面向通用開發平臺的操雷系統等效模擬及實時監控裝置

李　偉，鄧　鵬，汪洪升

（1. 海軍潛艇學院 導彈兵器系， 山東 青島， 266042； 2. 中國人民解放軍92196部隊， 山東 青島， 266012）

面向通用開發平臺的操雷系統等效模擬及實時監控裝置

李偉1，鄧鵬1，汪洪升2

（1. 海軍潛艇學院 導彈兵器系， 山東 青島， 266042； 2. 中國人民解放軍92196部隊， 山東 青島， 266012）

針對通用化操雷系統的使用需求， 開發了操雷系統等效模擬及實時監控裝置， 闡述了其系統組成及工作流程， 基于可擴展通用開發平臺的設計思路， 從Visual Basic（VB）的技術特點及運用、嵌入式工控機技術、基于DTE3216和USB20D的多通道高速數據采集技術以及操作界面和軟件流程設計等方面闡述了技術對策及實現方法。這一裝置可替代實際操雷系統參與魚雷檢測調試， 實現狀態在線監控， 減少裝備損耗， 提高工作效率。

操雷系統； 等效模擬； 實時監控； 通用平臺

0　引言

在魚雷的教學、訓練和維修中， 需要經常使用操雷系統， 進行系統調試和全雷聯調。目前，各型操雷系統不能通用， 操作方法各異， 使用效率較低， 給使用方的學習和掌握帶來不便。

在魚雷技術準備中， 需要記錄調試過程中的很多重要參數， 以便分析魚雷的技術狀態， 判斷魚雷是否工作正常。有些型號采用記錄后數據回放的方式， 需要在整個魚雷檢測過程結束后卸下記錄微機， 與專門的設備連接后導出數據進行分析。這樣， 在魚雷調試過程中， 難以實時了解魚雷的工作參數并快速做出技術判斷。另外， 在操雷技術準備現場教學中， 需要將檢測過程中的重要參數和關鍵節點同步直觀顯示出來， 一旦出現異常或誤操， 能夠立即提示告警， 便于分析解決。雖然有些新型操雷能夠進行實時數據的傳送和顯示， 但由于其顯示界面過于工程化， 從培訓要求看還不夠直觀形象。

基于上述需求， 提出面向通用開發平臺的操雷系統等效模擬及實時監控裝置的技術設想， 替代實際操雷系統參與魚雷檢測調試， 實現狀態在線監控， 減少裝備損耗， 提高工作效率。

1　功能組成及工作流程

操雷系統等效模擬及實時監控裝置主要由上位機、下位機、系統專用軟件和可擴展標準機柜等組成， 可以等效模擬實際操雷系統的電路及工作特性（含負載、通路、激勵、響應及接口等）， 完成系統調試（段調）和全雷聯調， 并實現檢測調試的實時在線監控。

上位機采用研華工控機， 基于Visual Basic （VB）6.0平臺進行軟件開發， 通過數據采集板、USB接口電路實現與下位機的高速通信（包括指令控制和信息反饋）， 原理見圖1。

圖1　操雷系統等效模擬及實時監控裝置（上位機）原理框圖Fig. 1　Block diagram of equivalent simulation and realtime monitoring device（upper computer） for torpedo exercise system

下位機（即操雷系統等效模擬器）由監控電路、電源電路、模擬壓力（水深）電路、控制電路、信號轉接處理電路、模擬雷位指示器1（信號彈示位）、模擬雷位指示器2（無線電或北斗示位）、模擬沉雷指示器（音響示位）、內測記錄及現放/回放電路、深度傳感器電路、專用電纜及信號電纜、總體結構等組成。對外接口設有前端專用連接器、后端專用連接器、檢查端口、回放端口等。

下位機組成原理框圖見圖2。雷上控制系統正常停車、超淺信號、超深信號、深度信號和由全雷電路提供的控制停車、供電異常等信號作為外中斷送入下位機控制電路， 中斷模塊對中斷信號進行處理和優先級排隊后送入CPU， CPU響應中斷后， 分別執行不同的停車流程， 停車流程中各種指令的發出及時序， 都要以當前模擬航行深度為前提。上位機發出的深度信號通過下位機模擬壓力電路處理后， 輸出信號與超淺、超深等門限信號進行比對判斷， 從而發出相應的指令。CPU發出的停車、操舵及各種雷位指示指令經過驅動電路后， 輸出相應電壓信號， 經信號轉接處理電路執行停車、操舵、啟動雷位指示等流程。

下位機的工作參數和狀態節點， 通過USB總線同步傳送到上位機， 便于實時監控和處置； 同時， 控制電路的深度采樣模塊和數據存儲器完成模擬航深的采樣和記錄， 記錄各種停車信號、動作信號以及發生時間， 為故障分析提供依據。

圖2　操雷系統等效模擬及實時監控裝置（下位機）原理框圖Fig. 2　Block diagram of equivalent simulation and realtime monitoring device（lower computer） for torpedo exercise system

2　開發平臺及技術應用

通過對國內比較有代表性的幾種開發技術進行了研究和比較［1-2］， 并結合通用操雷系統的功能需求和使用特點， 力圖找到技術可行、性能可靠、易于操作的實現方法。

2.1VB的技術特點及運用

實時監控的顯示操作界面是整個上位機的設計核心， 控制和管理整個系統。通過劃分相應的功能模塊， 實現模塊化設計， 使系統軟件易于調試、維護和升級。

界面設計使用VB6.0程序設計語言。VB 6.0是基于Basic的可視化程序設計語言， 具有簡單易用的特點， 在其編程系統中采用了面向對象、事件驅動的編程機制， 把Windows的編程復雜性封裝起來， 提供了一種所見即所得的可視化程序設計方法。

由于VB6.0具有支持多種數據庫系統的訪問和支持動態數據交換（dynamic data exchange，DDE）、動態鏈接庫（dynamic link library， DLL）和對象的鏈接與嵌入（object linking and embeding，OLE）功能， 因此， 其作為一種面向對象的可視化編程工具， 越來越多地用作數據庫應用程序的前端開發工具。

2.2基于通用平臺的上位機選型及開發

上位機采用功能較為先進的研華酷睿雙核嵌入式工控機ARK-3420［3］， 該產品支持Intel Core2 Duo處理器并且擁有內置Intel GME965芯片組，具有功能強大的處理器和顯示性能， 能夠滿足本項目開發的多種應用， 包括圖像處理、監控系統、交互系統、自動化以及嵌入式控制應用等。

該裝置在“通用開發平臺”設計中充分運用了ARK-3420的以下功能：

1） 豐富的I/O擴展接口， 可以選擇5種擴展插槽和6個USB接口；

2） 6個可編程功能鍵， 經過編程可實現管理升級、聯網、維護、顯示和報告功能；

3） 支持9～34 V的寬范圍直流電源（direct current， DC）輸入， 滿足操雷測試的不同電源環境；

4） 支持2個2.5英寸SATA HDD（HardDisk-Drive）（超大容量）和1個CF（Compact Flash）卡， 提供充裕的可擴展存儲空間；

5） 支持寬屏高分辨率雙顯示， 特別適用于教學中操作者和受訓者的同步觀察和互動分析；

6） 防護等級IP40， 抗沖擊、抗震動和防塵性良好， 適應不同的操雷測試環境。

2.3多通道高速數據采集及通信技術

該裝置采用DTE3216多通道高速數據采集板［4］， 結合先進的現場可編程門陣列（field-programmable gate array， FPGA）和USB2.0接口技術， 能夠進行100 kHz的連續數據采集， 并對采集數據快速存儲和讀取。

USB20D是專門開發的通用接口模塊［5］， 它隱藏了通過USB總線進行數據傳輸所需的繁瑣技術細節。應用程序通過調用模塊提供的函數，可以把相應的功能轉變成模塊硬件接口上的一系列脈沖和電平， 發送到外圍邏輯， 進行指定的數據傳輸， 從而簡化USB設備的研發工作。

數據采集電路功能單元組成如圖3所示。其中： 前端信號調理單元用于下位機32路模擬量輸入信號的阻抗匹配及濾波處理； 多選器由2個16通道的32路選擇器組成， 其輸出進入程控放大單元； 程控放大器單元由FPGA控制動態實現1～16倍的放大； A/D轉換單元完成16位100 kHz模數轉化， 采取FPGA控制方式； D/A轉換單元完成12 bit數模轉化及信號輸出調理。

圖3　采集板的組成單元及布局圖Fig. 3　Component units and layout of data collectionboard

該項目搭建的操雷模擬系統通用開發平臺，可以實現全雷參數的256個通道自動組合掃描、魚雷各系統不同信號的高精度模數（A/D）轉換、現場硬件可編程邏輯、全雷海量數據的緩存、大容量靜態隨機存取存儲器（static random access memory， SRAM）的先進先出（first in first out， FIFO）功能以及高級語言（VB/VC/Delphi）的實時控制。

USB20D高速模塊完成外圍器件互聯（peripheral component interconnect， PCI）到USB的總線制式轉換， 實現數據采集板采集數據的打包傳送及工控機模擬的壓力信號實時傳遞。通過動態鏈接庫調用接口函數實現數據通信， 完成系統工作的節點控制。

3　軟硬件構建及設計

綜合運用電子傳感技術、負載模擬技術、工控機技術和信號傳輸技術等， 進行軟硬件開發。

3.1下位機電路

下位機即操雷系統模擬器， 其各電路模塊直接安裝在插入式標準機箱內。由于標準機箱空間狹小， 各功能模塊盡量小型化。

1） 電源電路

電源電路選用集成一體化線性電源模塊， 通過外圍控制， 輸入220 V交流電， 按控制電路時序要求， 依次提供6路輸出電壓： 2路12 V、1路15 V、1路30 V、1路5～5.5 V。

2） 壓力模擬電路

模擬壓力電路由1個15 V電源供電， 采用2路精密電壓控制， 分別模擬淺水和深水傳感器的直流輸出， 形成0～5 V標準電壓。

3） 控制電路

控制電路主要由集成芯片、定時電路、中斷模塊、多通道深度采樣模塊、停車控制電路、操舵電路及雷位指示驅動電路等組成。

4） 信號轉接處理電路

由隔離電路板、輸入輸出電路、電平轉換電路及檢查插座和電纜等組成。

5） 模擬雷位指示器電路

模擬雷位指示器1（信號彈）和模擬雷位指示器2（無線電信標）由印制板、連接器、控制模塊組成， 通過發光二極管指示運行狀態。

6） 模擬沉雷指示器

模擬沉雷指示器設計有振蕩電路、開關電路、功放電路和換能器， 當收到啟動信號后， 振蕩電路產生具有正弦脈沖信號， 輸出人耳能聽到的發射聲音。

7） 數據記錄及傳輸電路

該電路由記錄模塊、信號適配組件及專用電纜組成。記錄模塊負責對雷上需測信號的采集、記錄和存儲； 信號適配組件為記錄裝置和其他系統之間的接口， 負責將被測信號進行轉換和匹配。

3.2操作界面及軟件流程

軟件設計包括構成操作界面和達成網絡通信協議。根據裝置運行要求， 系統軟件需在超深、超淺、超安全等不同設置下， 完成操雷和控制壓力計的模擬壓力信號輸出［6］、數據信號的類型判斷及時序輸出。全系統的軟件功能模塊如圖4所示。

各模塊實現的功能如下。

1） 系統登錄： 實現授權用戶的登錄。

圖4　軟件系統功能模塊設計Fig. 4　Design of function modules in software

2） 雷型選擇： 選擇需要測試的操雷型號。開放平臺為各型操雷系統留有接口模塊， 可以實現硬件的擴展搭建和軟件的快速開發。

3） 測試單元： 完成適時監控的參數設置和等效模擬的功能測試， 測試單元模塊又分為測試參數設置、壓力信號輸出、信號通道檢測、信號時序顯示和可擴展接口等單元。

上位機操作界面的參數設置模塊見圖5， 可通過界面左側“參數設置”區域對超深、超淺、超安全、航行時間等參數進行設置， 并通過數據采集板輸入輸出（input/output， IO）口將參數信息傳遞給下位機； 操雷和控制2路模擬壓力計的輸出可以通過調整圖5中對應的上、下（“加”、“減”）按鈕鍵來調整數值大小， 隨著壓力計數值的變化，圖中壓力計對應曲線發生變化， 同時數據采集板D/A口輸出相應的電壓值； 信號通道檢測與信號時序檢測配合使用， 將實時采集到的操雷啟動、異常、停車及內測等所有信號類型和時序顯示在相應的窗體中， 并將測試結果以紅、黃、綠狀態燈顯示。

圖5　參數設置及調節界面Fig. 5　Interface of parameter setting and adjustment

系統軟件主要完成2方面的任務［5］： 與數據采集板進行通信， 以獲得測試數據； 將參數設置與模擬壓力計的信號發送給數據采集板及下位機。系統軟件在同一界面進行開發， 通過“信號清零”實現系統變量的初始化， 同時將模擬操雷壓力計和模擬控制壓力計清零。壓力計數值的變化反映魚雷航深的變化， 系統工作時模擬和監控魚雷實際航行中的各種可能情況。軟件工作流程見圖6。

圖6　系統軟件流程圖Fig. 6　Flow chart of system software

3.3技術難點及解決方法

1） 研制的等效模擬及監控裝置接入魚雷后，必須與其前部的頭段、其后部的中后段以及與總體檢查臺等實裝設備完全適配， 包括電器接口、通信協議和負載特性等， 上位機（工控機）的信號采集和指令控制不能影響原來的全雷技術準備流程和信號傳輸關系。

在樣機試驗中， 全雷聯調中出現過異常報警情況， 顯示各種錯誤信息。經研究分析， 應該是模擬傳感器電路帶載能力不夠（與實際傳感器相比）， 接入全雷電路后電壓下降太多， 不能滿足實裝檢測臺的判據條件， 出現錯報。在后期改進中，增加了專門的功率放大電路， 提高帶載能力， 解決了這一問題。

2） 魚雷原有的操雷段檢測臺工作過程中存在較強靜電， 開發中重點解決電磁兼容問題， 使得該裝置能夠抑制操雷段檢測臺的電磁干擾， 保證正常工作。設計中， 除了采用光電隔離、射級跟隨等技術， 還專門設計了隔離繼電器板， 通過自動觸點斷開措施將可能的互擾進行物理隔離。

4　結束語

為了能夠更好的滿足操雷系統在實際使用中的各種需求， 文中構建了一種可覆蓋多型操雷系統的通用化開放式模擬測試平臺， 其具有功能全面， 擴展性強的特點。基于FPGA和USB2.0的多通道高速信號采集和數據打包快送技術， 實現了魚雷工作狀態的外測同步顯示和實時監控， 對魚雷航深（水壓）的數字化模擬和高精度控制起到很好效果， 可以簡化魚雷技術準備操作內容。

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（責任編輯： 許妍）

Equivalent Simulation and Real-time Monitoring Device for Torpedo Exercise System Orienting General Development Platform

LI Wei1，DENG Peng1，WANG Hong-sheng2

（1. Department of Missile and Weaponry Engineering， Navy Submarine Academy， Qingdao 266042， China； 2. 92196thUnit， The People′s Liberation Army of China， Qingdao 266012， China）

Focusing on the general utilization requirement of a torpedo exercise system， this paper expounds the structure and workflow of the equivalent simulation and real-time monitoring device for the torpedo exercise system. Based on the design idea of extendable general development platform， the paper elaborates the technical countermeasures and implementation methods in terms of the technical features and applications of Visual Basic， the embedded industrial computer technology， the multi-channel high-speed data collection technology based on DTE3216 and USB20D， the operation interface， and the design progress of software， etc. This device can play the role of actual torpedo exercise system in torpedo testing and debugging， and can realize on-line condition monitoring， reduce equipment loss， and improve work efficiency.

torpedo exercise system； equivalent simulation； real-time monitoring； general platform

TJ630.6； E925.23

A

1673-1948（2015）03-0222-05

2015-03-06；

2015-03-18.

李偉（1967-）， 男， 副教授， 博士， 研究方向為潛用武器作戰使用及保障.