魚雷通用檢測設備總體設計

王敬堂, 張 宇, 廉曉園, 李 彥, 謝 華

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魚雷通用檢測設備總體設計

王敬堂, 張 宇, 廉曉園, 李 彥, 謝 華

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

為了提高魚雷檢測設備標準化、模塊化、通用化水平, 采用“通用硬件平臺＋專用適配器”的模式對魚雷通用檢測設備進行了總體設計。通用硬件平臺基于PXI總線和LXI總線, 采用通用測試接口與不同的專用適配器進行連接, 可以在一套檢測設備中輕松實現多型魚雷武器或特定型號魚雷多個組件的功能測試和故障排查。產品應用結果表明, 魚雷通用檢測設備硬件具有通用性, 軟件具有可移植性和互操作性, 較之傳統檢測設備更方便對后續魚雷型號的保障功能進行開發和擴充, 具有極強的可擴展性, 該設備的研制和設計為海軍武器保障裝備的研制和應用提供了參考。

魚雷檢測設備; 模塊化; 可擴展性

0 引言

為了應對世界軍事威脅及我國近海局勢日趨復雜惡化的態勢, 我國海軍對魚雷武器系統的作戰范圍及深度、探測識別與對抗、協同作戰、快速精確制導、高效毀傷等方面的要求日益提高, 新技術、新材料的使用也使得魚雷武器系統的組成結構日趨復雜, 朝著精密化、數字化、智能化和信息化的方向發展, 對魚雷檢測設備的可靠性、可維修性、通用性以及可擴展性等方面的要求越來越高。同時, 魚雷檢測設備因參與整個魚雷武器系統研制、生產和裝備的全壽命環節, 成為魚雷武器系統研制和裝備過程中不可缺少的關鍵部分[1-3]。

傳統的魚雷保障設備大多采用各種專用的檢測設備, 這些檢測設備規格種類及數量眾多、技術架構不統一, 可靠性穩定性偏低、測試診斷水平低下、軟硬件核心測試資源的通用化、模塊化程度較低[4-5]。

針對這些問題, 采用“魚雷通用硬件平臺+專用適配器”的設計模式, 利用魚雷通用硬件平臺提供核心硬件測試資源, 然后根據檢測對象的測試需求, 分別設計不同的接口轉換適配器和檢測電纜, 根據測試流程編寫風格統一的測試軟件, 控制魚雷通用硬件平臺為被測對象提供必要的電源和相應的激勵信號, 完成被測對象的測試和性能判斷, 可以滿足多種魚雷型號、多種魚雷電子組件的測試需求[6-7]。

1 魚雷通用硬件平臺設計

魚雷通用硬件平臺的體系構架包括測試總線、測試資源、電氣接口和結構設計等內容。

1.1 測試總線

隨著虛擬儀器技術、標準化總線和卡式儀器的發展, 基于VXI(VME bus extensions for instrumentation), PCI(peripheral component interconnect), PXI(PCI extensions for instrumentation),總線的檢測平臺已成為主流, 這些平臺功能強大, 可移植性、兼容性好, 測試精度、標準化程度高、對外接口簡單。其中PXI 總線儀器體積小、質量輕、速度快, 并且具有先進的數字接口與儀器接口功能和良好的電磁兼容性能(electro magnetic compatibility, EMC), 吸收了VXI 總線和PCI 總線技術的諸多優點, 并保持了與CompactPCI 的互操作性。PXI 總線模塊儀器易于集成為不同系統的自動測試系統, 可方便地擴展測試系統的新功能, 具有良好的交互操作性, 是一種性能價格比較高的自動測試系統, 是魚雷通用硬件平臺的首選方案[8]。

LXI(LAN extension for instrumentation)標準是局域網設備儀器的標準, 它可以減少組裝、配置和調試測試系統的時間。LXI 是一個基于以太網技術, 開放的、可訪問的, 由中小型總線模塊組成的新型儀器平臺。其嚴格基于IEEE802. 3、IVI-C/IVI-COM驅動程序、網絡瀏覽器、TCP /IP(transmission control protocol/internet protocol)、時鐘同步協議(IEEE1588)、網絡總線和標準模塊尺寸[9]。

LXI 標準把局域網(local area network, LAN) 引入到測試系統, 為測試工程師提供了更廣泛的靈活性。特別是2004年LXI聯盟成立, 及其制定的LXI標準規范, 10年來各種支持LXI標準的電源、數字表和示波器等標準儀器的發展, 使以LXI總線為調度的電源組合測控小系統成為了成本低廉、控制精確的最優選擇[10]。

可以預見, 未來在模塊化儀器領域, PXI將處于主導地位, 而LXI更加適合分布式應用, 與PXI儀器互為補充。

在魚雷通用硬件平臺的搭建中, 一種測試總線無法很好地滿足所有的測試需求, 為了有效利用已有資源組件測試系統, 便于進行產品測試, 同時節約成本, 采用混合總線形式。以PXI總線為主, 輔以LXI總線, 常規測量激勵資源基于PXI總線實現, LXI總線實現不同PXI機箱、擴展部分以及基于LXI總線的測試資源(如程控電源)之間的互聯[11]。

1.2 測試資源

魚雷通用硬件平臺測試資源主要包括供電單元、測控儀器單元、開關驅動單元、測控計算機、機柜以及監控單元等。其中, 供電單元提供測試所需的各種電源, 一般采用LXI模塊化程控電源; 測控儀器單元是測試資源的核心, 提供激勵信號的產生和檢測數據的采集處理; 開關驅動單元提供信號、電源等的切換控制; 測控儀器單元和開關驅動單元主要采用PXI模塊化儀器; 測控計算機一般采用PXI零槽控制器, 安裝操作系統、驅動程序和測試軟件等, 提供對測控儀器單元、開關驅動單元和供電單元的控制, 其上可運行測試軟件以對被測對象進行測試; 機柜一般選用標準減振機柜, 作為儀器資源的承載結構; 監控單元可以對平臺機柜內的溫度、濕度、供電、累計工作時間等狀態進行監測和記錄。

滿足技術規格及質量等級的國內外廠商的產品均可選用, 但硬件資源的選用遵循以下原則:

1) 為了確保測試資源的互換性, 優先選用滿足IVI規范, 帶IVI驅動的PXI和LXI模塊化儀器產品;

2) 零部件應按照軍用級、工業級的順序優先選用, PXI機箱、零槽控制器、顯示器等優先選用經過環境試驗考核、工作性能穩定的產品;

3) 為了提高平臺的保障性, 在滿足技術要求和工作環境要求的前提下, 優先選用性能和供貨穩定的國產產品和部件。

1.3 電氣接口

魚雷通用檢測設備對不同型號測試的適用性通過更換專用接口適配器、產品連接電纜和運行相應的測試軟件的方式實現, 這要求硬件平臺的通用測試電氣接口是唯一確定的, 由于激勵信號、測試信號、電源和開關的進出都要經過通用測試接口, 因此通用測試接口的連接器插針數量是海量的, 一般達到上千個。為了便于適配器的快速更換, 一般需要采用精密導向盲插機構。魚雷通用硬件平臺的公共測試接口采用美國VPC公司的VPC9025或其兼容產品。

通用測試接口連接組成如圖1所示, 主要由垂直鉸接安裝機架(安裝在機柜或者其他測試設備上)、接收器、電纜組件、接口適配器(interchangeable test adapter, ITA)框架、接口適配器模塊、ITA插線、ITA外殼等組成。測控儀器單元通過轉接電纜與固定在機柜后部的VPC適配接收器(Receiver, 即通用適配接收器)連接。圖2為固定在機柜上的VPC 25模接收器。通用測試接口的模塊定義按信號種類進行劃分, 盡量將強弱電分開以減少干擾。

2 專用適配器設計

專用適配器采用統一框架結構設計, 由機箱、通用測試接口ITA模塊、航空插頭、信號調理電路板、檢測孔和導線等組成。

專用適配器通過ITA模塊與測試平臺連接, 通過航空插頭與魚雷產品連接, 實現電源及信號的轉接。對于不同型號的產品可以通過更換專用適配器的方法進行測試。信號調理電路板對超出測控儀器測量范圍的模擬量信號和開關量信號進行調理。檢測孔可以將適配器內部的重要信號引出, 供調試校準等使用。

專用適配器工作原理如圖3所示。對單芯流向的電源或信號, 檢測設備輸出的電源或信號從ITA端經導線直接連接到航空插頭; 輸入到檢測設備的電源或信號從航空插頭經導線直接連接到ITA端。需多路分接的電源或信號采用接線端子實現一路到多路的分接。對于需要調理的信號經導線傳輸到調理板, 經過調理板電路調理后, 再通過導線傳輸到ITA端或航空插頭。將需要引出的電源、重要信號通過接線端子分接并經導線連接到前板上的檢測孔。

其中, 信號調理電路采用模塊化的接口硬件設計方法, 將魚雷檢測信號按照功能分解為信號衰減模塊、模擬信號隔離模塊、數字量/開關量隔離模塊等3種標準模塊, 并通過對上述模塊的組合, 完成信號調理, 實現硬件模塊化和標準化設計[12]。

3 檢測軟件設計

3.1 軟件開發環境

魚雷通用檢測設備采用Windows 7操作系統, 采用NI公司LabWindows/CVI作為軟件開發工具, CVI是以 ANSIC 為核心的交互式 C 語言開發平臺, 它將功能強大、使用靈活的 C 語言平臺與用于數據采集分析和顯示的測控專業工具有機地結合起來。利用集成化開發環境、交互式編程方法、函數面板和豐富的庫函數大大增強C語言的功能, 為C語言的開發設計人員編寫檢測系統、自動測試環境、數據采集系統以及過程監控系統等應用軟件提供了一個理想的軟件開發環境[13]。

3.2 軟件結構設計

針對不同型號的魚雷, 在測試資源需求、測試流程和測試結果上不盡相同, 但是測試軟件的結構是相同的, 軟件結構框圖如圖4所示。

其中自檢模塊的主要功能是判斷系統各硬件模塊初始化是否正常, 每次進行檢測之前必須進行自檢, 已保證系統硬件模塊運行正常, 然后才能進行檢測。

校準模塊可以對測試資源進行獨立控制, 借助外部通用儀器和設備對通用檢測設備對外接口的輸入輸出信號進行校準。

檢測模塊提供魚雷工作所需的各種電源, 產生各種信號作為測試的激勵, 信號采集模塊按照不同的測試要求, 利用不同的測試通道實現電壓、電流、頻率、時間和電阻等的測量。

結果判定模塊根據檢測判據, 完成測量數據的比較和判斷, 給出檢測結果。數據存儲模塊完成檢測數據的存儲。

數據處理模塊由數據庫接口和數據庫管理軟件組成, 將檢測結果數據以數據庫的格式保持和管理。

幫助模塊主要幫助操作人員熟悉設備的操作流程和操作方法。

3.3 軟件流程設計

進入設備主界面后, 首先完成系統自檢, 選擇不同的測試對象, 進行適配器和電纜的識別, 然后按照預先設定的測試流程進行測試, 測試完成后對測試數據進行保存和打印。軟件流程如圖5所示。

4 魚雷通用檢測設備設計

魚雷通用檢測設備原理框圖如圖6所示, 魚雷通用檢測設備主要由通用硬件平臺、專用適配器、電纜和檢測軟件等組成。通用硬件平臺由測控計算機、測控儀器單元、供電單元、開關驅動單元、通用測試接口、機柜及平臺環境監測等部分組成。專用適配器通過通用測試接口掛接到通用硬件平臺上。基于魚雷被測單元的測試需求生成測試策略, 在開發環境下生成測試程序, 在通用硬件平臺上運行, 通用硬件平臺通過專用適配器及電纜和魚雷被測產品連接完成測試。

設計完成的魚雷通用檢測設備, 具有以下功能:

1) 程控供電功能: 提供魚雷測試所需要的電源, 電壓和電流可調, 電源正負端及是否接地可控, 可實時顯示電壓、電流及供電狀態;

2) 電信號模擬功能: 可提供魚雷測試所需要的各種電信號, 包括直流電平信號、交流信號、脈沖信號、開關狀態信號等;

3) 電信號檢測功能: 可檢測魚雷產品輸出的直流電平信號、交流信號、脈沖信號和開關狀態信號, 可測量導通電阻及連通性檢測;

4) 通信功能: 通過通信接口與被測產品進行通信, 發送指令、接收數據;

5) 信號隔離與調理功能: 可根據需要實現產品地之間、以及設備地與產品地之間的隔離, 測試信號的隔離, 和信號幅度、阻抗的調理匹配;

6) 主控功能: 控制測試資源、測試流程和進度, 實現產品的自動化測試;

7) 設備維護功能: 具備完善的自檢和校準功能, 提供自身故障件定位和計量標準傳遞;

8) 測試數據存儲及傳輸功能: 提供滿足要求的數據交換文件格式和傳輸接口。

5 結束語

目前, 該檢測設備已研制成功并交付使用, 可在一套檢測設備中輕松實現多種型號魚雷或特定型號魚雷多個組件的功能測試和故障排查。并以其高精度、高可靠性、強大的功能和擴展能力及廣泛的應用前景得到用戶的好評。

魚雷通用檢測設備采用開放式測試體系結構, 使設備的硬件平臺滿足標準化、模塊化、通用化要求, 方便對后續魚雷型號的保障功能進行開發和擴充, 具有極強的可擴展性。使用魚雷通用檢測設備, 將有效縮減電子類保障設備的種類、規格和數量, 不但大幅度提高了魚雷檢測設備的可靠性、無故障工作時間等指標, 而且模塊化的組成結構大大降低了系統的維護和維修時間。

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(責任編輯: 許 妍)

Overall Design of Common Torpedo Testing Devices

WANG Jing-tang, ZHANG Yu, LIAN Xiao-yuan, LI Yan, XIE Hua

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

To improve the standardization, modularization and generalization of torpedo testing devices, the “common hardware platform plus special adapter” is applied to the overall design of the common torpedo testing devices. The common hardware platform is based on PXI bus and LXI bus. It uses common test interface to connect with different special adapters, so it can easily realize functional testing and trouble shooting of multiple components of a torpedo or a specific type torpedo through a set of testing devices. Application shows that the hardware of the common torpedo testing devices is universal, and its software has portability and interoperability. Compared with the existing torpedo testing devices, this common torpedo testing device can better facilitate the guarantee function development and expansion of new type torpedo, and it has high extensibility.

torpedo testing device; modularization; extensibility

TJ630.6; TP274

A

2096-3920(2018)04-0352-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.04.013

王敬堂, 張宇, 廉曉園, 等. 魚雷通用檢測設備總體設計[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(4): 352-357.

2018-01-12;

2018-04-08.

王敬堂(1978-), 男, 高級工程師, 主要從事計算機測試設備方面研究.