艦載聲納發(fā)射機(jī)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盛成明

(702廠，上海 200434)

聲納發(fā)射機(jī)參數(shù)的測(cè)試對(duì)于主動(dòng)聲納的維修具有重要的意義，比較傳統(tǒng)的方法是用示波器、頻率計(jì)從每路等效負(fù)載上多次取出所需測(cè)試的信號(hào)，這樣對(duì)多路發(fā)射的系統(tǒng)中方法需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成測(cè)試，不利于應(yīng)急搶修。針對(duì)上述存在的問題，結(jié)合聲納發(fā)射機(jī)的特點(diǎn)，采用人工智能、計(jì)算機(jī)控制等多項(xiàng)技術(shù)，研制發(fā)射機(jī)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)是十分必要和急需的。這套系統(tǒng)的研制成功，能為聲納發(fā)射機(jī)參數(shù)測(cè)試提供一種便捷的手段，對(duì)高等級(jí)修理后的聲納發(fā)射機(jī)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估尤為實(shí)用。

1 設(shè)計(jì)需求分析

根據(jù)某型聲納發(fā)射機(jī)及相應(yīng)的換能器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了發(fā)射等效負(fù)載器，主要作為聲納發(fā)射機(jī)的主動(dòng)測(cè)距發(fā)射換能器的等效體，在維護(hù)使用時(shí)，可等效為聲納36路收發(fā)一體負(fù)載。在測(cè)試時(shí)，能從負(fù)載上取出所需測(cè)試的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的各通道功率、脈沖電壓峰峰值、載波頻率、調(diào)制脈沖寬度和周期等參數(shù)的測(cè)試，各種參數(shù)采用大屏幕液晶顯示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件由等效負(fù)載、開關(guān)陣列、測(cè)控單元和顯示組成。等效負(fù)載在裝備維護(hù)使用時(shí)，可等效某型聲納36路收發(fā)一體負(fù)載。開關(guān)陣列組合由單片機(jī)控制，可分別選擇不同通道進(jìn)入測(cè)量電路。測(cè)控單元完成測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、處理、計(jì)算、判斷、存儲(chǔ)和顯示，其核心部分是測(cè)控電路。

在硬件選型和設(shè)計(jì)上，盡量采用成熟的技術(shù)，從實(shí)用出發(fā)?？傮w框圖如圖1所示。

聲納發(fā)射機(jī)脈沖調(diào)制信號(hào)作為輸入信號(hào)，加到測(cè)試系統(tǒng)的等效負(fù)載上，使得聲納工作正常，信號(hào)從負(fù)載上取出。由于負(fù)載上的信號(hào)幅度很大，因此，首先要進(jìn)行電平變換，電平變換后加入開關(guān)陣列組合，開關(guān)陣列組合由單片機(jī)控制，分別選擇不同通道進(jìn)入測(cè)量電路，測(cè)量電路有峰值電壓采樣保持、脈沖整形和測(cè)量電路。為保持電路穩(wěn)定性，電路中采用了光電隔離，由于電壓信號(hào)變成了脈沖形式，所以，光電隔離不影響脈寬、頻率測(cè)量精度。

設(shè)備的控制測(cè)量主要由89C52單片機(jī)作為控制機(jī)，并將測(cè)量結(jié)果計(jì)算、判斷、存儲(chǔ)和顯示。

1)電平變換電路。

該電路主要完成當(dāng)某型聲納工作時(shí)，對(duì)從等效負(fù)載上取出的36路脈沖調(diào)制信號(hào)進(jìn)行電平變換。36路脈沖調(diào)制信號(hào)相同，設(shè)計(jì)中測(cè)量電路最大輸入電壓為10 V，由于負(fù)載上的信號(hào)幅度很大，信號(hào)峰值電壓最大可達(dá)450 V，因此，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度變換，裝備的等效負(fù)載為127 Ω/200 W。幅度變換后的信號(hào)輸出進(jìn)行信號(hào)變換。

2)脈沖調(diào)制信號(hào)峰值電壓測(cè)量。

峰值采樣電路輸入脈沖調(diào)制信號(hào)，經(jīng)分壓和半波檢波后，送至選用AD582的高精度采樣保持電路，比較器由1 MΩ和100 Ω電阻引入了少量的正反饋，以防止其輸出在臨界點(diǎn)的抖動(dòng)。采樣保持電路輸出數(shù)值為脈沖峰值，輸出到V/F模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，V/F模數(shù)轉(zhuǎn)換電路選用LM331精密電壓—頻率轉(zhuǎn)換器。

LM331精密電壓—頻率轉(zhuǎn)換器輸出是頻率與所加輸入電壓嚴(yán)格成正比的一串脈沖。LM331采用新的溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路，能在電源電壓低達(dá)4.0 V的情況下在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)提供極高精度。內(nèi)部有精密定時(shí)器電路，能達(dá)到100kHz轉(zhuǎn)換速度。其輸出能驅(qū)動(dòng)3個(gè)TTL負(fù)載或者輸出高達(dá)40 V的高電壓，同時(shí)有VCC的短路保護(hù)。

3)脈沖頻率測(cè)量。

脈沖頻率測(cè)量不同于連續(xù)波頻率測(cè)量，必須選擇在有效的脈沖周期內(nèi)完成測(cè)量。為測(cè)量準(zhǔn)確頻率周期，首先對(duì)脈沖調(diào)制信號(hào)進(jìn)行整形。為保證大小信號(hào)都能完整整形，輸入采用限流電阻，保證大信號(hào)不損壞放大管。由于載波頻率高，所以電路中光耦合電路選用高頻響應(yīng)器件6N137。

整形后波形輸出經(jīng)開關(guān)選擇器加到精密計(jì)數(shù)電路，為保證精度選用8254計(jì)數(shù)電路。

8254的工作方式設(shè)置為硬件觸發(fā)選通方式，選擇16位計(jì)數(shù)器。在觸發(fā)輸入信號(hào)的上升沿之后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。在任何觸發(fā)輸入信號(hào)的上升沿之后，計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)頻率10MHz，此信號(hào)由一組非門和10MHz晶振組成振蕩電路，加到8254時(shí)鐘輸入CLK端，計(jì)算獲得頻率。

4)脈沖寬度和脈沖周期測(cè)量。

調(diào)制脈沖信號(hào)經(jīng)緩沖，進(jìn)行包絡(luò)檢波，再經(jīng)整形，輸出到單片機(jī)P3.4腳，單片機(jī)采用中斷方式檢測(cè)P3.4腳電平變化時(shí)間，即可獲得脈沖寬度和脈沖周期。

5)電源。

電源采用集成一體化電源，性能穩(wěn)定，有過流保護(hù)。輸入220 V/50 Hz電源，可同時(shí)提供+5 V/4 A、+12 V/2.5 A、3路 ±15 V/0.2 A 電源，分別供測(cè)試電路數(shù)字部分、測(cè)試電路數(shù)字繼電器陣列部分及風(fēng)扇1、2、3，測(cè)試電路模擬部分、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，1路作為備用。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)上使測(cè)試系統(tǒng)本身具有自檢、測(cè)試和維護(hù)功能，能顯示測(cè)試結(jié)果和故障點(diǎn)，開機(jī)時(shí)畫面顯示使用說明，測(cè)試畫面有操作提示，具有良好的人機(jī)交互界面。軟件結(jié)構(gòu)有主程序、自檢程序、維護(hù)程序、測(cè)試程序 (見圖2)。

主程序提供系統(tǒng)的初始化及友好的操作界面，用于管理整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行測(cè)試任務(wù)。自檢程序用于檢測(cè)系統(tǒng)是否正常及在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)硬件和軟件進(jìn)行監(jiān)控。維護(hù)程序用于對(duì)第1通道至第36通道的測(cè)試。測(cè)試程序根據(jù)設(shè)定對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、判斷、存儲(chǔ)和顯示。

4 結(jié)語

聲納發(fā)射機(jī)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的成功開發(fā)，為發(fā)射機(jī)修理保障提供了一種有效的保障手段，解決了修理廠和部隊(duì)的使用急需，具有較好的軍事經(jīng)濟(jì)效益。雖然，參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)某型聲納發(fā)射機(jī)，但其技術(shù)實(shí)現(xiàn)不失一般性，可推廣應(yīng)用到其它型號(hào)聲納發(fā)射機(jī)參數(shù)測(cè)試。

［1］王玉泉.水聲設(shè)備［M］.哈爾濱:哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1993.

［2］李啟虎.數(shù)字式聲納設(shè)計(jì)原理［M］.安徽:安徽教育出版社，1990.

［3］雷伏容.51單片機(jī)常用模塊設(shè)計(jì)查詢手冊(cè) ［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［4］周明德.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理和應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.