某型聲納預(yù)處理機PCB測試儀的研制*

李清平 楊合圣 王茂林

(92823部隊 三亞 572021)

某型聲納預(yù)處理機PCB測試儀的研制*

李清平 楊合圣 王茂林

(92823部隊 三亞 572021)

在海軍電子裝備維修工作中,PCB的測試與維修已成為其重要內(nèi)容。論文針對某型聲納的現(xiàn)狀,給出了以單片機為控制核心的某型聲納預(yù)處理機PCB測試儀的總體設(shè)計方案,介紹了測試儀的功能要求,設(shè)計思路、主要硬件及軟件結(jié)構(gòu)。

PCB; 測試技術(shù); 測試儀

Class Number TP391

1 引言

某型聲納是我軍現(xiàn)代國產(chǎn)潛艇標(biāo)準(zhǔn)配制的主戰(zhàn)聲納,其功能是在觀察扇面內(nèi)對噪聲目標(biāo)、聲納脈沖目標(biāo)進行搜索和被動測向;在觀察扇面內(nèi)對噪聲目標(biāo)、聲納脈沖目標(biāo)進行被動測距[1]。由于該聲納能在隱蔽狀態(tài)下測量目標(biāo)的航向、距離等重要參數(shù),因此其戰(zhàn)術(shù)地位十分重要。隨著服役年限的增加,其故障率呈上升趨勢。通過長期對該型聲納的維修保障,我們發(fā)現(xiàn)該型聲納的故障主要集中在預(yù)處理部分,而預(yù)處理機故障的90%是由PCB引起的。該聲納預(yù)處理機PCB數(shù)量較多,而配備的備用PCB很少,由于一塊PCB不能及時修復(fù)而引起整臺聲納喪失戰(zhàn)術(shù)性能的情況時有發(fā)生。因此,解決該型聲納預(yù)處理機PCB的測試和維修問題顯得極為重要。

目前,修理廠(所)檢測該聲納PCB的方法如下: 1) 利用樣機修理。即將有故障的PCB插入樣機的相應(yīng)位置,借助樣機提供的工作環(huán)境進行測試和維修。 2) 利用電子儀器修理。即將電源和信號源通過人工方法接入PCB,再利用測試儀器對PCB進行檢測。這兩種方法均存在一定缺陷:第一種方法需要有樣機,而配備一臺樣機需幾百萬元,價格昂貴,而且由于機器的工作方式所提供的工作環(huán)境對許多PCB來說不便于檢測。第二種方法工作量大、連線極為繁瑣,使維修效率低下,對維修人員要求很高,維修人員要掌握PCB結(jié)構(gòu)原理,而且還須熟知技術(shù)指標(biāo)。由于聲納PCB種類繁多,要做到這一點是有一定困難的[2]。

本課題從實用和經(jīng)濟角度出發(fā),綜合考慮了國內(nèi)外PCB測試技術(shù)的優(yōu)缺點,研制出某型聲納預(yù)處理機測試儀。本測試儀可實現(xiàn)對某型聲納預(yù)處理機PCB的自動測試及輔助診斷,極大提高了PCB的維修效率。

2 系統(tǒng)功能要求及設(shè)計思路

2.1 功能要求

1) 自動給被測PCB提供最佳測試環(huán)境。系統(tǒng)根據(jù)被測PCB的電路特點,提供合適的激勵信號,并自動將激勵信號加至PCB信號輸入端,使PCB處于一種最適合測試的工作狀態(tài);

2) 自動將PCB響應(yīng)信號采集到單片機中,利用計算機本身的軟、硬件資源和較為成熟的測量技術(shù),完成對采集信號的技術(shù)參數(shù)(頻率、電壓峰—峰值)的測量和顯示,并與存儲在計算機中的其標(biāo)準(zhǔn)值進行比較,對被測PCB的技術(shù)狀況進行評估;

3) 為了方便示波器檢測,自動將各PCB輸出信號轉(zhuǎn)接至面板上的測試孔。

4) 能對測試儀本身進行故障自檢。

2.2 設(shè)計思路

根據(jù)功能要求,我們給出了本測試儀樣機的總體設(shè)計思路:

1) 直流電源采用開關(guān)電源,以減小測試儀的體積和重量;

2) 采用單片機系統(tǒng)來完成測試儀的數(shù)字信號產(chǎn)生、信號采集、信號處理及參數(shù)顯示等工作,以提高系統(tǒng)可靠性;

3) 由于各型預(yù)處理PCB所需信號種類較多,為便于控制,信號源采用以8038芯片為核心構(gòu)成的程控信號源;

4) 考慮到“波束轉(zhuǎn)換器”板輸入信號較多,如它與其它電路板共用一個接口,勢必會使轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)電路過于復(fù)雜,因此本測試儀為“波束轉(zhuǎn)換器”板單獨安排了一個接口,其它電路板共用一個測試接口。

3 功能實現(xiàn)

3.1 總體方案

本測試儀由以下模塊組成: 1) 程控信號發(fā)生器; 2) 轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)電路; 3) 主控單片機系統(tǒng); 4) 顯示模塊; 5) 電源模塊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

信號源采用程控信號發(fā)生器,由于不同被測PCB所需信號的頻率、幅度不同,所以在PCB選擇開關(guān)控制下,產(chǎn)生與相應(yīng)被測PCB所需頻段和幅度的信號,在頻段的范圍內(nèi)頻率可以通過頻率調(diào)節(jié)旋鈕連續(xù)地調(diào)節(jié),各種輸入信號通過轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)加到測試儀的接口,轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換同樣要受PCB選擇開關(guān)控制,確保和被測PCB同步。數(shù)字信號由CPU控制電路產(chǎn)生,經(jīng)過鎖存后送到接口,測試儀接口的狀態(tài)根據(jù)PCB選擇開關(guān)的位置而自動轉(zhuǎn)換,使之符合被測PCB工作所需的條件,讓被測電路板處于實時運行狀態(tài)。

圖1 測試儀總體框圖

對輸出模擬信號電壓的檢測采用傳統(tǒng)的電壓波形檢測技術(shù)。輸出信號通過轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、AC/DC轉(zhuǎn)換電路、波形整形電路及A/D轉(zhuǎn)換電路(處理),最后輸入到CPU控制電路,由CPU控制電路調(diào)用相應(yīng)的處理程序,經(jīng)分析判別以及計算后送到顯示電路,由顯示單片機在LED上顯示被測數(shù)據(jù),根據(jù)顯示數(shù)據(jù),就可以判斷PCB工作是否正常。

3.2 硬件設(shè)計

測試儀硬件部分主要包括以下幾部分:信號源、轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、CPU控制電路、顯示電路、AC/DC轉(zhuǎn)換電路、波形整形電路、譯碼電路、鎖存電路、驅(qū)動電路、電源部件等,其總體構(gòu)框圖成如圖2所示。

圖2 測試儀硬件結(jié)構(gòu)

1) 信號源部分:為預(yù)處理各型PCB提供所需的不同頻段和幅度的信號源。本系統(tǒng)選用ICL8038芯片,它可以產(chǎn)生正弦波、方波和三角波。只要調(diào)整控制電壓,就可以改變信號的頻率。幅度調(diào)節(jié)電路由模擬開關(guān)4051和運放LF347構(gòu)成,可以自動把信號幅度調(diào)節(jié)到被測PCB所需的范圍。

2) 轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)部分:由模擬開關(guān)CD4051和繼電器構(gòu)成,共同完成對輸入輸出信號的轉(zhuǎn)接。當(dāng)面板上PCB選擇開關(guān)置于不同工作位置時,轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)就自動把接口切換到對應(yīng)PCB板所需的工作環(huán)境。

3) CPU控制電路是由集成電路AT89S51為核心構(gòu)成的單片機系統(tǒng)[3]。作用是:產(chǎn)生測試所需的數(shù)字信號;對被測PCB數(shù)字響應(yīng)信號(經(jīng)整形電路)及模擬輸出信號(經(jīng)A/D變換電路)進行相關(guān)處理與判斷,并送入顯示單片機電路進行顯示。

4) AC/DC轉(zhuǎn)換電路:由集成運放LF347構(gòu)成,作用是把交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。

5) A/D轉(zhuǎn)換電路:采用ADC0809芯片[4],作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換成CPU控制電路所需要的數(shù)字信號。

6) 整形電路:對送入到CPU控制電路的被測PCB輸入輸出信號進行整形。

7) 譯碼電路:采用3-8譯碼器對轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)進行控制。

8) 鎖存電路:用于對CPU產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行鎖存,并把鎖存的數(shù)據(jù)送到接口。

9) 驅(qū)動電路:由于CPU擴展總線的負(fù)載能力有限,這時必須在總線上加驅(qū)動器,才能可靠工作。

10) 電源:為各電路提供所需要的直流電源。

3.3 軟件設(shè)計

本測試儀的軟件設(shè)計包括兩部分,一部分為控制單片機軟件,另一部分為顯示單片機軟件。軟件采用模塊化程序設(shè)計思想,用匯編語言編寫完成,不僅節(jié)省了內(nèi)存,而且調(diào)用極其方便。主要完成對被測PCB輸出數(shù)據(jù)的處理、CPU控制電路和顯示電路間數(shù)據(jù)的交換、被測PCB輸出信號參數(shù)及狀態(tài)的顯示和測試儀的自檢等功能。

本測試儀的軟件模塊包括主程序、電壓測量程序、頻率測量程序、脈寬測量程序、通信程序、波束控制器檢測程序等六大部分。

4 結(jié)語

某聲納預(yù)處理測試儀經(jīng)過一年多時間的研制,完全實現(xiàn)了預(yù)定功能,為該型聲納預(yù)處理機PCB提供了一個高效的維修調(diào)試平臺。利用該測試儀可以對預(yù)處理機PCB快速測試,與示波器配合使用還可以快速準(zhǔn)確地查找出故障點,進行器件級維修,迅速恢復(fù)PCB的技術(shù)性能。從而縮短了裝備維修周期,提高了部隊?wèi)?yīng)急反應(yīng)能力,具有較高的軍事和經(jīng)濟價值。

[1] Qihu Li. Digital Sonar Design in Underwater Acoustics: Principles and Applications[M]. New York: Springer-Verlag press,2012:47.

[2] 田壇,劉國枝,孫大軍.聲納技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2000:58.

[3] 孫育才,王榮興,孫華芳.ATMEL新型AT89S52系列單片機及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[4] 張端.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計[M].北京:高等教育出版社,2003.

[5] 張義和.Protel Schematic 98操作應(yīng)用手冊[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[6] Camdy J. V. Model based signal processing in the ocean. IEEE Oceanic Eng. Society News Letter, XXXV-3,2000:199-205.

[7] ROSS, W. A. The Impact of Next Generation Test Technology on Aviation Maintenance[C]//DoD Automatic Test Systems Executive Agent Office Naval Air Systems Command PMA260D,267.

[8] Zhang J. Improved on-line process fault diagnosis using stacked neural networks[C]//Proceedings of the IEEE Int. Conf Contro Applications, Glesgow,2002:689-694.

[9] Zhu You-chan, Xiong Wei, Jing Yong-wen, et al. Design and realization of integrated classifier based on Rough Set[J]. Journal on Communications,2006,27(21):63-66.

[10] Pillay A, Wang J. Modified Failure Mode and Effects Analysis Using Approximate Reasoning[J]. Reliability Engineering And System Safety,2006(79):69-85.

Development of PCB Testor for some Type of Sonar Pretreatment Epuipments

LI Qingping YANG Hesheng WANG Maolin

(No. 92823 Troops of PLA, Sanya 572021)

Test and maintaining of PCB have been very important in maintaining work of navy electronic equipments. According to the status of some type of sonar equipments, the whole design scheme of PCB testor for some type of sonar pretreatment equipments whose control center is a single chip is put forward, and its function requirements, designing way, central hardware and software framework are presented.

PCB, test technology, testor

2014年6月3日,

2014年7月27日

李清平,男,高級工程師,研究方向:聲納裝備保障。楊合圣,男,工程師,研究方向:聲納裝備保障。王茂林,男,碩士,工程師,研究方向:聲納裝備保障。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.050