基于PCI總線的聲納裝備維修訓練平臺硬件設計與實現＊

任緒科 胡金華 張 衛

（1.92956部隊 大連 116041）（2.海軍工程大學 武漢 430033）

1 引言

隨著海軍活動海域由近海向遠海的轉變，提高艦員的故障維修能力成為武器裝備性能保障的一個重要方面。就聲納裝備而言，目前的主要維修訓練是結合實際裝備進行，這樣的訓練方式存在如下缺陷：1）結合實裝維修訓練，其數量和訓練場地有限，受訓人員的數量和時間難以保障，訓練效率低；2）裝備功能結構復雜，造價昂貴，在實裝上進行大量的維修訓練工作會影響戰備完好性；3）結合實裝維修訓練，局限性大，所見故障現象和所能體會的維修操作有限，大多還只能從書本上進行抽象理解；4）維修訓練結合實裝進行，一般僅限于簡單的拆裝和故障預設，而對故障檢測與分析這一維修訓練的內容訓練甚少；5）實裝維修成本高，會造成大量工具、零件、材料以及人員精力的消耗［2～3］。

基于虛擬維修、三維復現和信號檢定相結合的裝備維修訓練系統能夠有效克服結合實裝維修訓練帶來的問題，為裝備維修訓練提供先進的操作環境和模擬手段，信號流和意識流的訓練模式能有效改進訓練效果、規范維修思路、提高維修水平，具有重要的軍事經濟效益。

2 系統硬件總體設計

聲納維修訓練系統的總體功能包括：故障設置、故障現象模擬、機柜面板指示、模擬和假想故障排除，通過對聲納裝備信號流程進行分析，設計出不同模塊和分機的故障實例，并對各實例的故障現象進行模擬和復現。受訓人員通過故障現象，對假想故障進行逐級研判，最終排除假想故障。針對故障模擬平臺，其主要功能就是根據導演臺的假想故障指令，在檢測面板上表達出對應的故障狀態：模擬信號輸出的表達形式、指示燈的亮滅狀態、不同幅值的電源供電等信息。對此，有以下三個方面的要求：

1）控制靈活［6］。故障模擬平臺接收來自導演臺的指令后，將據此修改硬件參數，硬件平臺的輸出狀態將在程序的控制下表達出相應的狀態，當有新的指令送至時，故障模擬平臺將重載數據，使終端能及時準確地表達出新指令對應的故障狀態，由此來實現導演臺對故障模擬平臺的靈活控制。2）符合實裝檢修方式。維修訓練系統的設計在功能上要符合目前電子裝備測試檢修的常用方法和檢修步驟，這樣受訓人員才能將訓練的效果應用到對實際裝備的維護當中去。

3）具有可擴展性。作為維修訓練考核系統，必定要涵蓋實裝常有的故障數據庫，而實際裝備中出現的故障現象和種類不是固定不變的，因此該系統在硬件和軟件設計上要具有可擴展性，使得系統可增添假想的故障，故障數據庫可按需求任意添加到系統軟件上并能通過硬件平臺進行表達。這就要求硬件電路具有任意波形產生能力，軟件設計方面可對新添加的數據庫任意調用。

2.1 系統結構及工作流程

根據系統功能需求，故障模擬平臺總體框架如圖1所示，其基本結構由以工控機為核心的控制器及聲納裝備各分系統檢測臺組成，具體包括某型聲納發射系統、接收系統、水下聲系統、電源系統及指示燈等。

圖1 系統總體框架

所有檢測面板對應的模擬組件及結構基本相似，這里選取了如圖1所示的導演臺對聲納發射系統及指示燈檢測臺控制的局部結構圖。由圖2可知，從導演臺至其中某個檢測臺的通路包括：工控機、工控機控制的功能板卡、模擬信號輸出通路、數字信號輸出通路、轉換控制電路及低壓供電系統。另外，檢測面板內部還包含有相應的信號調理模塊、繼電器控制模塊、指示燈驅動電路等電路模塊。

圖2 故障模擬平臺局部結構圖

圖3 系統工作流程圖

故障模擬平臺的工作流程如圖3所示：受訓人員在操作前，首先通過導演臺選擇故障維修訓練案例，故障模擬平臺經網絡讀取案例信息后控制硬件設備產生數字量，被選定的裝備指示燈亮，代表該裝備進入正常工作狀態，但此時模擬量輸出板卡并未開始輸出模擬量。受訓人員按照導演臺軟件的引導，并綜合面板指示燈的狀態，進行分析判斷，確定按下相關檢測面板的開關。檢測面板開關被按下的信息將以低電平0的形式被數字量輸入板卡采集，采集信息經程序讀取后將控制指定通道產生一個數字量1，高電平打開通向該檢測面板的模擬總線開關，相應的信號將輸送至被選通的檢測面板，與此同時通向其他面板的總線開關則全部關閉。在同一個故障指令下，如果故障表達沒有體現在某些檢測面板上，當同一裝備上的這些檢測面板開關被按下時，信號將按正常情況輸出。

2.2 硬件總體設計與實現

圖4為某型聲納維修訓練系統的故障模擬平臺總體設計框圖。工控機控制產生的數字量通過鎖存器分別轉接至兩套裝備，而模擬信號的輸出則通過模擬開關總線進行轉換。某型聲納需要切換的檢測面板有：聲納接收機檢測面板1，聲納接收機檢測面板2，聲納功放機柜1檢測面板，聲納功放機柜2檢測面板，在機柜頂部對應設置了四個開關：“聲納接收1”“聲納接收2”“聲納功放1”“聲納功放2”。切換開關直接與數字板卡的數字量輸入通道相連，當開關被按下時，板卡采集到的狀態信息將會發生改變。

數字量通過鎖存器后分別送至各檢測面板的數控電路：狀態指示燈、繼電器控制的電源輸出電路、繼電器控制的絕緣電阻選通電路。模擬開關總線和鎖存器的導通與關閉同樣也受數字量的控制。通過模擬開關總線的模擬信號直接輸送至檢測面板的信號調理電路，經過信號幅度的放大或衰減以及濾波，最終輸出至檢測孔。低壓供電系統分別為各單元電路的芯片、信號調理電路的偏置、指示燈電路、各檢測面板電源輸出檢測孔供電。

圖4 某型聲納維修訓練系統故障模擬平臺總體設計

圖5 某個檢測面板硬件電路組成

下面以導演臺控制其中一個檢測面板輸出為例，說明硬件電路的實現方法。如圖5所示，硬件電路的組成有：工控機、模擬信號發生器板卡、具有數字量輸入與輸出功能的數字信號發生器板卡、模擬總線開關、信號調理電路、繼電器開關、狀態指示電路等。

·工控機：采取10 槽PCI主機箱。PCI（Peripheral Component Interconnect）總線［14］是近年來在工作站和個人微機中被廣泛應用的計算機總線。外圍器件通過總線可直接與處理器相連，具有數據傳輸效率高、成本低、易于擴展、適用于惡劣環境、抗干擾、低功耗等特點。

·模擬量輸出板卡：模擬信號發生器板卡要求具有多路任意波形產生能力，每路DA 具有RAM 存儲器，每路可指定RAM 做任意循環輸出的數據。本系統選用了阿爾泰公司的PCI－8103板卡，該板卡具有12位DA 精度，1MS／s模擬量輸出頻率，4路模擬量可任意波形發生，每路具有256字RAM 存儲器，DA 默認輸出量程為0～5V。

·數字量輸入輸出板卡：這里采用了具有數字量輸入和輸出能力的研華公司的PCI－1753，該板卡具有96路數字量輸入和輸出功能，可指定任意通道的輸出或輸入，能滿足系統對數字量輸出與輸入的要求。數字量的輸出分別用于控制開關總線的打開與關閉、狀態指示燈的亮滅，數字量輸入主要用于采集，當檢測面板感知到外部觸發時，板卡將采集信息送至主程序進行判斷。

·模擬總線開關：采用8路開關總線芯片SN74CB3Q 3345，該芯片可同時控制8路－0.5～7V，0～10MHz任意形式模擬信號的通斷。

·信號調理：經過開關總線后的模擬信號在輸送至檢測面板之前還需對其進行信號調理，主要是對某些信號的電位和幅度進行調節，并經濾波器電路輸出至檢測孔。

3 結語

基于PCI總線的該型聲納裝備維修訓練平臺，具有操作靈活、攜帶方便、穩定性好、擴展性強等特點，極大地提高了自動化程度，大幅度降低了系統開發、維護以及后期的升級成本，縮短了系統的開發周期。該平臺通過接收來自導演臺虛擬維修系統軟件的控制信號，對應產生能表達某故障狀態信息的信號并輸出至檢測面板。受訓人員通過視覺觀察、儀器測量并依據結果判斷故障類型，從而實現虛擬維修、三維復現和信號檢定的結合，這將在很大程度上提高受訓人員的動手能力和裝備保障能力，為聲納裝備的維修訓練提供了一條新的有效途徑，對其它電子裝備的維修訓練具有重要參考價值。

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