多路水聽器參數(shù)掃描測試分析設(shè)備的研究與設(shè)計

波，朋坤，王長江，文成，王

(海軍青島雷達(dá)聲納修理廠，山東 青島 266100)

0 引言

在現(xiàn)代水下作戰(zhàn)體系中，聲納作為主要水下探測手段，擔(dān)負(fù)著警戒、探測、偵察、通信等重要使命任務(wù)，受到越來越多軍事強(qiáng)國的重視。聲納水聽器做為聲納裝備采集水下聲信號、進(jìn)行聲-電轉(zhuǎn)換的重要傳感器，其性能好壞直接影響聲納裝備的綜合探測能力上限。由于聲納水聽器所處水下環(huán)境較為惡劣，因此為了監(jiān)測聲納水聽器技術(shù)狀態(tài)，保持其性能穩(wěn)定，需要對水聽器進(jìn)行定期檢測與維護(hù)保養(yǎng)[1-2]。

絕緣電阻與等效電容是目前在外場環(huán)境中反映聲納水聽器性能優(yōu)劣的重要靜態(tài)指標(biāo)。傳統(tǒng)測試方法需要人工使用通用兆歐表與電容表，逐一測試聲納水聽器，而且通常需要一邊測量，一邊記錄。現(xiàn)代大型聲納通常由幾十到幾百路水聽器基元組成陣列，以提高目標(biāo)探測精度與距離[3]。采用傳統(tǒng)方法對這些水聽器進(jìn)行測試，測量過程繁瑣，測量精度低，測試效率低下。

目前已有國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)對水聽器靜態(tài)指標(biāo)測試進(jìn)行改進(jìn)研究與探索：文獻(xiàn)[4]分析總結(jié)了聲納換能器的等效原理，并以DSP單芯片為核心搭建數(shù)字處理電路，通過控制絕緣電阻與電容測試電路對換能器進(jìn)行測試；文獻(xiàn)[5-6]基于STC單片機(jī)分別改進(jìn)設(shè)計絕緣電阻與等效電容自動測量電路，并設(shè)計絕緣電阻量程切換與電容測試溫度補(bǔ)償電路。文獻(xiàn)[7]研究設(shè)計了利用差動式直流充電法實現(xiàn)了對微小電容的高精度、低成本的測量。文獻(xiàn)[8]基于555芯片與單片機(jī)設(shè)計實現(xiàn)了數(shù)字式電容測量儀。文獻(xiàn)[9]基于Lab-windows/CVI開發(fā)換能器阻抗測試軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、顯示、管理與分析，并能夠生成測試報告。文獻(xiàn)[10]采用ARM架構(gòu)的LPC2136芯片作為中控，實現(xiàn)直流高壓的數(shù)字化精細(xì)控制與量程自動切換。經(jīng)過整理分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)研發(fā)設(shè)備大多采用單片機(jī)實現(xiàn)測試控制與信號處理。受限于單片機(jī)性能，測試通道多為幾路至十幾路，通道間切換誤碼率高，處理數(shù)據(jù)速度慢，存儲數(shù)據(jù)容量小。針對國內(nèi)研究現(xiàn)狀，設(shè)計開發(fā)一種基于PC工控機(jī)的智能多路水聽器參數(shù)掃描測試分析設(shè)備。通過便攜式工控機(jī)控制高速開關(guān)矩陣以及絕緣電阻、等效電容測試電路，實現(xiàn)對多路聲納水聽器靜態(tài)指標(biāo)的測試。同時可實時存儲測試數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)查詢、復(fù)現(xiàn)、分析與生成測試報告等功能，大大提高了測量精度與測試效率，對聲納裝備保障能力的提高具有指導(dǎo)意義。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

多路水聽器參數(shù)掃描測試分析設(shè)備主要由嵌入式工控計算機(jī)、測試執(zhí)行單元及附件、數(shù)據(jù)管理軟件等三大部分組成。嵌入式工控計算機(jī)由基于X86框架的Intel I7 3600 4核工控主板和操作系統(tǒng)組成。測試執(zhí)行單元及附件主要由多路通道矩陣開關(guān)控制模塊、等效電容測試模塊、絕緣電阻測試模塊、溫濕度測量模塊等組成。數(shù)據(jù)管理軟件由測試參數(shù)模塊、設(shè)備庫管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和用戶管理模塊等4個模塊組成。各模塊由軟、硬件平臺調(diào)用執(zhí)行控制指令，完成對聲納水聽器絕緣電阻與等效電容的測試和檢測。設(shè)備結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

用戶根據(jù)測試任務(wù)需求，通過人機(jī)交互接口以及數(shù)據(jù)管理軟件，將測試指令輸送至嵌入式工控計算機(jī)分析解算。工控機(jī)依據(jù)預(yù)先存儲的測試工程方案，利用PXI通信總線控制多路通道矩陣開關(guān)控制模塊選通待測通路，并控制絕緣電阻以及等效電容測試電路對待測水聽器進(jìn)行指標(biāo)測試。測試結(jié)束后，測試數(shù)據(jù)返送至工控機(jī)，完成數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計等處理,并可依照存儲格式，生成水聽器指標(biāo)測試報告。溫濕度模塊可記錄當(dāng)前測試環(huán)境條件，鋰電池監(jiān)控模塊則實現(xiàn)對整機(jī)電量的分配與管理。

2 硬件設(shè)計方案

多路水聽器參數(shù)掃描測試分析設(shè)備硬件系統(tǒng)組成如圖2所示。

硬件系統(tǒng)主要由PXI CPU工控卡、多路通道矩陣開關(guān)控制模塊、絕緣電阻測試模塊、電容測試模塊、鋰電池監(jiān)控管理模塊、觸摸液晶顯示屏、總線背板、測試電纜接口、測試適配電纜及溫濕度測量模塊等部件組成。硬件系統(tǒng)采用高性能低功耗的Intel ATOM x86機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)功能測試一體化、人機(jī)交互等功能。

圖2 硬件組成圖

2.1 PXI 總線背板

PXI總線是新型測控儀器總線標(biāo)準(zhǔn)，是CPCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是一種先進(jìn)的模塊化儀器系統(tǒng)。PXI總線系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、與工業(yè)計算機(jī)軟件兼容等特性。該P(yáng)XI總線背板采用結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的3U 、8槽PXI結(jié)構(gòu)模式，可將PXI CPU工控卡、多路通道矩陣開關(guān)控制板、絕緣電阻測試模塊、等效電容測試模塊以及鋰電池監(jiān)控管理模塊等集合于PXI板槽中，構(gòu)成具有多塊主控和外設(shè)板卡的PXI架構(gòu)測試裝置。PXI總線背板為各功能板卡提供高速率總線工作頻率及板卡模塊間通訊協(xié)議，有序協(xié)調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊及控制邏輯。

2.2 PXI CPU工控卡

PXI CPU工控卡是該設(shè)備的核心部件，是整個硬件、軟件平臺和測試診斷策略運(yùn)行的載體。工控卡采用Intel I7 3600 4核處理器，工作頻率可達(dá)3.4GHz，在板表貼4GB DDRⅢ SDRAM，同時具備HDMI、USB、SATA、以太網(wǎng)、AUDIO等多種接口?？裳b載Windows7操作系統(tǒng)，能夠流暢運(yùn)行基于WINDOWS 開發(fā)的各類軟件。工控卡可完成絕緣電阻測試、電容測試等模塊的控制與數(shù)據(jù)采集、鋰電池監(jiān)控管理模塊的監(jiān)控管理、觸摸液晶顯示屏的操控界面管理等任務(wù)；自動協(xié)調(diào)其他各模塊工作時序，完成多路水聽器靜態(tài)指標(biāo)的測試任務(wù)，并通過觸摸液晶顯示屏實時顯示測試結(jié)果。

2.3 多路通道矩陣開關(guān)控制板

多路通道矩陣開關(guān)控制卡由128路通道矩陣開關(guān)組成。在系統(tǒng)控制下，靈活建立測試線纜接口芯線與被測水聽器電纜節(jié)點映射關(guān)系，建立并記憶測試工程，透明處理各種類型、不同型號、不同封裝的水聽器指標(biāo)測試。一次建立映射關(guān)系，即可記憶正確映射關(guān)系，待再次進(jìn)行同一種水聽器測試時即可直接快速接入相應(yīng)的水聽器進(jìn)行測試。圖3是多路通道開關(guān)控制板的結(jié)構(gòu)圖。

圖3 多路通道矩陣開關(guān)控制模塊結(jié)構(gòu)圖

2.4 絕緣電阻測試模塊

圖4 電流電壓法原理圖

水聽器絕緣測試時，由設(shè)備內(nèi)部可編程高壓電源模塊產(chǎn)生設(shè)定的電壓，信號通過多路通道開關(guān)控制板的開關(guān)矩陣輸入到每一路水聽器的線纜芯線，然后進(jìn)行絕緣電阻測試并得出相應(yīng)測試值，通過軟件自動判別絕緣值是否在設(shè)定范圍內(nèi)；若在范圍內(nèi)，則判定被測水聽器絕緣指標(biāo)為合格；若超出設(shè)定范圍值則認(rèn)為水聽器的絕緣參數(shù)為不合格。為保證測量回路輸出的測試信號不會超過采樣電壓值的范圍，必須采用精密電阻網(wǎng)絡(luò)和其他相關(guān)元器件構(gòu)成分壓電路。

2.5 電容測試模塊

電容測試模塊具有自動化測試電容的功能，在系統(tǒng)控制下，實時加載于被測水聽器的芯線間，完成對水聽器電容量的測試，電容測試范圍：10 pF～100 μF(±5%)。圖5為電容測試的原理圖。

圖5 電容測試原理圖

3 軟件設(shè)計方案

數(shù)據(jù)管理軟件系統(tǒng)基于Windows7操作系統(tǒng)開發(fā)，圍繞實現(xiàn)多路水聽器參數(shù)掃描測試分析設(shè)備主要功能，采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思路，其中主要包括測試參數(shù)模塊、設(shè)備庫管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和用戶管理模塊等4個模塊。

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

Visual Studio是微軟公司研發(fā)的一款高效、集成且可擴(kuò)展的軟件開發(fā)平臺，其中Visual Studio 2015以C++語言為基礎(chǔ)，提供方便快捷的Windows應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，并且由于C++語言良好的開放性與可靠性，使其易于與底層硬件交互控制。存儲設(shè)備信息采用SQLite數(shù)據(jù)庫，用于保存軟件系統(tǒng)配置，設(shè)備的詳細(xì)配置信息以XML文件形式保存。軟件開發(fā)環(huán)境清單如表1所示。

表1 軟件開發(fā)環(huán)境清單

3.2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

軟件采用面向?qū)ο蟮木幊涕_發(fā)方法，圍繞軟件設(shè)計功能作為基本元素進(jìn)行軟件設(shè)計與研發(fā)。軟件系統(tǒng)可分三層邏輯結(jié)構(gòu)，從下到上分別是硬件模塊驅(qū)動層、硬件管理及應(yīng)用功能層、其它終端或者測試儀層。如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 軟件功能結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)樹圖如圖7所示。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分成系統(tǒng)設(shè)置、工程連接器數(shù)據(jù)管理、測試及運(yùn)行日志、開關(guān)高壓等硬件控制、分布式網(wǎng)路、腳本編寫和運(yùn)行環(huán)境共6個功能結(jié)構(gòu)。工程連接器數(shù)據(jù)管理模塊調(diào)用底層數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查等功能；測試和運(yùn)行日志模塊是系統(tǒng)的主邏輯模塊，選擇測試項目、查詢?nèi)罩居涗浺约按蛴y試報告均由該模塊完成；系統(tǒng)設(shè)置完成用戶名、操作使用等全局參數(shù)及系統(tǒng)自測校準(zhǔn)等參數(shù)設(shè)置；硬件控制模塊完成對多通道開關(guān)、絕緣電阻測試模塊及電容測試模塊等硬件電路的控制；分布式網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各模塊之間信息傳輸，同時能夠?qū)崿F(xiàn)多終端之間通信；腳本編輯和運(yùn)行模塊實現(xiàn)自定義腳本設(shè)置與執(zhí)行功能，用戶可通過自定義腳本實現(xiàn)自定義功能設(shè)計。

圖7 軟件功能結(jié)構(gòu)樹圖

3.4 軟件類結(jié)構(gòu)

為了提高軟件內(nèi)部可重用性以及模塊之間的低耦合性，方便后期軟件維護(hù)和擴(kuò)展，該系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法。面向?qū)ο笤O(shè)計是一種軟件設(shè)計方法，是一種工程化規(guī)范。面向?qū)ο笤O(shè)計模式解決的是類與相互通信的對象之間的組織關(guān)系，包括它們的角色、職責(zé)、協(xié)作方式幾個方面。圖8展示了該系統(tǒng)主要設(shè)計類及之間的關(guān)系，每個模塊都設(shè)計了相應(yīng)的接口，模塊之間以接口的形式調(diào)用，對于不同的測試邏輯采用多態(tài)的形式來實現(xiàn)。

圖8 軟件類UML圖

4 試用結(jié)果分析

在完成設(shè)備研制后，對某型聲納進(jìn)行試用檢測，并將測試結(jié)果與使用傳統(tǒng)方法的測試結(jié)果進(jìn)行比對。圖9為測試過程部分軟件界面。

測試結(jié)果如表2所示。

分析數(shù)據(jù)可知，使用多路水聽器參數(shù)掃描測試分析設(shè)備測試水聽器等效電容，測試結(jié)果最大相對誤差僅為1.8%，滿足電容測試最大相對誤差不大于±5%的精度指標(biāo)要求。在絕緣電阻測試過程中，由于使用100 V絕緣搖表進(jìn)行人工讀數(shù)，存在比較大的觀測誤差，因此無法進(jìn)行準(zhǔn)確的誤差精度計算。但通過分析測試數(shù)據(jù)依然可以看出，使用測試分析設(shè)備測試絕緣電阻，測試結(jié)果最大相對誤差為4.4%，依然滿足最大相對誤差不大于±5%的精度指標(biāo)要求，表明該設(shè)備能夠非常準(zhǔn)確地反應(yīng)水聽器絕緣電阻指標(biāo)變化，從而準(zhǔn)確地反應(yīng)水聽器性能變化趨勢。

通過試用表明，采用傳統(tǒng)方式測量，某型聲納換能器約200組數(shù)據(jù)通常需要3人協(xié)同、2小時才能完成的測試工作，使用該設(shè)備只需要一人次、10分鐘即可完成同等工作量的測試工作，大大提高了測試效率與測量精度。同時設(shè)備能自動記錄存儲測試數(shù)據(jù)，直接生成檢測報告，自動判斷是否符合要求，方便直觀。為技術(shù)人員判斷定位故障提供了技術(shù)支持。對于聲納水聽器的壽命周期監(jiān)控與故障預(yù)防也具有一定的指導(dǎo)作用。

圖9 部分測試軟件界面

表2 測試結(jié)果

5 結(jié)束語

多路水聽器參數(shù)掃描測試分析設(shè)備具有人機(jī)交互友好，測試過程高效，測量精度高，操作簡單，易于攜帶等特點，滿足了聲納水聽器日常檢測與修理維護(hù)的測試需求，有效提高部隊及裝備保障部門的修理保障能力，是聲納濕端水聽器檢測的重要輔助手段。本設(shè)備的設(shè)計與研制為信息裝備基地級維修提供了有力的保障。