某型導(dǎo)彈綜合檢測設(shè)備信息交換與放大組件的國產(chǎn)化研究

曹佩武/軍藍科技集團總公司

0 引言

信息交換與放大組件作為某型引進導(dǎo)彈綜合檢測設(shè)備的重要組件，其性能的好壞直接影響作為修理和檢驗標(biāo)準(zhǔn)使用的檢測設(shè)備的檢測質(zhì)量。設(shè)備引進后，由于技術(shù)資料的缺乏和備件短缺，檢測設(shè)備的使用維護一直存在很多困難。近年來，隨著檢測設(shè)備使用年限的增加，故障率逐年增高，備件消耗量大，設(shè)備維護保障越來越困難。原信息交換與放大組件大量使用小規(guī)模集成電路，信號線路數(shù)量大，造成故障排查點多、排查困難。為了保證引進綜合檢測設(shè)備的正常使用要求，充分發(fā)揮其作用，開展組件的國產(chǎn)化研制勢在必行。

1 原信息交換與放大組件的功能及組成

原信息交換與放大組件位于某型導(dǎo)彈綜合檢測設(shè)備的信號轉(zhuǎn)接組合，主要完成檢測設(shè)備到彈上信息的交換與放大，以及彈上信息反饋回檢測設(shè)備的信息交換與放大。原組件主要由電源濾波電路、信息處理電路、輸出放大電路、阻抗匹配電路、接插件等組成，其原理框圖如圖1 所示。

2 國產(chǎn)化信息交換與放大組件的設(shè)計

檢測設(shè)備引進時，隨機資料和人員培訓(xùn)主要集中在設(shè)備的操作使用方面，出于技術(shù)保密，外方?jīng)]有提供任何設(shè)計方面的技術(shù)資料。如何通過逆向工程的方法獲得原組件在不同工作狀態(tài)下的激勵響應(yīng)信息，反推解算出組件的輸入輸出設(shè)計需求，是一項系統(tǒng)、復(fù)雜的工作。在剖析原組件工作原理、各組成部分功用以及互相之間聯(lián)系的基礎(chǔ)上，通過大量測試、分析和驗證，獲取了原組件的輸入輸出設(shè)計需求。

圖1 原信息交換與放大組件原理框圖

2.1 研制方案的確定

原組件的硬件設(shè)計采用了大量小規(guī)模集成電路和電阻電容等輔助器件，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原理分析困難，器件數(shù)量大，造成故障排查點多、排查困難，同時降低了組件工作的可靠性。目前同類電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化要求盡量壓縮器件的種類和數(shù)量，且國產(chǎn)同類產(chǎn)品均已不再采用類似的技術(shù)方法，顯然，采用“一一替換”的研仿模式已不再適用，必須對原信息交換與放大組件的功能、原理研究透徹，并對組件在不同工作狀態(tài)下的輸入、輸出信息進行系統(tǒng)測試、分析和處理，盡可能得到完整、準(zhǔn)確的設(shè)計輸入輸出需求，對其采用整體功能替代研制方案。

2.2 國產(chǎn)化組件的組成及原理

國產(chǎn)化組件的硬件主要由電源電路、JTAG 電路、信息處理電路（復(fù)雜可編程CPLD）、輸出放大電路、阻抗匹配電路、接插件、膠木固定架等組成，其原理框圖如圖2 所示。

國產(chǎn)化組件采用直流+5V 單電源工作，通過LED 指示燈進行供電狀態(tài)顯示。核心電路硬件設(shè)計采用一片大規(guī)模CPLD，電路設(shè)計采用VHDL 語言進行編程，實現(xiàn)原組件復(fù)雜的邏輯功能和時序關(guān)系，并通過EDA 電路仿真軟件對電路設(shè)計的正確性進行功能和時序仿真驗證。輸出驅(qū)動電路是將經(jīng)CPLD 處理的36 路信息進行功率放大，硬件設(shè)計采用集成電路SN54LS245 總線驅(qū)動器實現(xiàn)。

2.3 設(shè)計中解決的主要問題

1）CPLD 選型與設(shè)計

CPLD 即復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL 和GAL 器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實現(xiàn)設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)。本設(shè)計中的CPLD 器件根據(jù)組件的輸入輸出需求和成本等因素綜合考慮選擇了Altera 公司MAХ7000S 系 列 的EPM7128STI100-10芯片作為設(shè)計核心電路，借助Quartus II軟件開發(fā)平臺，采用VHDL 硬件描述語言進行程序編寫，部分程序代碼如下：

2）去耦設(shè)計

數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一個狀態(tài)時，會在電源線上產(chǎn)生很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，是數(shù)字電路可靠性設(shè)計的一種常規(guī)做法。因此，本設(shè)計中在電路板的電源輸入端放置一個10μF 的電解電容和一個0.1μF 的陶瓷電容，濾除低頻噪聲；在每個集成電路的電源和地線之間放置一個0.01μF 的電容，濾除高頻噪聲。去耦電容布線時盡量使用最短的路徑，即在電路板上距供電電源輸入管腳最近的位置放置去耦電容，在每個集成電路電源和接地管腳最近的位置放置去耦電容，合理選擇和放置去耦電容是保證電路正常工作的重要環(huán)節(jié)。

圖2 國產(chǎn)化信息交換與放大組件原理框圖

3）時延問題處理

引進設(shè)備是上世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，原組件主要采用分立器件和中小規(guī)模集成電路搭建，而國產(chǎn)化組件主要由超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，由于器件設(shè)計水平和生產(chǎn)工藝的不斷進步，新型器件在功耗、運算速度等核心技術(shù)指標(biāo)上有了很大提高，因此國產(chǎn)化組件與原裝組件的輸入、輸出時延參數(shù)差異較大，特別是在時序電路中表現(xiàn)得尤為明顯。圖3 是國產(chǎn)化組件與原裝組件部分測試結(jié)果的波形對比示意圖，從圖3 可以看出，國產(chǎn)化組件的信號傳輸比原裝組件的信號傳輸前沿時間提前了，導(dǎo)致輸出結(jié)果不同，與后級處理電路數(shù)據(jù)信息和時鐘信號不能同步，造成時序混亂，最終導(dǎo)致設(shè)備在進行導(dǎo)彈功能性能檢測時出現(xiàn)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定或設(shè)備無法正常工作的故障現(xiàn)象。

國產(chǎn)化研制中，首先通過分析原裝組件的工作原理，在專用數(shù)字組件測試平臺上編輯測試向量，對原裝標(biāo)準(zhǔn)組件進行輸入輸出信號的邏輯與時序關(guān)系測試，將國產(chǎn)化組件與原裝標(biāo)準(zhǔn)組件測試結(jié)果逐一比對通道的邏輯和時序關(guān)系，在邏輯關(guān)系正確的情況下找出存在時延問題的通道，利用Quartus II 軟件開發(fā)平臺，采用增加延遲電路的方法對存在時延問題的通道進行反復(fù)調(diào)節(jié)測試，直至國產(chǎn)化組件與原裝組件的時延指標(biāo)基本一致。調(diào)試中使用的調(diào)節(jié)時延語句如：

b28 ＜= TRANSPORT a28 AFTER 15ns。

3 測試結(jié)果

利用專用數(shù)字組件測試平臺對國產(chǎn)化組件進行了性能測試，測試情況如圖4 所示。

國產(chǎn)化組件在專用數(shù)字組件測試平臺測試通過后，再次與某型導(dǎo)彈綜合檢測設(shè)備進行對接測試驗證，測試結(jié)果表明，各項參數(shù)均滿足該型導(dǎo)彈綜合檢測設(shè)備的使用要求。主要性能指標(biāo)對比如表1 所示。

圖3 國產(chǎn)化組件與原裝組件部分測試結(jié)果波形對比示意圖

圖4 國產(chǎn)化信息交換與放大組件性能測試情況示意圖

表1 國產(chǎn)化組件和原裝組件主要性能指標(biāo)對比測試情況表

4 結(jié)束語

目前，國產(chǎn)化組件已在工廠裝備修理中得到推廣應(yīng)用，該產(chǎn)品能夠滿足某型引進導(dǎo)彈綜合檢測設(shè)備的正常使用要求，使用維護簡單、方便。信息交換與放大組件的成功國產(chǎn)化，解決了國外技術(shù)封鎖和對國外備件保障的依賴，提高了國內(nèi)自主可控能力，保障了設(shè)備的完好率，經(jīng)濟和軍事效益明顯。