某型導(dǎo)彈綜合檢測(cè)設(shè)備信息交換與放大組件的國(guó)產(chǎn)化研究

曹佩武/軍藍(lán)科技集團(tuán)總公司

0 引言

信息交換與放大組件作為某型引進(jìn)導(dǎo)彈綜合檢測(cè)設(shè)備的重要組件，其性能的好壞直接影響作為修理和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)使用的檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)質(zhì)量。設(shè)備引進(jìn)后，由于技術(shù)資料的缺乏和備件短缺，檢測(cè)設(shè)備的使用維護(hù)一直存在很多困難。近年來(lái)，隨著檢測(cè)設(shè)備使用年限的增加，故障率逐年增高，備件消耗量大，設(shè)備維護(hù)保障越來(lái)越困難。原信息交換與放大組件大量使用小規(guī)模集成電路，信號(hào)線路數(shù)量大，造成故障排查點(diǎn)多、排查困難。為了保證引進(jìn)綜合檢測(cè)設(shè)備的正常使用要求，充分發(fā)揮其作用，開(kāi)展組件的國(guó)產(chǎn)化研制勢(shì)在必行。

1 原信息交換與放大組件的功能及組成

原信息交換與放大組件位于某型導(dǎo)彈綜合檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)轉(zhuǎn)接組合，主要完成檢測(cè)設(shè)備到彈上信息的交換與放大，以及彈上信息反饋回檢測(cè)設(shè)備的信息交換與放大。原組件主要由電源濾波電路、信息處理電路、輸出放大電路、阻抗匹配電路、接插件等組成，其原理框圖如圖1 所示。

2 國(guó)產(chǎn)化信息交換與放大組件的設(shè)計(jì)

檢測(cè)設(shè)備引進(jìn)時(shí)，隨機(jī)資料和人員培訓(xùn)主要集中在設(shè)備的操作使用方面，出于技術(shù)保密，外方?jīng)]有提供任何設(shè)計(jì)方面的技術(shù)資料。如何通過(guò)逆向工程的方法獲得原組件在不同工作狀態(tài)下的激勵(lì)響應(yīng)信息，反推解算出組件的輸入輸出設(shè)計(jì)需求，是一項(xiàng)系統(tǒng)、復(fù)雜的工作。在剖析原組件工作原理、各組成部分功用以及互相之間聯(lián)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量測(cè)試、分析和驗(yàn)證，獲取了原組件的輸入輸出設(shè)計(jì)需求。

圖1 原信息交換與放大組件原理框圖

2.1 研制方案的確定

原組件的硬件設(shè)計(jì)采用了大量小規(guī)模集成電路和電阻電容等輔助器件，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原理分析困難，器件數(shù)量大，造成故障排查點(diǎn)多、排查困難，同時(shí)降低了組件工作的可靠性。目前同類電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化要求盡量壓縮器件的種類和數(shù)量，且國(guó)產(chǎn)同類產(chǎn)品均已不再采用類似的技術(shù)方法，顯然，采用“一一替換”的研仿模式已不再適用，必須對(duì)原信息交換與放大組件的功能、原理研究透徹，并對(duì)組件在不同工作狀態(tài)下的輸入、輸出信息進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試、分析和處理，盡可能得到完整、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)輸入輸出需求，對(duì)其采用整體功能替代研制方案。

2.2 國(guó)產(chǎn)化組件的組成及原理

國(guó)產(chǎn)化組件的硬件主要由電源電路、JTAG 電路、信息處理電路（復(fù)雜可編程CPLD）、輸出放大電路、阻抗匹配電路、接插件、膠木固定架等組成，其原理框圖如圖2 所示。

國(guó)產(chǎn)化組件采用直流+5V 單電源工作，通過(guò)LED 指示燈進(jìn)行供電狀態(tài)顯示。核心電路硬件設(shè)計(jì)采用一片大規(guī)模CPLD，電路設(shè)計(jì)采用VHDL 語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)原組件復(fù)雜的邏輯功能和時(shí)序關(guān)系，并通過(guò)EDA 電路仿真軟件對(duì)電路設(shè)計(jì)的正確性進(jìn)行功能和時(shí)序仿真驗(yàn)證。輸出驅(qū)動(dòng)電路是將經(jīng)CPLD 處理的36 路信息進(jìn)行功率放大，硬件設(shè)計(jì)采用集成電路SN54LS245 總線驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。

2.3 設(shè)計(jì)中解決的主要問(wèn)題

1）CPLD 選型與設(shè)計(jì)

CPLD 即復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL 和GAL 器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中的CPLD 器件根據(jù)組件的輸入輸出需求和成本等因素綜合考慮選擇了Altera 公司MAХ7000S 系 列 的EPM7128STI100-10芯片作為設(shè)計(jì)核心電路，借助Quartus II軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用VHDL 硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)，部分程序代碼如下：

2）去耦設(shè)計(jì)

數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，會(huì)在電源線上產(chǎn)生很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，是數(shù)字電路可靠性設(shè)計(jì)的一種常規(guī)做法。因此，本設(shè)計(jì)中在電路板的電源輸入端放置一個(gè)10μF 的電解電容和一個(gè)0.1μF 的陶瓷電容，濾除低頻噪聲；在每個(gè)集成電路的電源和地線之間放置一個(gè)0.01μF 的電容，濾除高頻噪聲。去耦電容布線時(shí)盡量使用最短的路徑，即在電路板上距供電電源輸入管腳最近的位置放置去耦電容，在每個(gè)集成電路電源和接地管腳最近的位置放置去耦電容，合理選擇和放置去耦電容是保證電路正常工作的重要環(huán)節(jié)。

圖2 國(guó)產(chǎn)化信息交換與放大組件原理框圖

3）時(shí)延問(wèn)題處理

引進(jìn)設(shè)備是上世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，原組件主要采用分立器件和中小規(guī)模集成電路搭建，而國(guó)產(chǎn)化組件主要由超大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)，由于器件設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，新型器件在功耗、運(yùn)算速度等核心技術(shù)指標(biāo)上有了很大提高，因此國(guó)產(chǎn)化組件與原裝組件的輸入、輸出時(shí)延參數(shù)差異較大，特別是在時(shí)序電路中表現(xiàn)得尤為明顯。圖3 是國(guó)產(chǎn)化組件與原裝組件部分測(cè)試結(jié)果的波形對(duì)比示意圖，從圖3 可以看出，國(guó)產(chǎn)化組件的信號(hào)傳輸比原裝組件的信號(hào)傳輸前沿時(shí)間提前了，導(dǎo)致輸出結(jié)果不同，與后級(jí)處理電路數(shù)據(jù)信息和時(shí)鐘信號(hào)不能同步，造成時(shí)序混亂，最終導(dǎo)致設(shè)備在進(jìn)行導(dǎo)彈功能性能檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定或設(shè)備無(wú)法正常工作的故障現(xiàn)象。

國(guó)產(chǎn)化研制中，首先通過(guò)分析原裝組件的工作原理，在專用數(shù)字組件測(cè)試平臺(tái)上編輯測(cè)試向量，對(duì)原裝標(biāo)準(zhǔn)組件進(jìn)行輸入輸出信號(hào)的邏輯與時(shí)序關(guān)系測(cè)試，將國(guó)產(chǎn)化組件與原裝標(biāo)準(zhǔn)組件測(cè)試結(jié)果逐一比對(duì)通道的邏輯和時(shí)序關(guān)系，在邏輯關(guān)系正確的情況下找出存在時(shí)延問(wèn)題的通道，利用Quartus II 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用增加延遲電路的方法對(duì)存在時(shí)延問(wèn)題的通道進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)測(cè)試，直至國(guó)產(chǎn)化組件與原裝組件的時(shí)延指標(biāo)基本一致。調(diào)試中使用的調(diào)節(jié)時(shí)延語(yǔ)句如：

b28 ＜= TRANSPORT a28 AFTER 15ns。

3 測(cè)試結(jié)果

利用專用數(shù)字組件測(cè)試平臺(tái)對(duì)國(guó)產(chǎn)化組件進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試情況如圖4 所示。

國(guó)產(chǎn)化組件在專用數(shù)字組件測(cè)試平臺(tái)測(cè)試通過(guò)后，再次與某型導(dǎo)彈綜合檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行對(duì)接測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果表明，各項(xiàng)參數(shù)均滿足該型導(dǎo)彈綜合檢測(cè)設(shè)備的使用要求。主要性能指標(biāo)對(duì)比如表1 所示。

圖3 國(guó)產(chǎn)化組件與原裝組件部分測(cè)試結(jié)果波形對(duì)比示意圖

圖4 國(guó)產(chǎn)化信息交換與放大組件性能測(cè)試情況示意圖

表1 國(guó)產(chǎn)化組件和原裝組件主要性能指標(biāo)對(duì)比測(cè)試情況表

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)產(chǎn)化組件已在工廠裝備修理中得到推廣應(yīng)用，該產(chǎn)品能夠滿足某型引進(jìn)導(dǎo)彈綜合檢測(cè)設(shè)備的正常使用要求，使用維護(hù)簡(jiǎn)單、方便。信息交換與放大組件的成功國(guó)產(chǎn)化，解決了國(guó)外技術(shù)封鎖和對(duì)國(guó)外備件保障的依賴，提高了國(guó)內(nèi)自主可控能力，保障了設(shè)備的完好率，經(jīng)濟(jì)和軍事效益明顯。