СОВРЕМЕННЫЕ ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ПРИБОРЫ КУРСОУКАЗАНИЯ. АНАЛОГОВЫЙ РЕПИТЕР
, ,
МГУ им. адм. , г. Владивосток
Развитие современного мира накладывает новые требования к устройствам индикации информации об управляемом объекте. Устройство должно представлять систематизированные данные об управляемом объекте в удобном для восприятии виде, для уменьшения времени реакции на внешние воздействия. Простота обслуживания и надежность должны обеспечивать непрерывную работу в течение долго времени, а компактность устройства – возможность размещения в помещениях с ограниченным рабочим местом оператора.
Все эти требования подталкивают разработчиков к созданию новых, более современных, более надежных и удобных устройств.
В данной статье речь пойдет об аналоговых репитерах для компасов с цифровым выходом NMEA стандарта 0183. Стандарт NMEA является общепринятым для морского навигационного оборудования, и создание аналогового репитера, обрабатывающего данные, получаемые по данному стандарту, позволит применять его для большинства компасов эксплуатирующихся на морском транспорте.
Классический аналоговый репитер состоит из двигателя с закрепленными на его валу двумя шкалами, грубого и точного отсчета. Логическая схема анализируя поступающую информацию и вырабатывает управляющие сигналы для силовой схемы управления двигателем.
Первой проблемой, перед которой сталкиваются разработчики, является выбор двигателя. Он должен быть компактным, надежным и удовлетворять требованиям по точности, создаваемому моменту и скорости вращения. В прошлом в качестве двигателя использовались сельсины, так как другие аналоги не имели необходимых параметров ввиду технологического прогресса, либо имели слишком большую стоимость. Но они имели ряд недостатков, таких как большие габариты, большую мощность потребления, большой уровень шума при работе и обеспечивали точность отображения курса, при классической компоновке, на уровне 0,1º. Современные технологии позволяют применить шаговый двигатель. Он обладает меньшими габаритами, меньшей мощностью потребления, очень низким уровнем шума и более высокой точности отображения информации (на уровне 0,01º).
Второй проблемой является создание схем управления. На прошлом технологическом уровне создание как логических, так и силовых схем было возможным только с использованием большого числа аналоговых элементов, что негативно влияло как на технические данных устройства, так и на экономические. Большое количество элементов резко снижает общую отказоустойчивость, и усложняют процесс технического обслуживания и ремонта. Современные технологии интеграции предоставляют инженерам большой выбор многофункциональных микросхем с высокой отказоустойчивостью и низкой стоимостью. Все эти факторы предоставляют разработчикам многофункциональный и гибкий инструмент для создания сложных, но в тоже время компактных и надежных систем.
В системе должны быть предусмотрены инструменты по выявлению возможных неисправностью и либо корректировки устройства с учетом новых данных, либо индикации состояния. Каждый разработчик выбирает сам, какие методы использовать для создания обратных связей в устройстве.
Все вышеперечисленные проблемы должны учитываться на всех этапах разработки для получения на выходе современного и надежного устройства.
Для наглядности рассмотрим современную разработку аналогового репитера R38A. Краткая техническая информация о приборе R38A:
· Питание 10 – 32 В
· Потребляемая мощность не более 7 Вт
· Входной сигнал RS422
· Скорость отработки 20 градусов в секунду
· Светодиодная подсветка шкал
· Диаметр шкалы 138 мм
· Размер корпуса 200 х 170 х 60 мм
· Вес не более 2 кг
· Степень защиты IP67*
*Пылевлагозащищенность:
- пыль полностью
- временное погружение(до 1 метра)
Полная защита от прикосновения к токоведущим частям.
Внешний вид прибора показан на Рисунке 1.
Рис. 1. Внешний вид прибора
За прототип устройства был выбран классический аналоговый репитер с двумя шкалами отсчета. Данная схема компоновки является оптимальной с точки зрения удобности восприятия информации оператором.
В качестве двигателя был выбран шаговый двигатель с количеством шагов 200 на оборот. Вкупе с применением драйверов шагового двигателя с функцией микрошага, удалось добиться точности показаний на уровне 0,01º. Еще одним плюсом применения драйверов стала организация всей силовой схемы управления шаговым двигателем в одной микросхеме. Логическая схема управления реализована на микропроцессоре 51 семейства фирмы Silicon Laboratories серии F410. Обратная связь шкал реализована с помощью применения оптопар и маркеров, смонтированных непосредственно на самих шкалах. Остальная необходимая периферия, кнопки задания режимов работы, вход NMEA, питание логических схем реализована на зарекомендовавших себя схемотехнических решениях. Благодаря выбранным методам электронная составляющая устройства получилась простой, компактной, недорогой, простой в обслуживании и с большим рабочим ресурсом.
Что касается программой части устройства, то тут были реализованы дополнительные функции. Такие как:
· мультиплексирование функций управления степенью подсветкой и сбросом прибора на одной кнопке, расположенной на лицевой панели
· автоматическое детектирование проскальзывания двигателя
· автоматическое устранение проскальзывания при небольших значениях расхождения
· ручное выставление нуля устройства с последующим запоминанием величины смещения
Для удобного считывания информации в темное время суток в устройстве предусмотрена светодиодная подсветка шкал. Степень свечения регулируется нажатием на кнопку расположенную на лицевой панели устройства. Также на этой кнопке реализована функция ручного сброса устройства при удержании кнопки в нажатом положении более 3 секунд.
В программном обеспечении устройства реализованы алгоритмы скоростного управления шаговым двигателем. Это необходимо потому, что при увеличении скорости вращения шагового двигателя вращающий момент создаваемый на валу падает. И при резком изменении направления вращения вал, с закрепленной на нем шкале вращения, может под действием инерции провернуться, и тогда появится расхождение показаний прибора и реальных данных. Для этого в программном обеспечении был реализованы алгоритмы расчета торможения и ускорения. Так же на показания обратной связи основаны алгоритмы выявления проскальзывания и устранение ошибок показания прибора при небольших величинах ошибки. Если механическую часть заклинило, то это также будет выявлено программой и подана соответствующая световая сигнализация.
Для простоты монтажа и ремонта был реализован метод ручной юстировки. Он заключается в переходе устройства в режим «юстировки» посредством нажатия кнопки режима на плате управления и последующем ручном выставлении нуля устройства посредством нажатия соответствующих кнопок. Эта возможность позволяет избежать необходимости в точном выставлении оптопар и маркеров, и упрощает режим технического обслуживания устройства.
В заключение следует отметить, что тенденции развития устройств навигации диктуют новые условия. Если сравнивать модели прошлого технического этапа и сегодняшнего, то явно наблюдается тенденция к внедрению схем и алгоритмов самодиагностики, усложнение программной части и упрощению аппаратной. Все это направлено на создание более совершенных устройств с удобным восприятием информации, высоким ресурсом работы и высоким уровнем отказоустойчивости.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ЕМКОСТИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
, ,
МГУ им. адм. , г Владивосток
Устройство для измерения остаточной емкости аккумуляторных батарей предназначено для испытания на остаточную емкость 10-часовым режимом разряда свинцовых аккумуляторных батарей номинальной емкостью 50…200 А. ч в соответствии с п.4.3.3 ГОСТ 959-91 «Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные напряжением 12 В для автотракторной и мотоциклетной техники. ОТУ», «Инструкцией по эксплуатации ЖУИЦ. 563410.001 ИЭ – Батареи аккумуляторные стартерные емкостью выше 50 А. ч» и щелочных аккумуляторных батарей емкостью 50….200 А. ч согласно ТУ 16-90 ИЛВЕ.563330.001 ТУ взамен ГОСТ 9240-79 “Аккумуляторы и батареи. Аккумуляторные щелочные никель-кадмиевые с ламельными электродами”.
Устройство является автономным переносным прибором, выполненным в металлическом корпусе. Все органы управления, отображения информации, клеммы для подключения аккумуляторных батарей, разъемы температурных датчиков и разъем RS232 расположены на передней панели прибора, внешний вид которой приведен на рисунке 1.
Рис. 1
В комплект прибора входят калиброванные кабеля для подключения аккумуляторных батарей, измерительные кабеля и внешние датчики температуры. Длина всех кабелей 2 метра. К клеммам “+”, “-“ подключаются аккумуляторные батареи, на батареи также устанавливаются датчики температуры и с помощью штекерных разъемов подсоединяются к прибору. С помощью пленочной клавиатуры на дисплее производится выбор типа батареи по номинальной емкости и микроконтроллер вычисляет и производит установку регулятора тока. В дальнейшем работа прибора происходит автоматически. Постоянно измеряется и корректируется ток разряда. Мощность, выделяемая аккумуляторами при разряде, рассеивается в виде тепла на встроенных нагрузочных сопротивлениях. Отвод тепла от них обеспечивается принудительной вентиляцией. Регулирование тока разряда выполнено на мощных биполярных транзисторах, работающих в линейном режиме. На них же происходит выделение части тепловой мощности. Конструкция прибора показана на рисунке 2.
Рис. 2
При работе устройство производит запись данных в энергонезависимую память через каждые 0.05 часа и производит сравнение напряжения с минимальным 10.2В (10В для щелочных аккумуляторов), если измеренное напряжение меньше или равно, то завершается цикл разряда. В процессе разряда постоянно контролируется температура батареи. При завершении цикла разряда контроллер вычисляет фактическую емкость аккумулятора:
Сф = Т * I
где Сф – фактическая емкость аккумулятора в ампер-часах
Т – время цикла разряда в часах
I –ток разряда в амперах
среднюю температуру:
tср =(to + t1 +…+ tn) x n
где t ср – средняя температура
t – измеренная температура
n – количество измеренных температур
и емкость аккумулятора с поправкой на температуру:
Ct = Cф / (1+0.01 * (t ср – 30))
При работе с щелочными батареями, ток разряда (для десятичасового режима разряда) вычисляется по формуле:
I = Cн * 0.1;
Фактическая емкость батареи вычисляется по формуле:
Сф = I * T,
где I – ток разряда при 10 часовом режиме разряда
Т - время разряда в часах.
При завершении цикла разряда для щелочных аккумуляторов прибор вычисляет аналогично фактическую емкость батареи:
Сф = Т * I;
среднюю температуру
tср =(to + t1 +…+ tn) x n
вывод о пригодности аккумуляторной батареи делается на основании данных из ТУ 16-90 ИЛВЕ.563330.001 в соответствии со средней температурой и вычисленной фактической емкостью.
Все данные записываются в энергонезависимую память (EEPROM). Счет времени цикла производится с помощью схемы (RTC) – часы реального времени. После завершения всех циклов разряда батарей можно произвести сброс всей информации на персональный компьютер через последовательный порт RS232 и произвести распечатку протокола испытания. В протоколе испытания по щелочным аккумуляторам указывается батарея, которая разрядилась первой.
Технические характеристики устройства:
- Количество подключаемых батарей (свинцовых) 2 шт.
(щелочных) 4 шт.
- Количество измерений без сброса информации 128
- Диапазон номинальных емкостей Сн испытываемых
аккумуляторных батарей, А. ч* 50…200
- Номинальное напряжение испытываемых
аккумуляторных батарей, В 12
- Номинальный ток разряда, А (свинцовых) 0.1 С10
(щелочных) 0.1 С
- Точность поддержания заданной величины тока, % 0.5
- Напряжение на выводах батареи (кислотные) в момент
окончания разряда, В 10.2+-0.05
- Напряжение на выводах батареи (щелочные) в момент
окончания разряда, В 10.0+-0.05
- Точность измерения емкости, % 2
- Точность измерения температуры, град. 0.5
- Интервал измерения параметров, час. 0.05
- Габаритные размеры, мм
ширина 570
длина 330
высота 200
- Масса, кг 8
*Примечание: С10 – номинальная емкость (ампер-часы) аккумуляторной батареи при 10 часовом режиме разряда. В соответствии инструкцией по эксплуатации ЖУИЦ. 563410.001 ИЭ – Батареи аккумуляторные стартерные емкостью выше 30 А. ч
