装置的信号输出口相连，译码控制装置的地址数据口与计算机总线相连；程控时钟信号的控制端口与锁存器之一的第四锁存器的输出口相连，程控时钟信号的输出口与A/D模数转换器的时钟控制端口相连；第三锁存器的输出口与程控放大器的放大倍数控制端口相连。
权利要求1.一种舰船机电设备通用测试分析仪，由传感器、信号处理电路板、电量调理电路板、数据采集板、计算机及软件等组成，电量调理电路板包括电容信号测量处理电路、电阻信号测量处理电路、二极管信号处理电路、短路测试处理电路、交直流大电压测量处理电路、交直流电流测量处理电路，信号处理电路板包括多个被测物理量处理电路，其特征是信号处理电路板、电量调理电路板各处理电路的选通控制端上接有多路程控开关，多路程控开关信号控制端与锁存器之一的第二锁存器的输出端相连；前述各处理电路的输出端经多路程控开关、程控放大器、采样保持器而与A/D模数转换器的输入端相连，A/D模数转换器的输出端经锁存器之一的第一锁存器及缓冲器与计算机总线相连；缓冲器同时与第二锁存器、第三锁存器、第四锁存器的数据口相连；第一锁存器至第四锁存器的选通控制端口与译码控制装置的信号输出口相连，译码控制装置的地址数据口与计算机总线相连；程控时钟信号的控制端口与锁存器之一的第四锁存器的输出口相连，程控时钟信号的输出口与A/D模数转换器的时钟控制端口相连；第三锁存器的输出口与程控放大器的放大倍数控制端口相连。
2.如权利要求1所说的舰船机电设备通用测试分析仪，其特征是所说的多路程控开关有四路，其中第一程控开关上挂接有示波及频谱分析仪(第一通道)、电压信号处理电路、电荷信号处理电路、电流信号处理电路、频率信号处理电路、增压器高转速信号处理电路、小电压信号处理电路；第二程控开关上挂接有示波及频谱分析仪(第二通道)、转速信号处理电路、热电阻信号处理电路、热电偶信号处理电路、热敏电阻信号处理电路；第三程控开关上挂接有软件输出信号处理电路、硬件输出信号处理电路；第四程控开关上挂接有电容信号测量处理电路、电阻信号测量处理电路、二极管信号处理电路、短路测试处理电路、交直流大电压测量处理电路、交直流电流测量处理电路。
3.如权利要求1所说的舰船机电设备通用测试分析仪，其特征是所说的信号处理电路板、电量调理电路板、数据采集板插入在加固型工控计算机扩展槽里；其信号输入接口二个，电量输入接口三个，信号输出接口二个。
专利摘要舰船机电设备通用测试分析仪，以便携工控计算机为硬件平台，将信号采集电路板、信号处理电路板、电量调理电路板插在计算机扩展槽里，通过特别设计的采集电路板将数字示波器、频谱分析仪、压力测试仪、振动测试仪、数字转速表、温度计、流量计、频率计、数字万用表等十种通用和专用测试仪器融于一体，并采用虚拟仪器设计技术把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，除具备一般计算机所具有的通用功能外，还具备对舰船上常用电量、状态量和运动量，以及主机、副机热力性能参数进行检测、示波和分析的功能。操作简单、携带方便，通用性和扩充性强，不仅适用于舰船机电设备的检测和维修，也适用于对普通民用机电设备的检测和维修。
文档编号G01D21/02GK2572346SQ0227949
公开日2003年9月10日 申请日期2002年10月9日 优先权日2002年10月9日
发明者刘敏林, 常汉宝, 宋志勇, 刘伯运, 梁卫华, 宋汉江 申请人:刘敏林, 常汉宝