魚雷專用檢測設備接口模塊化設計與實現(xiàn)

李 彥

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魚雷專用檢測設備接口模塊化設計與實現(xiàn)

李 彥

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

為了提高魚雷專用檢測設備接口設計的工作效率, 提出了一種基于模塊化思想的接口硬件設計方法。將魚雷專用檢測設備接口按照功能分解為信號衰減模塊、模擬信號隔離模塊和數(shù)字量/開關量信號隔離模塊3種標準模塊, 并通過對上述模塊的組合, 完成信號調理。仿真試驗及實測結果均表明, 上述電路模塊組合能夠很好地實現(xiàn)信號調理功能, 實現(xiàn)了魚雷專用檢測設備接口硬件模塊化和標準化設計。

魚雷專用檢測設備; 模塊化; 接口

0 引言

測試設備適配器作為魚雷產品與專用檢測平臺的接口, 不同設備的適配器其內部電路主要功能是一致的, 用于完成各類信號的隔離及調理, 僅個別設備有少量的特殊需求。目前, 接口硬件主要采用專門研制的方式, 存在著重復設計、信號處理方法不統(tǒng)一、產品更新升級潛力不足及元器件選型過多等情況, 導致設計效率和可靠性偏低, 兼容性、互換性較差, 同時也為元器件訂貨帶來困難。

對于個別檢測設備的少量特殊需求, 需具體問題具體分析采用專用設計。而對于各設備的一致性需求, 應該首先統(tǒng)一功能定義,開展硬件模塊化設計, 提高各設備之間接口硬件模塊的互換性, 實現(xiàn)接口硬件模塊在同型號不同設備之間、不同類型號專用設備之間的延用或重用[1-2]。

在對魚雷測試設備接口主要功能和性能指標進行歸納總結的基礎上, 提出一套測試設備模塊化接口[3], 對縮短測試設備研制進度, 提高設計水平、產品可靠性以及接口電路的兼容性、通用性和標準化具有重要意義。

1 模塊化及當前測試設備接口設計

模塊化是指在對一定范圍內的不同產品進行功能分析和分解基礎上, 劃分并設計生產出一系列通用模塊或標準模塊[4], 模塊化應具備以下特征: 1) 具有獨立的功能: 模塊部應具有獨立的, 不受干擾的特定功能, 可以進行單獨儲備; 2) 具有組合性: 模塊是分解的產物, 應能“回歸”到系統(tǒng)中去。所以, 它應具有良好的接口, 有很強的組合能力, 可與其他的功能單元進行有機地組合, 構成完整的系統(tǒng); 3) 具有通用性: 模塊應是具有標準接口或連接要素的標準單元或通用單元, 應具有典型性, 通用性和兼容性[5]。

測試平臺通過工業(yè)板卡對來自魚雷的信號進行測試, 或為魚雷提供激勵信號, 再對魚雷的輸出信號進行測試。這些信號數(shù)量多, 大部分具有以下特點: 1) 來自魚雷的待測信號幅度往往大于+10 V,超出普通工業(yè)板卡采集范圍; 2) 部分來自魚雷的待測信號驅動能力很弱; 3) 測試平臺提供的信號在進入魚雷前需要進行隔離。

由于通用工業(yè)板卡對輸入信號的幅度、頻率等方面存在限制, 因此許多來自魚雷的信號都需要經過調理才能夠進入工業(yè)板卡進行處理。同時, 為保證魚雷和測試設備的使用安全, 輸入魚雷的信號一般需要先進行隔離。

目前, 上述信號均通過專用適配器的調理電路進行衰減、隔離, 而在魚雷產品測試過程中, 具有上述特點的信號數(shù)量有數(shù)十甚至上百種之多, 這些信號的專用調理電路在研制中存在重復設計、通用性差等問題。因此, 迫切需要采用通用化、模塊化的方法來提高調理電路設計效率。

2 通用信號調理模塊

根據(jù)魚雷輸入和輸出信號的特點, 將通用化硬件模塊分為信號衰減模塊、模擬信號隔離模塊和數(shù)字量/開關量信號隔離模塊3類。下面分別對3種模塊進行介紹。

2.1 信號衰減模塊

信號衰減模塊的主要功能是把來自魚雷的信號幅度衰減到工業(yè)板卡能夠接收的范圍之內, 而對信號的相位等性質不產生影響。

通常的信號衰減可采用電阻分壓的方法, 這種方法的優(yōu)點在于電路簡單、可靠; 缺點是在后級輸入阻抗大小不可預知或前級信號驅動能力較弱時, 會出現(xiàn)衰減功能單獨調試正常, 但系統(tǒng)聯(lián)調不正常的情況, 表現(xiàn)為衰減后的信號不滿足要求。電阻分壓衰減信號的方法存在的另外一個問題是通用性較差, 不同幅度的信號衰減需要使用不同阻值的電阻來進行分壓, 易受精度影響, 同時種類繁多的電阻也為采購帶來壓力。

2.1.1 信號衰減模塊框圖及功能

基于對數(shù)D/A轉換器AD7111和運算放大器OP492, 提出一種通用可調節(jié)信號衰減模塊, 其基本功能框圖見圖1。

圖1 衰減模塊功能框圖

輸入電壓信號進入對數(shù)D/A轉換器, 通過數(shù)字/模擬轉換(digital audio compress, DAC)網絡進行衰減。衰減公式如下

其中,為十進制的衰減碼字。

對數(shù)轉換器AD7111的輸出為電流信號, 需通過第1級運算放大器OP492將電流信號轉為電壓信號輸出, 同時由于第1級運放為負反饋運算放大器, 輸出信號與輸入信號極性相反, 因此需經由增益為–1的第2級反向運算放大器OP492, 得到與輸入信號極性一致而幅度已被衰減的輸出信號。衰減量控制碼字(0～7)由8位撥碼器開關進行控制, 用戶根據(jù)衰減量要求, 將十進制的衰減碼字轉換成二進制, 將撥碼開關置于相應位置。對電路模塊上電, 在控制邏輯電路的作用下, 將衰減量控制碼字寫入AD7111, 電路就會按這一衰減量對輸入信號幅度進行衰減。與程控衰減相比, 使用撥碼開關控制衰減量更加簡單、可靠、便于操作。此外, 通過撥碼開關將衰減量配置為0, 則可以將此模塊用作信號跟隨器使用。

2.1.2 信號衰減模塊實測

使用信號源提供正弦波信號, 輸入信號衰減模塊, 使用示波器采集衰減后的信號, 得到的試驗結果如下圖。圖2~圖4是對幅度為+10V的正弦波信號信號進行衰減前后的實測結果, 衰減量分別為6 dB, 12 dB和24 dB, 信號幅值分別衰減為輸入信號的0.5倍, 0.25倍和0.0625倍。從圖中可以看出, 信號衰減后的波形幅度和相位均符合要求, 達到了預期的目的。

圖2 0.5倍信號衰減實測圖

圖3 0.25倍信號衰減實測圖

圖4 0.0625倍信號衰減實測圖

2.2 模擬信號隔離模塊

為保證魚雷和測試設備的使用安全并避免在測試中引入噪聲, 輸入魚雷的信號一般要求進行隔離。對于模擬信號的隔離, 方法主要有隔離變壓器隔離、線性放大器隔離和光電隔離等。變壓器隔離有很好的線性度, 但是這種隔離方式成本高, 而且不容易做成IC, 限制了它的應用; 線性隔離放大器克服了后一個缺點, 但也存在成本高的問題, 目前魚雷測試設備一般采用這種方法隔離; 線性光耦成本較低, 且通過合理設計也可以實現(xiàn)高精度的隔離[5]。

這里提出一種基于運算放大器MC33072和高線性度模擬光耦合器HCNR201的模擬信號隔離模塊, 基本功能框圖見圖5。

圖5 模擬信號隔離模塊框圖

線性光耦HCNR201是隔離模塊的核心, 它由一個高性能發(fā)光二極管 (light emitting diode, LED)和2個相鄰匹配的光敏二極管PD1和PD2組成, 這2個光敏二極管有著完全相同的性能參數(shù)。LED是隔離信號的輸入端, 當有合適電流流過時就會發(fā)光, 2個光敏二極管在有光照射時就會產生電流, HCNR201的內部封裝結構使得PD1和PD2都能從LED得到近似光照, 且感應出正比于LED發(fā)光強度的光電流。光敏二極管PD1起負反饋作用, 用于消除LED的非線性和偏差特性帶來的誤差, 改善輸入與輸出電路間的線性和溫度特性, 穩(wěn)定電路性能。光敏二極管PD2是線性光耦的輸出端, 接收由LED發(fā)出的光線而產生與光強成正比的輸出電流, 達到輸入及輸出電路間電流隔離的作用。

HCNR201的內部封裝結構、內部2個光敏二極管的嚴格比例關系及反饋保證了線性光耦的高穩(wěn)定度和高線性度, 其非線性度可達到0.01%, 最大值為0.05%, 同時, 該器件有高達1 MHz的帶寬, 低至–65×10–6/℃的增益溫度系數(shù)。這些特征決定了該芯片在模擬信號的隔離中有著廣泛的應用。HCNR201的內部結構如圖6所示。

由于雙極性信號隔離電路中的兩片線性光耦是互補關系, 電路中正極性信號隔離電路與負極性信號隔離電路原理相同, 只是信號輸入方向和電壓極性相反。因此這里只對正極性信號隔離電路進行分析, 如圖7所示。

圖6 HCNR201內部結構圖

圖7 模擬信號隔離電路原理分析圖

并且

其中,1和2為伺服電流增益和正向增益。由電路可知

則電路電壓增益為

從式(4)和式(5)可以看出, 該隔離電路的電壓增益只與電阻2和3有關, 而與光耦的電流傳輸特性無關, 從而實現(xiàn)電壓信號隔離。

2.2.1 仿真試驗

為了驗證模塊設計的正確性, 使用Multisim軟件進行了功能仿真, 其原理如圖8所示。

圖8 功能仿真原理圖

通過對電路參數(shù)的合理配置, 有效地減小了波形的失真, 交越失真基本消失。使用虛擬信號源產生頻率100 kHz, 峰峰值10 V的正弦波, 通過虛擬示波器采集得到隔離前后的波形如圖9所示, 從圖中可以看出, 輸入輸出的信號波形幾乎完全重合, 體現(xiàn)了良好的頻率特性, 也證明這一設計思路是可行的。

2.2.2 模擬信號隔離模塊實測

對電路進行實測, 得到了不同頻率下的試驗結果如下圖。圖10~圖13分別顯示了電路對10 kHz, 40 kHz, 70 kHz和100 kHz正弦波隔離前后的結果(圖中波形走向較完美的是隔離前的信號), 可以看出, 隔離后的波形與隔離前的波形相位幾乎完全一致, 而在高頻時(70kHz以上), 正半軸的波峰附近出現(xiàn)了一些失真。因此, 該模擬信號隔離模塊在輸入信號頻率不高于50 kHz時表現(xiàn)良好, 完全能夠滿足帶寬20 kHz的設計要求。

圖9 仿真波形圖

圖10 10 kHz正弦波信號隔離實測圖

圖11 40 kHz正弦波信號隔離實測圖

圖12 70 kHz正弦波信號隔離實測圖

2.3 數(shù)字量/開關量信號隔離模塊

相對模擬量信號隔離而言, 數(shù)字信號的隔離方法較為成熟、簡單, 常見的方法是使用光電耦合器或數(shù)字隔離器隔離。該模塊選擇光電耦合器HCPL5231作為核心器件, 供電范圍為4.5~20V, 單通道輸出電流達到15mA, 帶寬可達10MBd, 完全能夠滿足當前專用測試設備中數(shù)字量/開關量信號的隔離要求。由于光電耦合器電路設計較為簡單, 此處不加贅述。

圖13 100 kHz正弦波信號隔離實測圖

3 結束語

模塊化設計作為一種新的設計理論和方法, 已作為現(xiàn)代軍事裝備的特征標志予以強調。隨著魚雷專用測試設備的種類和數(shù)量的不斷增加, 急需通過模塊化設計來降低研制、生產成本, 提高效率和可靠性。本論文的研究成果實現(xiàn)了魚雷專用檢測設備接口硬件模塊化和標準化設計, 在魚雷專用測試設備的研發(fā)中有著重要的現(xiàn)實意義和廣泛的應用前景。

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(責任編輯: 楊力軍)

Design and Implementation of Interface Modularization for Special Testing Equipment of Torpedo

LI Yan

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To improve the efficiency of interface design for special testing equipment of torpedo(STET), a method of interface design based on modularization is proposed. According to the function, the hardware of the interface is divided into three of standard modules, i.e. the signal attenuating module, the analog signal isolating module, and the digital/switch signal isolating module. Signals can be conditioned by combining these modules. Simulation and measurement show that these modules can achieve the function of signal condition well and realize modularization and standardization of the interface for STET.

special testing equipment of torpedo; modularization; interface

2013-12-17;

2014-04-16.

李 彥(1980-), 男, 碩士, 主要從事計算機硬件方面研究與設計.

TJ630.6

A

1673-1948(2014)04-0267-05