便攜式測深儀換能器模擬裝置設計與實現

吳永明

（海軍902廠，上海 200083）

0 概述

測深儀是艦艇中用于測量、指示和記錄深度的航海設備，它對于保障艦艇的正常航行起著不可替代的作用[1]。換能器作為測深儀的傳感器，是其最主要的功率部件，起著將電信號轉換成聲波信號，并接受轉換來自海底回波信號的作用[2]。由于換能器安裝在船底，其價格昂貴，位置特殊，又具難拆卸性，難維修性的特點，艦艇進塢后若技術指標正常一般不進行拆卸更換。污排期間換能器暴露在空氣中，測深儀嚴禁通電調試，中修調試時沒有換能器的接入測深儀系統就無法構成一個完整的回路，測深儀的各種性能測試及調試都無法進行。目前國內測深儀型號眾多，換能器工作頻率，功率等指標各不一樣，在工廠為測深儀中修調試而建造換能器水池成本高，需配備的各種型號換能器也是一筆巨大費用，而且水深為固定值，無法進行動態調試[3]。在艦艇航行或錨泊時出現測深儀無水深信號情況下，若有換能器模擬裝置幫助則可以判定測深儀主機性能好壞及進行必要的動態性能調試[4]。綜上所述，研制測深儀換能器模擬裝置對于測深儀內場中修動態調試和日常臨搶修保障具有重要的意義。

1 換能器模擬裝置整體方案

1.1 硬件部分

為了方便日常艦上臨時搶修保障，換能器模擬裝置在結構上要盡可能做到緊湊輕便，便于攜帶，設計采用模塊化的便攜式箱式結構，如圖 1所示，其所有單元均裝入箱體中。

設計的換能器模擬裝置主要由阻抗匹配箱、信號模擬發生器、主控制器、回波信號產生器、主操作屏和高精度電源組成，如圖2所示。

阻抗匹配箱和測深儀相連，接收測深儀發射信號，并模擬實際換能器負載，提供與之匹配的功率損耗和電轉換動態曲線。

回波信號產生器產生回波信號，其強度、頻率和間隔時間通過觸摸屏由操作人員控制。信號模擬發生器根據主操作屏命令，產生出模擬測深儀發射信號，幅度和頻率信號通過觸摸屏傳到單片機后，幅度大小由數模轉換器產生模擬信號與由信號發生器產生的信號相乘產生幅度和頻率可調的交流信號作為回波信號回送給測深儀，回波信號的時間間隔由幅度控制模擬信號0/V控制，從而模擬出海水的深度。

圖1 換能器模擬裝置模塊結構

圖2 換能器模擬裝置組成圖

主控制器檢測測深儀發射的信號，包括發射幅度、頻率、脈寬、功率等，并處理和儲存各種信號，發送到顯示屏上模擬顯示，完成整個系統的控制功能。

主操作屏：一要采用觸模屏顯示測深儀發射信號的各種參數，包括發射幅度、頻率、脈寬、功率等；二要設定回波信號的各種參數（參數設定）：包括預定水深、回波衰減比、回波幅度、回波頻率、回波脈寬五項內容。三要設定測深儀型號及其代碼，以提供與其相配的阻抗匹配裝置?？刂破饕鶕僮鹘缑鎯x提供總體的發射信號，幅度、頻率等可調。

電源提供所有部件的高精度工作電源，包括±5 V/1 A、±12 V/3 A、+24 V/0.8 A，紋波小于5 mV。

主操作屏提供型號選擇命令，控制換能器模擬裝置阻抗匹配選擇，提供回波控制命令；主控制器控制回波信號產生器產生回波信號的幅度、頻率和間隔時間，并提供模擬功能，通過控制信號模擬發生器發出測深儀的信號；提供自身功能的檢測和系統的正常運行，換能器模擬裝置的功能都在主操作屏上反映出來。

1.2 軟件部分

測深儀換能器模擬裝置系統的軟件編程環境與輔助軟件如下：

a) 軟件編程環境

Windows XP操作系統下的 Visual Basic6.0編程。

b) 輔助軟件

PICMATE仿真軟件。

2 換能器模擬裝置設計實現

2.1 硬件部分

（1）主操作屏

采用日本光洋公司 GC-53LC2/LC3 5.7觸摸屏，可提供強大的畫面功能，操作方便。

（2）電源部件,

采用開關電源和線性電源，提供所有部件的高精度工作電源，包括+/-5 V(紋波小于1 mV)，±12 V(紋波小于 3 mV)， +24 V(紋波小于 5 mV)。

（3）信號模擬發生器

采用信號發生芯片MAX038產生0～500 kHZ標準交流信號，交流信號的頻率控制采用電容選擇（1Nf/50nF）和 MAX518調整 FADJ與 Iin來實現。波形的失真調整由精密電阻分壓控制DADJ調整占空比來實現，減少失真度。為了只通過交流信號，在輸出端加了隔直電容，MAX038芯片在+/-12 V輸出波形的幅度為峰-峰值 3.4 V左右，產生的波形由 OUT 端口輸出，通過運放進行零點調整以及驅動放大后輸出。MAX518通過IIC總線與MCU相連接。通過MCU可以改變信號發生器的頻率調整端FADJ&Iin以及COSC，從而控制信號發生芯片輸出0～500 kHZ的不同頻率信號。

（4）回波信號產生器

信號發生器采用美國MAXIM公司MAX518 D/A模塊及MAX038信號發生器和AD公司的乘法器AD532，由主控制器內的W77E58單片機控制，放大系數由 MAX518控制運放來調節[1]。MAX518 D/A模塊產生的0～+5 V的電壓信號，0～500 kHz標準交流信號的頻率由K1、K2、U1共同決定，幅度由U23產生電壓的大小決定。具體流程是：由觸模屏設定的頻率值送入MCU，控制K1、K2、U1從而決定頻率輸出，觸摸屏設定的幅度或衰減比送入MCU控制，MAX518產生0～+5 V的電壓信號經過OP07運放放大后送入乘法器 AD532的 7號端，與信號發生芯片MAX038產生的標準交流信號相乘，生成最大峰-峰 10V的交流信號，然后電容耦合輸出，送到OPA547進行信號的幅度調整，最后以回波信號返送給測深儀系統。

（5）主控制器

主控制器采用WINBOND公司的W77E58單片機[5]，如圖3所示。

由于待采樣信號頻率范圍較寬，而且速度要求較高，最高可達 500 kHz，因此設計采用峰值采樣器將波形的幅度值采出，同時產生控制信號控制高速A/D（2 MHz）轉換器轉化，轉化結束的信號作為通知 MCU的信號，同時為了提高速度也作為自己的讀出輸入信號，避免需要軟件控制降低系統速度。MCU一旦得到此轉化結束信號在最多9個機器周期內響應中斷，將數據總線上的數據裝入片外RAM，同時脈沖計數器加1（作為計算頻率用）。采樣一個周期后（＞20 ms）將值送回觸摸屏，然后在觸摸屏上顯示相應的模擬波形的幅度、頻率。從而達到測量的目的。為了提高數據采樣速度和連續度，信號采樣部分采用硬件自動觸發方式，軟件編寫以數據保存為首要任務。因此系統軟件用中斷方式把數據更新保存，定時器僅使用一個中斷，同時開通一個內部計數器與脈沖計數器一起計算頻率。其他程序全采用查詢方式如串行通訊。[2]在與上位機通訊時也必須以數據采樣優先，只有當數據采樣結束時才允許通訊（因為一般頻率脈沖寬度在 ms級，基本不影響通訊響應）。

（6）阻抗匹配箱

阻抗匹配箱是主功率部件，接收發射信號，產生與實際相匹配的功率損耗和響應曲線，電阻和電容的大小由換能器的等效電阻與電容決定，采用的阻抗匹配箱具體組成如圖四所示：通過接入不同的電阻、電容來達到模擬不同型號換能器等效電阻與電容的目的。其組成如圖4所示。

圖3 主控制器

圖4 阻抗匹配箱組成

（7）主控制器與觸摸屏之間的串行通訊電路

主控制器與觸摸屏之間的串行通訊采用MAX232芯片實現電平轉換，采用一個9芯插頭與觸摸屏之間的串行通訊接口相連，主控制板與觸摸屏之間的串行通訊協議采用CCM協議。

2.2 軟件部分

軟件部分設計采用兩部分：觸摸屏操作系統和采集控制系統。軟件的數據流程圖如圖5所示：

圖5 軟件的數據流程圖

（1）觸摸屏操作系統

在觸摸屏操作系統環境下，采用 K-BASIC和PLC通訊等語言。軟件采用模塊化和開放式設計思想，面向對象的設計方法，便于軟件的維護和擴充。軟件框圖如圖6所示。

（2）采集控制系統

采集控制系統采用 PICMATE仿真環境，通過匯編語言編制總線通訊程序、波型采集程序、帶寬內插算法程序、阻抗匹配程序、回波產生程序等各個子單元。

在編程中，代碼實現文件的組織原則如下：一是由于信號采集頻率高，時間短，因此，高速采集儲存程序模塊為主程序，其他模塊均為分時進行。二是有一些函數是針對某一類設備的，針對性比較強，分別被放到不同的文件中。

圖6 軟件框圖

3 換能器模擬裝置應用情況

換能器模擬裝置樣機完成后，經過實驗室的長期試用、并與 SDH-1A、SC-4、SDH-6、H/HSQ001A等型號測深儀進行聯機調試，證明換能器模擬裝置的技術性能指標穩定可靠，測試精度高，能完成多種測深儀的整機動態調試和參數整定，測試結果如表1所示。

表1 測深儀換能器裝置測試表

4 結束語

測深儀換能器模擬裝置能完成測深儀換能器的電特性模擬，使測深儀構成一個完整的閉環系統，能滿足不同型號不同工作頻率測深儀的內場中修調試，節省了建造換能器水池和購置換能器所需大量費用，并且能應用于日常測深儀的臨搶修保障，具有顯著的軍事經濟效益。

[1]余立立, 施朝健, 黃震民. 基于 DDS的測深儀回波信號源[J]. 上海海事大學學報, 2009, (03)： 12-16.

[2]余振華, 張其善, 楊東凱. 基于W77E58單片機的圖形液晶顯示的設計與應用[J]. 計算機工程與應用,2008, 22： 25-29.

[3]吳永明, 王志飛. 基于虛擬儀器技術的便攜式線路板自動測試系統研究[J]. 船電技術, 2008, (03)：44-47.

[4]郭發濱, 申宏, 雷寧. 水聲換能器動態吃水與傳感器技術探討[J]. 海洋測繪, 2005, 25(5)： 5-10.

[5]莫喜平, 朱厚卿, 劉建國等. 新型低頻大功率水聲換能器[C]. 2001全國水聲學學術會議, 2001.