多路水聽器參數掃描測試分析設備的研究與設計

波，朋坤，王長江，文成，王

(海軍青島雷達聲納修理廠，山東 青島 266100)

0 引言

在現代水下作戰體系中，聲納作為主要水下探測手段，擔負著警戒、探測、偵察、通信等重要使命任務，受到越來越多軍事強國的重視。聲納水聽器做為聲納裝備采集水下聲信號、進行聲-電轉換的重要傳感器，其性能好壞直接影響聲納裝備的綜合探測能力上限。由于聲納水聽器所處水下環境較為惡劣，因此為了監測聲納水聽器技術狀態，保持其性能穩定，需要對水聽器進行定期檢測與維護保養[1-2]。

絕緣電阻與等效電容是目前在外場環境中反映聲納水聽器性能優劣的重要靜態指標。傳統測試方法需要人工使用通用兆歐表與電容表，逐一測試聲納水聽器，而且通常需要一邊測量，一邊記錄。現代大型聲納通常由幾十到幾百路水聽器基元組成陣列，以提高目標探測精度與距離[3]。采用傳統方法對這些水聽器進行測試，測量過程繁瑣，測量精度低，測試效率低下。

目前已有國內科研機構對水聽器靜態指標測試進行改進研究與探索：文獻[4]分析總結了聲納換能器的等效原理，并以DSP單芯片為核心搭建數字處理電路，通過控制絕緣電阻與電容測試電路對換能器進行測試；文獻[5-6]基于STC單片機分別改進設計絕緣電阻與等效電容自動測量電路，并設計絕緣電阻量程切換與電容測試溫度補償電路。文獻[7]研究設計了利用差動式直流充電法實現了對微小電容的高精度、低成本的測量。文獻[8]基于555芯片與單片機設計實現了數字式電容測量儀。文獻[9]基于Lab-windows/CVI開發換能器阻抗測試軟件，實現數據查詢、顯示、管理與分析，并能夠生成測試報告。文獻[10]采用ARM架構的LPC2136芯片作為中控，實現直流高壓的數字化精細控制與量程自動切換。經過整理分析發現，國內研發設備大多采用單片機實現測試控制與信號處理。受限于單片機性能，測試通道多為幾路至十幾路，通道間切換誤碼率高，處理數據速度慢，存儲數據容量小。針對國內研究現狀，設計開發一種基于PC工控機的智能多路水聽器參數掃描測試分析設備。通過便攜式工控機控制高速開關矩陣以及絕緣電阻、等效電容測試電路，實現對多路聲納水聽器靜態指標的測試。同時可實時存儲測試數據，支持數據查詢、復現、分析與生成測試報告等功能，大大提高了測量精度與測試效率，對聲納裝備保障能力的提高具有指導意義。

1 設備結構與工作原理

1.1 設備結構組成

多路水聽器參數掃描測試分析設備主要由嵌入式工控計算機、測試執行單元及附件、數據管理軟件等三大部分組成。嵌入式工控計算機由基于X86框架的Intel I7 3600 4核工控主板和操作系統組成。測試執行單元及附件主要由多路通道矩陣開關控制模塊、等效電容測試模塊、絕緣電阻測試模塊、溫濕度測量模塊等組成。數據管理軟件由測試參數模塊、設備庫管理模塊、數據管理模塊和用戶管理模塊等4個模塊組成。各模塊由軟、硬件平臺調用執行控制指令，完成對聲納水聽器絕緣電阻與等效電容的測試和檢測。設備結構組成如圖1所示。

圖1 設備結構圖

1.2 工作原理

用戶根據測試任務需求，通過人機交互接口以及數據管理軟件，將測試指令輸送至嵌入式工控計算機分析解算。工控機依據預先存儲的測試工程方案，利用PXI通信總線控制多路通道矩陣開關控制模塊選通待測通路，并控制絕緣電阻以及等效電容測試電路對待測水聽器進行指標測試。測試結束后，測試數據返送至工控機，完成數據存儲、統計等處理,并可依照存儲格式，生成水聽器指標測試報告。溫濕度模塊可記錄當前測試環境條件，鋰電池監控模塊則實現對整機電量的分配與管理。

2 硬件設計方案

多路水聽器參數掃描測試分析設備硬件系統組成如圖2所示。

硬件系統主要由PXI CPU工控卡、多路通道矩陣開關控制模塊、絕緣電阻測試模塊、電容測試模塊、鋰電池監控管理模塊、觸摸液晶顯示屏、總線背板、測試電纜接口、測試適配電纜及溫濕度測量模塊等部件組成。硬件系統采用高性能低功耗的Intel ATOM x86機構，實現功能測試一體化、人機交互等功能。

圖2 硬件組成圖

2.1 PXI 總線背板

PXI總線是新型測控儀器總線標準，是CPCI在儀器領域的擴展，是一種先進的模塊化儀器系統。PXI總線系統具有數據傳輸速率高、與工業計算機軟件兼容等特性。該PXI總線背板采用結構緊湊、環境適應能力強的3U 、8槽PXI結構模式，可將PXI CPU工控卡、多路通道矩陣開關控制板、絕緣電阻測試模塊、等效電容測試模塊以及鋰電池監控管理模塊等集合于PXI板槽中，構成具有多塊主控和外設板卡的PXI架構測試裝置。PXI總線背板為各功能板卡提供高速率總線工作頻率及板卡模塊間通訊協議，有序協調系統數據通訊及控制邏輯。

2.2 PXI CPU工控卡

PXI CPU工控卡是該設備的核心部件，是整個硬件、軟件平臺和測試診斷策略運行的載體。工控卡采用Intel I7 3600 4核處理器，工作頻率可達3.4GHz，在板表貼4GB DDRⅢ SDRAM，同時具備HDMI、USB、SATA、以太網、AUDIO等多種接口。可裝載Windows7操作系統，能夠流暢運行基于WINDOWS 開發的各類軟件。工控卡可完成絕緣電阻測試、電容測試等模塊的控制與數據采集、鋰電池監控管理模塊的監控管理、觸摸液晶顯示屏的操控界面管理等任務；自動協調其他各模塊工作時序，完成多路水聽器靜態指標的測試任務，并通過觸摸液晶顯示屏實時顯示測試結果。

2.3 多路通道矩陣開關控制板

多路通道矩陣開關控制卡由128路通道矩陣開關組成。在系統控制下，靈活建立測試線纜接口芯線與被測水聽器電纜節點映射關系，建立并記憶測試工程，透明處理各種類型、不同型號、不同封裝的水聽器指標測試。一次建立映射關系，即可記憶正確映射關系，待再次進行同一種水聽器測試時即可直接快速接入相應的水聽器進行測試。圖3是多路通道開關控制板的結構圖。

圖3 多路通道矩陣開關控制模塊結構圖

2.4 絕緣電阻測試模塊

圖4 電流電壓法原理圖

水聽器絕緣測試時，由設備內部可編程高壓電源模塊產生設定的電壓，信號通過多路通道開關控制板的開關矩陣輸入到每一路水聽器的線纜芯線，然后進行絕緣電阻測試并得出相應測試值，通過軟件自動判別絕緣值是否在設定范圍內；若在范圍內，則判定被測水聽器絕緣指標為合格；若超出設定范圍值則認為水聽器的絕緣參數為不合格。為保證測量回路輸出的測試信號不會超過采樣電壓值的范圍，必須采用精密電阻網絡和其他相關元器件構成分壓電路。

2.5 電容測試模塊

電容測試模塊具有自動化測試電容的功能，在系統控制下，實時加載于被測水聽器的芯線間，完成對水聽器電容量的測試，電容測試范圍：10 pF～100 μF(±5%)。圖5為電容測試的原理圖。

圖5 電容測試原理圖

3 軟件設計方案

數據管理軟件系統基于Windows7操作系統開發，圍繞實現多路水聽器參數掃描測試分析設備主要功能，采用面向對象程序設計思路，其中主要包括測試參數模塊、設備庫管理模塊、數據管理模塊和用戶管理模塊等4個模塊。

3.1 軟件開發環境

Visual Studio是微軟公司研發的一款高效、集成且可擴展的軟件開發平臺，其中Visual Studio 2015以C++語言為基礎，提供方便快捷的Windows應用程序開發環境，并且由于C++語言良好的開放性與可靠性，使其易于與底層硬件交互控制。存儲設備信息采用SQLite數據庫，用于保存軟件系統配置，設備的詳細配置信息以XML文件形式保存。軟件開發環境清單如表1所示。

表1 軟件開發環境清單

3.2 軟件系統架構

軟件采用面向對象的編程開發方法，圍繞軟件設計功能作為基本元素進行軟件設計與研發。軟件系統可分三層邏輯結構，從下到上分別是硬件模塊驅動層、硬件管理及應用功能層、其它終端或者測試儀層。如圖6所示。

圖6 軟件系統架構

3.3 軟件功能結構

軟件系統總體功能結構樹圖如圖7所示。軟件系統結構可分成系統設置、工程連接器數據管理、測試及運行日志、開關高壓等硬件控制、分布式網路、腳本編寫和運行環境共6個功能結構。工程連接器數據管理模塊調用底層數據庫，實現數據的增、刪、改、查等功能；測試和運行日志模塊是系統的主邏輯模塊，選擇測試項目、查詢日志記錄以及打印測試報告均由該模塊完成；系統設置完成用戶名、操作使用等全局參數及系統自測校準等參數設置；硬件控制模塊完成對多通道開關、絕緣電阻測試模塊及電容測試模塊等硬件電路的控制；分布式網絡實現各模塊之間信息傳輸，同時能夠實現多終端之間通信；腳本編輯和運行模塊實現自定義腳本設置與執行功能，用戶可通過自定義腳本實現自定義功能設計。

圖7 軟件功能結構樹圖

3.4 軟件類結構

為了提高軟件內部可重用性以及模塊之間的低耦合性，方便后期軟件維護和擴展，該系統采用面向對象的設計方法。面向對象設計是一種軟件設計方法，是一種工程化規范。面向對象設計模式解決的是類與相互通信的對象之間的組織關系，包括它們的角色、職責、協作方式幾個方面。圖8展示了該系統主要設計類及之間的關系，每個模塊都設計了相應的接口，模塊之間以接口的形式調用，對于不同的測試邏輯采用多態的形式來實現。

圖8 軟件類UML圖

4 試用結果分析

在完成設備研制后，對某型聲納進行試用檢測，并將測試結果與使用傳統方法的測試結果進行比對。圖9為測試過程部分軟件界面。

測試結果如表2所示。

分析數據可知，使用多路水聽器參數掃描測試分析設備測試水聽器等效電容，測試結果最大相對誤差僅為1.8%，滿足電容測試最大相對誤差不大于±5%的精度指標要求。在絕緣電阻測試過程中，由于使用100 V絕緣搖表進行人工讀數，存在比較大的觀測誤差，因此無法進行準確的誤差精度計算。但通過分析測試數據依然可以看出，使用測試分析設備測試絕緣電阻，測試結果最大相對誤差為4.4%，依然滿足最大相對誤差不大于±5%的精度指標要求，表明該設備能夠非常準確地反應水聽器絕緣電阻指標變化，從而準確地反應水聽器性能變化趨勢。

通過試用表明，采用傳統方式測量，某型聲納換能器約200組數據通常需要3人協同、2小時才能完成的測試工作，使用該設備只需要一人次、10分鐘即可完成同等工作量的測試工作，大大提高了測試效率與測量精度。同時設備能自動記錄存儲測試數據，直接生成檢測報告，自動判斷是否符合要求，方便直觀。為技術人員判斷定位故障提供了技術支持。對于聲納水聽器的壽命周期監控與故障預防也具有一定的指導作用。

圖9 部分測試軟件界面

表2 測試結果

5 結束語

多路水聽器參數掃描測試分析設備具有人機交互友好，測試過程高效，測量精度高，操作簡單，易于攜帶等特點，滿足了聲納水聽器日常檢測與修理維護的測試需求，有效提高部隊及裝備保障部門的修理保障能力，是聲納濕端水聽器檢測的重要輔助手段。本設備的設計與研制為信息裝備基地級維修提供了有力的保障。