拖曳線列陣故障分析測試系統(tǒng)技術(shù)研究

劉斌

（第七一五研究所，杭州，310023）

近幾年，拖曳線列陣聲吶得到比較好的發(fā)展。長線陣可增大拖曳線列陣聲吶的孔徑，提高探測能力。采用長線陣的另一個好處是可以進一步降低拖曳線列陣聲吶工作頻帶、減小聲傳播損失，而且可能檢測到100 Hz以下的潛艇低頻線譜，使聲吶的探測能力進一步提高[1]。隨著拖曳線列陣的長度不斷提高，系統(tǒng)愈發(fā)復(fù)雜，當拖曳線列陣電子系統(tǒng)出現(xiàn)多種故障耦合時，測試人員需要逐步定位故障問題點，花費較多的時間。本文基于拖曳線列陣電子系統(tǒng)的常見異常問題，提出了一種測試方法，能夠使拖曳線列陣在工作狀態(tài)下實時獲取狀態(tài)信息，幫助測試人員進行快速調(diào)試及故障定位。

1 拖曳線列陣拓撲結(jié)構(gòu)

基于數(shù)字信號傳輸?shù)耐弦肪€列陣，模數(shù)轉(zhuǎn)換在陣內(nèi)完成，因此需要將采集傳輸模塊放入陣段中。目前拖曳線列陣采集通路高達數(shù)百路之多，還包括各種姿態(tài)、深度等傳感器融合，具有非常大的數(shù)據(jù)量。常見的拖曳線列陣由一段段子陣組成，圖1所示為常見的子陣拓撲，由陣段連接器引入電源鏈路、數(shù)據(jù)鏈路及時鐘鏈路。子陣內(nèi)所有電子模塊的電源由電源鏈路提供，時鐘鏈路負責提供采集傳輸模塊的工作節(jié)拍，數(shù)據(jù)鏈路負責數(shù)據(jù)采集信號的傳輸。

圖1 拖曳線列陣子陣拓撲

子陣間通過連接器互聯(lián)（如圖2所示），將各子陣內(nèi)電源鏈路、時鐘鏈路、數(shù)據(jù)鏈路連接起來，從而形成滿足使用要求的長線陣。

圖2 子陣之間互聯(lián)

拖曳線列陣電源鏈路可以分為數(shù)字電源和模擬電源兩大組。數(shù)字電源服務(wù)于線陣內(nèi)的數(shù)字電路；模擬電源服務(wù)于線陣內(nèi)采集傳輸模塊模擬放大電路、前放模塊等。兩組電源互相隔離，從而避免數(shù)字電路噪聲經(jīng)電源鏈路傳播至模擬電路部分，降低噪聲污染。為了適應(yīng)拖曳線列陣數(shù)百米的長度，通常采用多組開關(guān)電源模塊為所有電子設(shè)備供電。開關(guān)電源模塊可以滿足拖曳線列陣的模擬電路部分性能設(shè)計要求[2]。

各采集傳輸模塊基于接收到的時鐘節(jié)拍完成同步采樣任務(wù)。采用RS485電平標準作為時鐘信號，收發(fā)芯片需具有充足的噪聲容限，保證傳輸穩(wěn)定[3]，對于數(shù)百米長的線陣可以通過一定的軟件延時補償滿足同步性要求[4]。常見的時鐘鏈路方案有級聯(lián)式、并聯(lián)式或混合連接。級聯(lián)式的時鐘信號質(zhì)量較好，但會帶來較高延時；并聯(lián)式的同步性會比較好，但由于多負載會造成各連接點時鐘信號質(zhì)量下降；電子系統(tǒng)的時鐘鏈路常采用混合連接方案，其包含了級聯(lián)式和并聯(lián)式，避免了較高延時，且同步時鐘信號質(zhì)量比較好。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩弦肪€列陣往往設(shè)計了冗余備份，因此每條子陣內(nèi)包含兩組數(shù)據(jù)鏈路。當兩組數(shù)據(jù)鏈路均工作正常時，線陣使用兩組傳輸數(shù)據(jù)，通過均衡算法保證每組鏈路承擔50%的總傳輸數(shù)據(jù)量。當其中一組鏈路出現(xiàn)異常時，線陣能夠自適應(yīng)調(diào)整，使用正常工作的鏈路完成所有數(shù)據(jù)傳輸，屏蔽異常鏈路。此設(shè)計可提高拖曳線列陣的傳輸可靠性。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)由接口模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、電源檢測模塊三部分組成，如圖3所示，以實現(xiàn)對子陣電源鏈路、信號鏈路的全面分析。

圖3 拖曳線列陣測試系統(tǒng)模塊架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)工作原理

測試系統(tǒng)主要功能包括：拖曳線列陣常規(guī)工作狀態(tài)下電子系統(tǒng)的電源鏈路分析、時鐘鏈路狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸鏈路狀態(tài)分析、采集傳輸模塊工作狀態(tài)分析等。測試系統(tǒng)各模塊工作原理如下。

● 接口模塊。該模塊提供多組子陣連接器接口，能夠插入到拖曳線列陣子陣連接器之間，從而將測試系統(tǒng)插入到拖曳線列陣之中（接口模塊架構(gòu)如圖4所示）。

圖4 接口模塊架構(gòu)

接口模塊將接入點后側(cè)鏈路與數(shù)據(jù)分析模塊建立連接，以便于數(shù)據(jù)分析模塊完成數(shù)據(jù)鏈路的檢測。接口模塊將插入點位置的電源鏈路與電源檢測模塊連接，以便于電源檢測模塊檢測接口處各電源的電壓、電流信息。另外，接口模塊根據(jù)接入的位置，模擬出等同于插入點至陣尾端之間采樣傳輸模塊的數(shù)據(jù)量，并保持相同的數(shù)據(jù)協(xié)議，與接入點至陣首部分的模塊協(xié)同工作，為拖曳線列陣提供與未插入測試系統(tǒng)前同等規(guī)模、相同協(xié)議、狀態(tài)一致的數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)健康狀態(tài)信息可以輔助判斷接入點位置至陣首部分的設(shè)備及鏈路狀態(tài)。

● 數(shù)據(jù)分析模塊。該模塊解析測試系統(tǒng)在拖曳線列陣接入點位置至陣尾部分的數(shù)據(jù)鏈路及模塊狀態(tài)信息，如圖5所示。除了上報數(shù)據(jù)鏈路及模塊狀態(tài)外，數(shù)據(jù)分析模塊同時將測試部分的采集數(shù)據(jù)重新整理，并通過兩組網(wǎng)絡(luò)接口按照兩種協(xié)議格式發(fā)送給外部設(shè)備（通常是PC機），由外部設(shè)備完成數(shù)據(jù)存儲，以便于后續(xù)分析。數(shù)據(jù)分析模塊能夠監(jiān)測數(shù)據(jù)鏈路異常、模塊狀態(tài)的異常和采集時鐘異常。

圖5 數(shù)據(jù)分析模塊架構(gòu)

● 電源檢測模塊。該模塊能夠?qū)崟r監(jiān)測接入處各電源的電壓、電流信息，如圖6所示。整個檢測過程不影響拖曳線列陣系統(tǒng)的所有電源供電，通過監(jiān)測系統(tǒng)運行過程中各位置的電源信息，能夠快速判斷整個拖曳線列陣系統(tǒng)的電源鏈路健康狀態(tài)。

圖6 電源檢測模塊架構(gòu)

當測試系統(tǒng)插入到拖曳線列陣中，各種轉(zhuǎn)接模塊配合對插入點前后端模塊的數(shù)據(jù)模擬，能夠在不干擾拖曳線列陣工作的情況下，實時獲取拖曳線列陣接入點位置的時鐘鏈路狀態(tài)、數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)、電源鏈路狀態(tài)、采集傳輸模塊工作狀態(tài)等信息，實現(xiàn)對拖曳線列陣多種狀態(tài)參數(shù)的實時統(tǒng)計。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

測試系統(tǒng)對每個接入點正常工作過程中的電源狀態(tài)、時鐘狀態(tài)、數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)、模塊工作狀態(tài)等信息進行檢測整合，從而完成整體性的分析。由于拖曳線列陣外部表現(xiàn)易受多種因素影響，因此需要按照一定的流程完成整體測試，測試系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

首先是電源鏈路分析，當電源電壓、電流值偏高時，需要盡快切斷電源保護陣內(nèi)各電子模塊；其次對時鐘狀態(tài)進行分析，采集傳輸模塊正常工作的前提是時鐘狀態(tài)正常；時鐘狀態(tài)異常會導(dǎo)致采集傳輸模塊工作節(jié)拍不一致，發(fā)送的數(shù)據(jù)包異常，因此當時鐘狀態(tài)異常時，跳過數(shù)據(jù)包統(tǒng)計測試；最后進行數(shù)據(jù)鏈路測試，當時鐘狀態(tài)正常時，進行數(shù)據(jù)包統(tǒng)計測試。數(shù)據(jù)包統(tǒng)計用于判定拖曳線列陣正常數(shù)據(jù)流帶寬下數(shù)據(jù)鏈路的狀態(tài)。此外，該測試對時鐘鏈路進行輔助檢查。

圖7 測試系統(tǒng)工作流程

當時鐘狀態(tài)異?；驍?shù)據(jù)包統(tǒng)計完成后，進行數(shù)據(jù)鏈路壓力測試。壓力測試前測試系統(tǒng)關(guān)閉拖曳線列陣時鐘鏈路的發(fā)送和接收，避免時鐘鏈路影響，此狀態(tài)下測試模塊產(chǎn)生高于拖曳線列陣正常數(shù)據(jù)流帶寬的數(shù)據(jù)量，判斷數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)。下文對各測試項進行詳細描述。

● 電源鏈路分析，判斷是否存在電源異常。當數(shù)字電源出現(xiàn)異常時，拖曳線列陣內(nèi)時鐘鏈路與數(shù)據(jù)鏈路將不能正常工作，則當前插入點測試結(jié)束。模擬電源出現(xiàn)異常時，會造成模擬信號輸入異常，時鐘鏈路和數(shù)據(jù)鏈路受影響概率極低。當模擬電源異常值未達到保護閾值、數(shù)字電源工作正常時可以繼續(xù)完成時鐘鏈路和數(shù)據(jù)鏈路的檢測。

電源鏈路檢測預(yù)期結(jié)果及對應(yīng)操作如下：

（1）任一電源電壓、電流值超過保護閾值，停止檢測并立即報警，切斷電源鏈路保護陣段；

（2）數(shù)字電源電壓值小于額定值，退出檢測并上報電源故障；

（3）電壓狀態(tài)正常、電流狀態(tài)正常，進入時鐘狀態(tài)分析環(huán)節(jié)。

● 時鐘狀態(tài)分析，采用固定窗口周期計數(shù)法進行初步的頻率測量。設(shè)定一個固定時長的窗口，采用高頻時鐘檢測上升沿，對被測時鐘上升沿作個數(shù)統(tǒng)計，從而計算出時鐘頻率。此方法會引入誤差，由于窗口寬度固定，無法保證窗口時間寬度與被測量時鐘周期為整數(shù)倍，因此對被測時鐘上升沿個數(shù)統(tǒng)計存在計量誤差，誤差值為±1個上升沿。將拖曳線列陣時鐘鏈路頻率正常工作閾值范圍進一步縮小，新的工作閾值范圍稱為限制性正常工作閾值，在此閾值下±1個上升沿誤差不會超出正常工作閾值。此方法優(yōu)勢在于測量時間是固定的，可以快速估計出被測時鐘的頻率范圍。

時鐘鏈路預(yù)期結(jié)果及操作如下：

（1）小于最低閾值，判定無時鐘，進入時鐘模塊狀態(tài)查詢環(huán)節(jié)；

（2）時鐘頻率不在限制性正常工作閾值范圍內(nèi)，精確統(tǒng)計時鐘頻率，上報異常；

（3）時鐘狀態(tài)正常，進入數(shù)據(jù)鏈路檢測環(huán)節(jié)。

當時鐘頻率超出限制性正常閾值后，需要精確統(tǒng)計時鐘頻率信息，以便于進一步定位故障。采用自適應(yīng)窗口寬度計量方式，如圖8所示，以消除±1的上升沿統(tǒng)計誤差。

利用一個已知的測試頻率為fs的測試信號，對頻率為f（f未知）的被測信號進行頻率測量，通過鑒相器獲得測試信號和被測信號的相位差。當測試信號與被測信號相位相同時，激活測試窗口T；當兩組信號下一次處于同相位時，結(jié)束測試窗口T。采用高頻脈沖統(tǒng)計測試信號與被測信號的上升沿個數(shù)，得到測試信號和被測信號在窗口內(nèi)的時鐘個數(shù)ts、t。測試窗口的起始位置與結(jié)束位置處測試信號相位相同，因此測試窗口寬度自適應(yīng)為測試信號fs與被測信號f的整周期倍，從而可以獲得準確的被測信號頻率：

圖8 自適應(yīng)窗口寬度計頻法

● 數(shù)據(jù)鏈路檢測，包含數(shù)據(jù)包統(tǒng)計及壓力測試。根據(jù)測試結(jié)果選擇是否對拖曳線列陣各模塊的數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)進行查詢，作為補充分析手段。

標準數(shù)據(jù)包格式如圖9所示。首先判斷正常工作時數(shù)據(jù)鏈路的狀態(tài)信息，對固定時間段內(nèi)所有數(shù)據(jù)包解析整理，統(tǒng)計所有數(shù)據(jù)包后判斷是否存在時序偏差及丟包：

（1）存在時序偏差，上報異常狀態(tài)，進入壓力測試環(huán)節(jié)；

（2）存在丟包，對所有模塊數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)查詢，上報異常狀態(tài)，跳過壓力測試環(huán)節(jié)；

（3）數(shù)據(jù)鏈路正常，進入壓力測試環(huán)節(jié)。

圖9 標準數(shù)據(jù)包格式圖

壓力測試用于進一步確認數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)。測試系統(tǒng)與拖曳線列陣鏈接完成后，關(guān)閉線列陣時鐘鏈路的發(fā)送與接收，停止采樣傳輸模塊的采集和數(shù)據(jù)包生成，由測試系統(tǒng)產(chǎn)生模擬數(shù)據(jù)包。模擬數(shù)據(jù)包發(fā)出后，經(jīng)兩組數(shù)據(jù)鏈路傳輸能夠由測試系統(tǒng)再次收回，統(tǒng)計分析模擬數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài)。

測試系統(tǒng)逐步提高數(shù)據(jù)吞吐量，最終達到90%的數(shù)據(jù)鏈路帶寬利用率。在此條件下，拖曳線列陣數(shù)據(jù)鏈路能夠短時間內(nèi)暴露出所有鏈路異常，避免鏈路存在隱患。若壓力測試通過，可對前測試項中的異常狀態(tài)原因作進一步的排查。

壓力測試預(yù)期結(jié)果及操作：存在丟包，對所有模塊數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)查詢，上報異常狀態(tài)；壓力測試通過，所有輸出信息整合。

4 結(jié)論

拖曳線列陣高度集成化帶來了調(diào)試難度的大幅提升，拖曳線列陣內(nèi)時鐘、數(shù)據(jù)、電源等鏈路可能產(chǎn)生的多種故障原因耦合提高了故障定位的難度，這對測試人員提出了極高的挑戰(zhàn)。目前，國外大型聲吶的平均故障間隔為400～450 h，故障平均修復(fù)時間在1 h 以內(nèi)，一些中小型聲吶的可靠性和可維修性更高[5]。為了幫助測試人員更快的發(fā)現(xiàn)問題，定位故障，本文設(shè)計的測試系統(tǒng)可在拖曳線列陣聲吶工作狀態(tài)下實時參數(shù)獲取，能夠準確判斷拖曳線列陣的電源、時鐘、數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)信息。各種信息整合處理的結(jié)果，可為測試人員提供更加準確的維護信息。本文提出的測試系統(tǒng)基于拖曳線列陣結(jié)構(gòu)設(shè)計，以子陣間連接器為插入點，盡可能降低測試過程中對拖曳線列陣的損傷，同時便于測試人員進行快速安裝測試，能夠節(jié)省較多的調(diào)試時間和調(diào)試成本。