综合显控箱电路设计与技术验证*

方航 向宇 严涛

（中国船舶集团有限公司第七一〇研究所 宜昌 443004）

1 引言

某型装备工程研制过程中需要设计一台集成显示与控制功能一体的电子设备（以下简称为综合显控箱）作为全系统的指控设备，要求具备状态指示及人机交互、配电控制、通讯管理、开关信号采样、控制信号输出等功能。本文以综合显控箱的电气设计为例，从设计与制造需求分析、总体功能分解与子功能硬件实现、具体电路设计及实物样机技术状态验证等角度出发阐述产品从无到有、从上至下的开发流程和方法，希望对产品开发设计师有一定的入门启发作用。

2 设计需求分析

产品开发之前，首先应多角度调研市场，充分收集信息、汇总并整理产品需求，编制需求分析报告。综合显控箱的设计与制造需求涵盖了结构、电气、软件及“六性要求［1］”等方面，本文着重从电气角度对设备的需求进行归纳总结，将总体功能进行分解并开展工程设计。首先将设备内部视作黑匣子，从对外接口关系角度对综合显控箱的总体功能进行量化明确，绘制设备的输入输出信号流向如图1所示。

图1 综合显控箱输入输出关系

根据设备的输入输出关系框图，左侧为输入信号包含1路交流220V电源用于对设备供电、内部电源分配及电压等级变换，3路千兆网络［2］及1路USB口用于与外部设备进行通讯。右侧为输出信号包含6路交流220V电源用于分别对外部6个设备A1-A6供电，6路CAN通讯信号用于分别与外部6个设备A1-A6进行CAN通讯［3～4］，6路动作信号为综合显控箱向外部6个设备A1-A6分别输出的+28V直流电压信号，6路+28V指示电源为外部6个设备A1-A6分别向综合显控箱输出的+28V反馈电源、用于对各自的+28V工作电源信号进行状态指示，2路+28V电源信号用于向外部设备A7-A8输出的工作电源，2路RS422信号用于综合显控箱与外部设备A7-A8进行RS422串口通讯。

3 功能分解与实现

厘清设备的输入输出信号后，设计任务的重点方向就是运用什么电路架构将输入转化成要求的输出。根据设备的输入输出关系，对总体功能进行分解得出如下四个子功能单元，具体的电路设计［5］主要围绕以下子功能单元进行模块化设计，内部电路框图如图2所示。

图2 综合显控箱内部电路框图

1）通讯与显控模块。实现3路千兆网络通讯、6路CAN通讯、2路RS422通讯、1路USB通讯，数据显示及人机交互。

2）电源模块。实现1路交流220V转6路交流220V电源输出、交流220V转直流+28V电源、2路直流+28V电源输出。

3）控制模块。实现6路+28V电压的动作信号经相关开关按键控制后输出。

4）采样模块。实现对综合显控箱面板开关按键及工作电源等信号进行采样，接收外部设备A1-A6反馈输入的+28V指示电源并控制指示灯显示。

4 电路设计与硬件实现

4.1 通讯模块设计

实现通讯功能要求综合显控箱至少具备3路千兆网口、6路CAN通讯接口、2路RS422串口及1路USB接口，为了降低电路设计复杂度，应尽量选择同时具备上述通讯接口的控制模块。

根据对控制模块的调研选型，确定本次设计采用定制款综合一体机（型号为RFC-150DTJ-HS）作为控制中心，该模块自带丰富的控制接口（含3路千兆网络口、2路CAN通讯接口、2路RS422/485串口、4路USB接口及6路高电平采样接口）和触摸显示屏，可以运行自主开发的上位机软件以实现人机交互。由于设备需要通过6路CAN通讯接口与外界6个设备A1-A6分别进行CAN通讯，现有的综合一体机的CAN通讯接口不足，因此还需要通过1个CANHub模块（型号为CANHub-AS8）进行CAN接口扩展，该模块具备8路CAN通讯接口，通过其中2路与综合一体机进行双冗余数据交互，另外的6路可满足与外界设备通讯的要求。通讯模块电路框图如图3所示。

图3 通讯模块电路框图

4.2 电源模块设计

多路电源输出功能要求设备能将输入的1路交流220V经电源滤波器Z1、断路器QF1及系统加断电开关S1控制后分线成6路交流220V电源输出，将内部的交流220V电压通过AC/DC电源模块G1转换成直流+28V电压，为本设备内部供电、其中2路直流+28V电源对外部设备输出，主要属于配电控制方面的内容。根据环境适应性及功耗要求对关键电子元器件选型，电源滤波器型号为JNF211B10/05、断路器型号为IC65N2PC10A、系统加断电开关型号为KAN04-1-2T-B-GF220、AC/DC电源模块型号为4NIC-Q168，确定多路电源输出模块的电路框图如图4所示。

图4 电源模块电路框图

4.3 控制模块设计

动作信号输出功能要求设备通过相关开关控制后能对外统一输出6路+28V信号，综合显控箱工作方式分为自动方式和独立方式、通过自动/人工切换开关（常闭）SB8（型号为KAN31-3B2-GF28）进行工作方式选择，断开（默认状态）为自动方式、接通后转入人工方式。自动方式下电源模块输出的DC28V信号需接通钥匙开关SA1（型号为A165K-T2M-2）和自动/人工切换开关才能对外输出。独立方式下首先应断开自动/人工切换开关，电源模块输出的DC28V信号需接通钥匙开关和动作开关SB7（型号为KAN31B-3B2-RF28）才能对外输出。动作信号输出模块电路框图如图5所示。

图5 控制模块电路框图

4.4 采样模块设计

开关信号采样及状态反馈功能分为采样和状态反馈两部分，采样包括对钥匙开关接通高电平采样、动作开关接通高电平采样、动作信号输出高电平采样、自动/人工切换开关接通高电平采样及箱体内部+28V直流工作电源高电平采样，通过综合一体机I/O口进行采样处理并在界面软件上虚拟显示。外部设备A1-A6在输入综合显控箱给定的交流220V电源后在内部降压转化为+28V工作电源，状态反馈主要由外部设备A1-A6向综合显控箱输入+28V电源，用于控制6路指示灯（型号为KAN31-0H1-GF28）进行显示，以指示外部设备A1-A6的+28V工作电源正常工作。该模块的电路框图如图6、7所示。

图6 开关信号采样电路框图

图7 状态反馈电路框图

4.5 设备总体电路框图设计

综合上述各子功能模块的电路框图设计，兼顾内部模块供电和箱体内部散热处理［6］设计，得出整机详细的电路框图如图8所示，进一步根据Cadance［7］软件及电路图绘制规则可得到产品详细的电气图纸［8～9］。

图8 综合显控箱总体详细电路框图

5 技术验证

综合显控箱的整机三维Pro/E模型如图9所示，根据电路框图开展了具体的电路原理图及接线图设计，并同时开展了结构和电气试制加工调试。对设备进行电气接线关系及绝缘性检查确认通过后，开始对设备搭建测试平台并通电开展技术验证，验证结果如表1所示。

图9 综合显控箱三维模型

表1 综合显控箱技术验证结果

续表

6 结语

根据对综合显控箱实物样机开展功能/性能测试分析，各项测试结果均满足设计任务需求，综合显控箱设计满足功能及性能指标等要求。本设计案例从设计与制造需求分析、总体功能分解与硬件实现、具体电路设计及实物样机技术状态验证等角度出发阐述了产品从无到有、从上至下的开发流程和方法，对产品电气方面的开发工作有一定的参考意义。