某型聲自導(dǎo)頭自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

摘要：提出了基于ATE技術(shù)的魚雷聲制導(dǎo)頭自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和總體設(shè)計(jì)方案。在硬件設(shè)計(jì)中介紹了聲制導(dǎo)頭各部件的測試原理、方法、信號(hào)隔離電路設(shè)計(jì)。軟件部分采用面向?qū)ο?、可視化設(shè)計(jì)的快速應(yīng)用開發(fā)軟件平臺(tái)Labview完成編輯、編譯、連接、調(diào)試等開發(fā)。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)測試系統(tǒng)；自導(dǎo)魚雷；聲制導(dǎo)頭；PXI總線

O 引言
    當(dāng)代武器系統(tǒng)的戰(zhàn)斗性能，不僅依賴于武器系統(tǒng)的高技術(shù)、高性能，還需通過可靠性、維修性和保障性達(dá)到武器系統(tǒng)的最佳戰(zhàn)斗性能。隨著科技的進(jìn)步，在以電子技術(shù)和信息技術(shù)為主要推動(dòng)力，數(shù)字化技術(shù)為核心的新軍事革命背景下，最初作為測量器具的儀器已發(fā)展成一門較為完整的學(xué)科。并在當(dāng)今科技發(fā)展和國防建設(shè)中發(fā)揮著日益重要的作用。自動(dòng)測試系統(tǒng)包括具有計(jì)算、處理能力的計(jì)算機(jī)，在測試過程中各種復(fù)雜的分析、統(tǒng)計(jì)、判斷、處理的結(jié)果可以通過多種方式輸出。自動(dòng)測試系統(tǒng)避免了人為因素的誤差，可獲得十分良好的測試性。通過進(jìn)行大量的測量、判斷和分析，可以在很大程度上削弱隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，從而獲得較高的測量精確度。
    本文主要設(shè)計(jì)了用于某型反潛自導(dǎo)魚雷聲制導(dǎo)頭的自動(dòng)測試系統(tǒng)。首先對自動(dòng)測試系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、組成以及被測試聲制導(dǎo)頭的組成和工作原理作了介紹。然后對測試方法和原理進(jìn)行了研究，在結(jié)合研制某型聲制導(dǎo)頭自動(dòng)測試系統(tǒng)的目的和要求基礎(chǔ)上，提出了測試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。

1 聲制導(dǎo)頭簡介
    聲納是利用水聲傳播特性對水中目標(biāo)進(jìn)行傳感探測的技術(shù)設(shè)備，用于搜索、測定、識(shí)別和跟蹤潛艇和其他水中目標(biāo)，進(jìn)行水聲對抗，水下戰(zhàn)術(shù)通信、導(dǎo)航和武器制導(dǎo)、保障艦艇、反潛飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)和水中武器的使用等。聲納的工作原理是回聲探測法。
    某型反潛自導(dǎo)魚雷聲制導(dǎo)頭采用的是主／被動(dòng)聯(lián)合聲自導(dǎo)方式，其自導(dǎo)系統(tǒng)采用的是主被動(dòng)聯(lián)合聲自導(dǎo)方式，其自導(dǎo)系統(tǒng)主要完成形成波束，發(fā)射探測脈沖，接收回波信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)處理，產(chǎn)生控制命令，同時(shí)記憶飛機(jī)上傳來的導(dǎo)彈預(yù)設(shè)定信號(hào)?；嚱M成為：水聲換能器發(fā)射基陣陣元、接收基陣陣元，目標(biāo)傳感器的收／發(fā)共用的聲引信基陣陣元、入水傳感器、目標(biāo)傳感器的觸發(fā)傳感器。

2 測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2．1 測試系統(tǒng)組成
    聲制導(dǎo)頭測試系統(tǒng)由測試臺(tái)、換能器測試裝置和電纜組成，測試系統(tǒng)與聲制導(dǎo)頭的連接示意圖見圖1所示。


    (1)換能器測試裝置組成
    接陣，固定支架夾具，模擬入水電路，繼電器板，接收發(fā)射電路，入水傳感器測試電路。
    (2)測試臺(tái)的組成
    機(jī)柜，PXI主機(jī)箱，主控機(jī)，顯示器及接口板卡，AD板，電源板(27V電源)，電纜。
2．2 檢測原理及方法
2．2．1 入水傳感器的測試
    入水傳感器測試，完成對自導(dǎo)頭的發(fā)射換能器和接收換能器的測試。利用主控機(jī)控制換能器測試裝置入水傳感器繼電器導(dǎo)通，分別使聲制導(dǎo)頭的入水傳感器兩對觸點(diǎn)短接，在插頭處可測量電阻值的變化。利用電阻值的變化情況可判斷自導(dǎo)頭測試裝置和自導(dǎo)頭的安裝位置是否正確。
2．2．2 聲制導(dǎo)頭收發(fā)陣元的測試
    (1)聲制導(dǎo)頭發(fā)射陣元的測試
    換能器測試裝置的接收換能器和聲制導(dǎo)頭的發(fā)射換能器對接，當(dāng)需要自導(dǎo)頭發(fā)射時(shí)，由繼電器卡分時(shí)依次將規(guī)定頻率的發(fā)射功率信號(hào)接到自導(dǎo)頭的每個(gè)發(fā)射換能器，發(fā)射聲波，換能器測試裝置依次將對應(yīng)接收通道的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由A／D板把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出信號(hào)頻率、幅值等信息，通過與技術(shù)規(guī)范數(shù)據(jù)對比得出相應(yīng)的測試結(jié)果。


    (2)自導(dǎo)頭接收陣元的測試
    換能器測試裝置的發(fā)射換能器和聲制導(dǎo)頭的接收換能器對接，由繼電器卡分時(shí)依次將規(guī)定頻率的發(fā)射功率信號(hào)接到換能器測試裝置每個(gè)發(fā)射換能器，發(fā)射聲波，聲制導(dǎo)頭接收換能器依次將對應(yīng)接收通道的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，A／D板卡再把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出信號(hào)頻率、幅度信息，通過與技術(shù)規(guī)范數(shù)據(jù)對比得出相應(yīng)的測試結(jié)果。
2．2．3 目標(biāo)傳感器的測試目的
    (1)檢測目標(biāo)傳感器能否正常加電；
    (2)檢測聲引信每個(gè)陣元能否正常發(fā)射聲探測信號(hào)；
    (3)檢測聲引信每個(gè)陣元能否正常接收聲回波信號(hào)；
    (4)檢測聲引信對于4種工作模式是否能夠正確響應(yīng)。
    目標(biāo)傳感器測試完成對目標(biāo)傳感器加電和四種工作模式的測試，測試裝置接收到發(fā)射機(jī)發(fā)射的探測脈沖后，被觸發(fā)工作，模仿回波完成聲引信四種工作模式的測試。

3 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 硬件組成
    (1)機(jī)柜
    選用標(biāo)準(zhǔn)31U機(jī)柜，外形尺寸(600 L×600 W×1 600Hmm)。
    (2)機(jī)箱
    選用N1公司PXI-1036 6-Slot 3U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱。
    (3)主控制器
    選用NI公司2GB DDR2 RAM for PXI-8101／08／10 andPXIe-8108 Controllers主控制器。
    (4)AD板
    AD板選用NI公司PXI總線6259板卡，轉(zhuǎn)換精度14位，可輸入信號(hào)電壓范圍-5 V～+5 V，提供8路I／O口。根據(jù)檢測設(shè)定，可通過繼電器卡分別選通聲制導(dǎo)頭7個(gè)接收通道、換能器測試裝置17個(gè)接收通道、換能器測試裝置聲引信8個(gè)接收通道，分時(shí)對每個(gè)通道接收信號(hào)進(jìn)行采集，采樣率比被采樣信號(hào)頻率大3倍以上。各通道輸入信號(hào)電壓范圍-5 V～+5 V。
    (5)電源板
    整個(gè)測試系統(tǒng)外部輸入電源僅為：單相220 V／50 Hz。電源電壓：+27 V±5％，供電電流不小于10 A。
3．2 信號(hào)隔離電路
3．2．1 數(shù)字信號(hào)隔離電路
    在所有被測試分機(jī)提取的數(shù)字信號(hào)中，最高速率的數(shù)字信號(hào)是來自接口分機(jī)的，達(dá)250 k／s，所以我們選用最高速率為10 M／s的6N137的高速光耦來隔離測試所需的數(shù)字信號(hào)，從而保證測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。
    信號(hào)從腳2和腳3輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏管光照后送到與門的一個(gè)輸入端，與門的另一個(gè)使能端，當(dāng)使能端為高時(shí)與門輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當(dāng)輸入信號(hào)電流小于觸發(fā)閾值或使能端為低時(shí)，輸出高電平，但這個(gè)邏輯高是集電極開路的，可針對接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路。TTL電平輸入，Vcc1為5 V時(shí)，RF可選500 Ω左右。如果不加限流電阻或阻值很小，6N137仍能工作，但發(fā)光二極管導(dǎo)通電流很大，對Vcc1有較大沖擊，尤其是數(shù)字波形較陡時(shí)，上升、下降沿的頻譜很寬，會(huì)造成相當(dāng)大的尖峰脈沖噪聲，而通常印刷電路板的分布電感會(huì)使地線吸收不了這種噪聲，其峰一峰值可達(dá)100 mV以上，足以使模擬電路產(chǎn)生自激，A／D不能正常工作。所以在可能的情況下，RF應(yīng)盡量取大。輸出端由模塊供電，Vcc2=4．5～5．5 V，在Vcc2(8腳)和地(5腳)之間必須接一個(gè)0．11μF高頻特性良好的電容，而且應(yīng)盡量放在腳5和腳8附近。這個(gè)電容可以吸收電源線上紋波，又可以減小光電隔離器接收端開關(guān)工作時(shí)對電源的沖擊。腳7是使能端，當(dāng)它在0～O．8 V時(shí)強(qiáng)制輸出為高(開路)；當(dāng)它在2．0 V～Vcc2時(shí)允許接收端工作。腳6是
集電極開路輸出端，通常加上拉電阻RL。雖然輸出低電平時(shí)可吸收電流達(dá)13 mA，但仍應(yīng)當(dāng)根據(jù)后級輸入電路的需要選擇阻值。因?yàn)殡娮杼?huì)使6N137耗電增大，加大對電源的沖擊，使旁路電容無法吸收，而干擾整個(gè)模塊的電源，甚至把尖峰噪聲帶到地線上。一般可選幾百歐姆，若后級是TTL輸入電路，且只有1到2個(gè)負(fù)載，則用47 kΩ或15 kΩ也行。結(jié)合6N137光耦的工作原理，我們給出如圖3所示的數(shù)字信號(hào)隔離電路及其外圍配置。


    隔離電路的輸出端上拉電阻一般幾百歐姆到幾千歐姆。一般情況下，信號(hào)速率越高，電阻的阻值相應(yīng)越低，本次設(shè)計(jì)取350 Ω。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，證實(shí)該設(shè)計(jì)能夠滿足測試的要求。
3．2．2 模擬信號(hào)隔離電路
    在模擬信號(hào)隔離電路中我們選用Texas Instruments公司的精密線性光FIL300，TIL300是一個(gè)由隔離反饋光二極管和一個(gè)輸出光二極管組成。該器件采用特殊制造技術(shù)來補(bǔ)償LED時(shí)間和溫度特性的非線性，使輸出信號(hào)與LED發(fā)出的伺服光通量成線性比例，它具有3 500 V的峰值隔離度和高的傳輸增益穩(wěn)定性(O．05％／℃)。圖4所示的是模擬隔離電路圖。


    TIL300應(yīng)用的主要問題在工作的線性范圍內(nèi)，選擇適宜的前置運(yùn)放和計(jì)算該電路中的R1，R2，R3阻值。
    確立TIL300的工作狀態(tài)
    TIL300是以電流方式工作的，它的發(fā)光管LED工作電流根據(jù)該器件給出的參數(shù)表應(yīng)工作在1～10 mA，在此范圍內(nèi)，伺服電流增益K1即伺服電流傳輸比為O．7％～1．25％，正向電流增益K2，也即是正電流傳輸比為O．7％～1．25％，因此 TIL300的傳輸增益為1。

4 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件作為整個(gè)測試系統(tǒng)的重要組成部分，具有良好的人機(jī)界面，可以方便地設(shè)置測試條件、選擇測試項(xiàng)目等信息。如果檢測結(jié)果項(xiàng)目等信息，能夠提供準(zhǔn)確的故障診斷策略，并記錄、顯示、打印測試結(jié)果。
4．1 測試系統(tǒng)軟件的功能
    (1)提供人機(jī)交互界面。
    (2)具備硬件啟動(dòng)，初始化自檢，測試指令發(fā)出及硬件控制指令發(fā)出功能。
    (3)具備對測試中產(chǎn)品返回的各種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的功能。
    (4)具備將讀取到的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算的功能。
    (5)具備將測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化的圖像，繪制為曲線的功能。
    (6)具備為用戶交互層提供直觀的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示功能。
    (7)具備對測試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，查詢，報(bào)表，打印，備份等操作的功能。
4．2 軟件總流程



5 電磁兼容性
    電磁兼容性是測試系統(tǒng)的重要性能之一，測試系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)規(guī)定功能、使測試系統(tǒng)效能得到充分發(fā)揮的重要保證。在進(jìn)行測試系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。電磁兼容設(shè)計(jì)的目的是使所設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)在預(yù)期的電磁兼容環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電磁兼容。
5．1 測試系統(tǒng)電磁干擾源
    測試系統(tǒng)電磁干擾源來自兩個(gè)方面：測試系統(tǒng)外部電磁干擾；測試系統(tǒng)內(nèi)部電磁干擾。
    (1)強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)共存；
    (2)變壓器、繼電器、開關(guān)等部件的干擾；
    (3)組件之間的共源及共地干擾；
    (4)其他干擾。
5．2 電磁耦合途徑分析
    通過分析可以確定下列途徑為測試系統(tǒng)電磁耦合途徑：
    (1)供用電源引起的傳導(dǎo)干擾；
    (2)接地系統(tǒng)所產(chǎn)生的共阻抗干擾；
    (3)互連線間由于分布參數(shù)所引起的信號(hào)串?dāng)_；
    (4)互連線與機(jī)殼端接方式不當(dāng)引起的共模發(fā)射干擾。
5．3 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取的電磁干擾抑制措施
    (1)對敏感電路及干擾電路分別采取用不同電源進(jìn)行供電，對開關(guān)電源進(jìn)行濾波；
    (2)電纜敷設(shè)時(shí)盡量把電源線和信號(hào)線分開，把輸入端和輸出端分開。
    (3)把敏感電纜設(shè)到遠(yuǎn)離電源、變壓器和其他大功率裝置的地方。
    (4)采用屏蔽、濾波和搭接等兼容性措施使感性耦合和容性耦合的干擾減小到容許程度。
    (5)根據(jù)電路特性分別設(shè)立數(shù)字地、模擬地，并采取單點(diǎn)接地方案。
    (6)電氣線路接插件的外殼采取適當(dāng)屏蔽措施。

6 總結(jié)
    通過對某型反潛自導(dǎo)魚雷聲制導(dǎo)頭的性能分析，提出了測試設(shè)備總體設(shè)計(jì)方案。介紹了聲制導(dǎo)頭各部分的測試原理、方法，信號(hào)隔離電路，軟件部分采用面向?qū)ο蟆⒖梢暬O(shè)計(jì)的快速應(yīng)用開發(fā)軟件平臺(tái)Labview完成編輯、編譯、連接、調(diào)試，最后提出了電磁兼容性設(shè)計(jì)。