某型船载航行记录仪故障分析与处理

罗银波

摘 要：首先对船载航行数据记录仪进行了概述，分析了某型记录仪舵角反馈信号采集部分的组成和工作原理，介绍了一起舵角反馈电压采集精度出现抖动的故障现象，并对故障原因进行了深入详细的分析，得出故障是由舵角反馈线路存在低频纹波抖动干扰引起的，针对故障原因给出了两种解决方案并进行了验证，成功排除了故障。通过对这起故障的分析和排除，可对解决类似故障起到一定的借鉴作用。

关键词：舵角采集；故障分析；船载航行数据记录仪

中图分类号：U665 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）29-0140-02

Abstract： Firstly， the navigation data recorder on board is summarized， the composition and working principle of the rudder angle feedback signal acquisition part of a certain type of recorder are analyzed， and the fault phenomenon that the precision of rudder angle feedback voltage acquisition appears jitter is introduced. The fault is caused by the low frequency ripple jitter of the rudder angle feedback circuit. Two solutions for the fault are given and verified， and the fault is successfully eliminated. Through the analysis and elimination of the fault， it can be used for reference to solve the similar fault.

Keywords： rudder angle acquisition； fault analysis； shipborne navigation data recorder

1 概述

船載航行数据记录仪（Voyage Data Recorder缩写VDR），俗称船用黑匣子，是专门用于记录船舶航行数据的设备，当船舶发生事故时，该数据在分析事故时起到不可替代的作用，为了船舶在发生海上事故后查明原因，从中吸取教训，采取针对性防范措施[1]。船载航行数据记录仪可实时记录保存驾驶室的声音，船舶位置和动态、操舵指令和舵角等数据。方向对船舶航行的重要性不言而喻，其中舵角是至关重要的参数之一，因此实时记录船舶反馈舵角数据是记录仪最重要的功能之一，尤其在操舵仪本身发生故障，无法直接获取反馈舵角信号时，记录仪能够自行完成信号采集和存储，某型船载航行数据记录仪在对其反馈舵角信号采集精度检测出现了抖动的故障现象。

2 记录仪的组成及原理

在集中控制操舵仪内，记录仪主要功能为通过双CAN总线接收设备内各模块的数字信息（如航向、指令舵角、实际反馈舵角及航向工作方式等信号），按1次/秒将上述信息存储于记录仪内CF卡中。当集中控制操舵仪出现特殊情况，双CAN总线全部瘫痪，无法获取实际反馈舵角当数字信号时，记录仪则利用自身的ADT650模块，自行完成舵角反馈电压的采集，并实时将舵角信息存储于CF中。

记录仪舵角反馈电压采集原理如图1所示，其中LX3160（带CF卡）为主机板，2块A3CSD负责双CAN总线通讯，ADT650为反馈舵角电压信号采集板，SCXX5284为电动操舵信号I/O采集板，SCXX5326为电源模块（PCL104模块采用DC5V电源）。应急舵角指示表经R2和R3可调电阻校正后，调理板的189f点的电压大致在12V左右，而舵角反馈机构跟随舵实际动作，带动189c点的电压在4V～20V来回变化，这样189c和189f之间的差分电压为-8V～8V，记录仪通过采集上述差分电压，进行电压至舵角换算后，可获取实际舵角反馈信号，以备应急记录之需。

3 故障现象

为了确保记录仪记录的实际反馈舵角的准确性，在记录仪出厂交付前，需对记录仪的舵角反馈电压采集精度进行检测。在一次成品检验过程中，发现记录仪内部ADT650模块的舵角反馈电压采集精度出现抖动（要求万用表测量值与记录仪采样显示值的偏差不超过0.01V），偏差值偶尔超出0.01V，最大偏差可达0.2V左右，不满足使用要求。

4 故障分析与排查

通过对记录仪工作原理分析，反馈电压采样稳定性不佳的原因可能如下：（1）记录仪内ADT650模块本身故障。因该记录仪已交付使用多船套，均未出现此现象，因此怀疑个别ADT650模块存在质量问题。联系模块供应商，通过返厂对ADT650模块重新检测和更换新模块等多次尝试，故障现象依然存在，说明ADT650模块本身不存在质量问题。（2）配试设备给出的反馈舵角信号不稳定，经实际测量，配试设备功能正常，给出反馈舵角信号稳定。（3）舵角反馈线路由配试设备后经过集控仪设备多个骨架，线路上的信号可能被干扰有纹波，ADT650模块抗干扰设计不足。经过多次尝试，将连接记录仪插头上跨接电阻R由100KΩ更换成10MΩ后，经过1小时通电试验，ADT650模块采样稳定，未再出现抖动现象，精度满足要求。（4）虽然通过加大跨接电阻阻值，故障现象得到了消除，但需要确定跨接电阻R由100KΩ更换成10MΩ是否可以解决问题，消除故障隐患。我们认为，增大跨接电阻的方案，并未找到干扰源，没有从根本上消除故障产生的原因。通过对跨接10MΩ电阻方案进行反复论证分析，并搭建相应环境进行模拟验证，得出以下两点推论：a.电压采集通路上可能存在干扰信号，若在纯净无干扰环境下，电压采集精度应该不会出现抖动。b.加大跨接电阻，仅能对特定干扰有一定抑制作用，不能从根本上解决问题。

为了验证推论的正确性，找到故障发生的机理，消除隐患，我们对电路进行了进一步检测，经示波器测量，舵角反馈信号存在低频纹波抖动干扰，证明反馈线路上确实存在干扰信号，对记录仪和反馈电压信号来源的原理进行分析，记录仪内SCXX5326电源模块的输入端DC24V电源和输出端DC5V相互隔离，ADT650模块正常工作使用DC5V电源，而舵角反馈电压来源于电源模块SCXX5326输入端同一源头的DC24V电源分压信号，两种电源地（负端）不连通，此时舵角反馈线路相当于一个开环高内阻的电偶极子天线，若DC24V电源有波动或受到干扰，经舵角反馈线路会引入ADT650模块，最终造成采样精度不稳定。

通过综合分析，要消除两种电源地不连通隐患，抑制干扰，有两种方案可行。方案一：在连接记录仪插头上的反馈舵角信号上跨接100uF电容（图1记录仪舵角反馈电压采集原理图中的189c和189 f之间），隔离舵角反馈信号线路上的低频纹波抖动干扰。方案二：如图2所示，对记录仪内SCXX5326电源模块改进设计。在SCXX5326电源模块的DC24V的负端和DC5V的负端跨接1个100uF电容，使两种电源地（负端）为交流等电位，舵角反馈线路变成一个闭环低内阻的磁偶极子天线，此时DC24V电源若再出现波动或受到干扰，由舵角反馈线路带入的干扰经闭环通路流入电源负端被吸收，干扰能被迅速衰减。

通过对比，若需要采集多路舵角反馈信号时，每一路舵角反馈信号线路都需跨接电容，方案二更简便，只需电源模块上的一个跨接电容，便于集成。因此这里更倾向于选择方案二，跨接电容后，经过长时间（12小时）通电测试，未出现超过0.01V的偏差，实际测得最大偏差仅为0.005V。为了进一步验证跨接电容方案的正确性和可靠性，对DC24V电源人为施加干扰，与跨接10MΩ电阻方案对比发现，10MΩ电阻电压采样出现不稳定，偏差超出要求范围，加到无穷大，抖动依然存在，说明出现大的干扰时，加大跨接电阻不能完全解决问题，但跨接电容方案的采样精度不受干扰影响，说明增加跨接电容方案可以从根本上消除干扰源，排除故障。

通过协商，电源模块供应商对SCXX5326电源模块进行改进，在其输入DC24V电源负端和输出DC5V电源负端跨接1个100uF电容。

5 結束语

本次故障的发生具有偶然性，已出厂交付的多船套记录仪检验时均未出现此故障，虽然该故障不会影响设备正常使用，但该故障对记录仪作用的发挥是有影响的，记录的数据不准确就失去了实际意义。因此对该故障应当举一反三，对已交付使用的记录仪择机更换内部的SCXX5326电源模块。从故障分析和排查过程看，本文中的第一次故障排除采用增大跨接电阻的方式虽然能够消除故障，并没有从根本上解决问题，所以当干扰较大时，故障又出现了。因此，故障的排除必须清楚故障发生的机理，才能从根本上消除故障隐患。

参考文献：

[1]邓英，蔡德金.浅析船用航行数据记录仪（VDR）[J].科技风，2011（16）：7-8.