基于PCI總線的聲納裝備維修訓(xùn)練平臺硬件設(shè)計與實現(xiàn)＊

任緒科 胡金華 張 衛(wèi)

（1.92956部隊 大連 116041）（2.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）

1 引言

隨著海軍活動海域由近海向遠海的轉(zhuǎn)變，提高艦員的故障維修能力成為武器裝備性能保障的一個重要方面。就聲納裝備而言，目前的主要維修訓(xùn)練是結(jié)合實際裝備進行，這樣的訓(xùn)練方式存在如下缺陷：1）結(jié)合實裝維修訓(xùn)練，其數(shù)量和訓(xùn)練場地有限，受訓(xùn)人員的數(shù)量和時間難以保障，訓(xùn)練效率低；2）裝備功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，在實裝上進行大量的維修訓(xùn)練工作會影響戰(zhàn)備完好性；3）結(jié)合實裝維修訓(xùn)練，局限性大，所見故障現(xiàn)象和所能體會的維修操作有限，大多還只能從書本上進行抽象理解；4）維修訓(xùn)練結(jié)合實裝進行，一般僅限于簡單的拆裝和故障預(yù)設(shè)，而對故障檢測與分析這一維修訓(xùn)練的內(nèi)容訓(xùn)練甚少；5）實裝維修成本高，會造成大量工具、零件、材料以及人員精力的消耗［2～3］。

基于虛擬維修、三維復(fù)現(xiàn)和信號檢定相結(jié)合的裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)能夠有效克服結(jié)合實裝維修訓(xùn)練帶來的問題，為裝備維修訓(xùn)練提供先進的操作環(huán)境和模擬手段，信號流和意識流的訓(xùn)練模式能有效改進訓(xùn)練效果、規(guī)范維修思路、提高維修水平，具有重要的軍事經(jīng)濟效益。

2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

聲納維修訓(xùn)練系統(tǒng)的總體功能包括：故障設(shè)置、故障現(xiàn)象模擬、機柜面板指示、模擬和假想故障排除，通過對聲納裝備信號流程進行分析，設(shè)計出不同模塊和分機的故障實例，并對各實例的故障現(xiàn)象進行模擬和復(fù)現(xiàn)。受訓(xùn)人員通過故障現(xiàn)象，對假想故障進行逐級研判，最終排除假想故障。針對故障模擬平臺，其主要功能就是根據(jù)導(dǎo)演臺的假想故障指令，在檢測面板上表達出對應(yīng)的故障狀態(tài)：模擬信號輸出的表達形式、指示燈的亮滅狀態(tài)、不同幅值的電源供電等信息。對此，有以下三個方面的要求：

1）控制靈活［6］。故障模擬平臺接收來自導(dǎo)演臺的指令后，將據(jù)此修改硬件參數(shù)，硬件平臺的輸出狀態(tài)將在程序的控制下表達出相應(yīng)的狀態(tài)，當(dāng)有新的指令送至?xí)r，故障模擬平臺將重載數(shù)據(jù)，使終端能及時準(zhǔn)確地表達出新指令對應(yīng)的故障狀態(tài)，由此來實現(xiàn)導(dǎo)演臺對故障模擬平臺的靈活控制。2）符合實裝檢修方式。維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計在功能上要符合目前電子裝備測試檢修的常用方法和檢修步驟，這樣受訓(xùn)人員才能將訓(xùn)練的效果應(yīng)用到對實際裝備的維護當(dāng)中去。

3）具有可擴展性。作為維修訓(xùn)練考核系統(tǒng)，必定要涵蓋實裝常有的故障數(shù)據(jù)庫，而實際裝備中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象和種類不是固定不變的，因此該系統(tǒng)在硬件和軟件設(shè)計上要具有可擴展性，使得系統(tǒng)可增添假想的故障，故障數(shù)據(jù)庫可按需求任意添加到系統(tǒng)軟件上并能通過硬件平臺進行表達。這就要求硬件電路具有任意波形產(chǎn)生能力，軟件設(shè)計方面可對新添加的數(shù)據(jù)庫任意調(diào)用。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，故障模擬平臺總體框架如圖1所示，其基本結(jié)構(gòu)由以工控機為核心的控制器及聲納裝備各分系統(tǒng)檢測臺組成，具體包括某型聲納發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、水下聲系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及指示燈等。

圖1 系統(tǒng)總體框架

所有檢測面板對應(yīng)的模擬組件及結(jié)構(gòu)基本相似，這里選取了如圖1所示的導(dǎo)演臺對聲納發(fā)射系統(tǒng)及指示燈檢測臺控制的局部結(jié)構(gòu)圖。由圖2可知，從導(dǎo)演臺至其中某個檢測臺的通路包括：工控機、工控機控制的功能板卡、模擬信號輸出通路、數(shù)字信號輸出通路、轉(zhuǎn)換控制電路及低壓供電系統(tǒng)。另外，檢測面板內(nèi)部還包含有相應(yīng)的信號調(diào)理模塊、繼電器控制模塊、指示燈驅(qū)動電路等電路模塊。

圖2 故障模擬平臺局部結(jié)構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

故障模擬平臺的工作流程如圖3所示：受訓(xùn)人員在操作前，首先通過導(dǎo)演臺選擇故障維修訓(xùn)練案例，故障模擬平臺經(jīng)網(wǎng)絡(luò)讀取案例信息后控制硬件設(shè)備產(chǎn)生數(shù)字量，被選定的裝備指示燈亮，代表該裝備進入正常工作狀態(tài)，但此時模擬量輸出板卡并未開始輸出模擬量。受訓(xùn)人員按照導(dǎo)演臺軟件的引導(dǎo)，并綜合面板指示燈的狀態(tài)，進行分析判斷，確定按下相關(guān)檢測面板的開關(guān)。檢測面板開關(guān)被按下的信息將以低電平0的形式被數(shù)字量輸入板卡采集，采集信息經(jīng)程序讀取后將控制指定通道產(chǎn)生一個數(shù)字量1，高電平打開通向該檢測面板的模擬總線開關(guān)，相應(yīng)的信號將輸送至被選通的檢測面板，與此同時通向其他面板的總線開關(guān)則全部關(guān)閉。在同一個故障指令下，如果故障表達沒有體現(xiàn)在某些檢測面板上，當(dāng)同一裝備上的這些檢測面板開關(guān)被按下時，信號將按正常情況輸出。

2.2 硬件總體設(shè)計與實現(xiàn)

圖4為某型聲納維修訓(xùn)練系統(tǒng)的故障模擬平臺總體設(shè)計框圖。工控機控制產(chǎn)生的數(shù)字量通過鎖存器分別轉(zhuǎn)接至兩套裝備，而模擬信號的輸出則通過模擬開關(guān)總線進行轉(zhuǎn)換。某型聲納需要切換的檢測面板有：聲納接收機檢測面板1，聲納接收機檢測面板2，聲納功放機柜1檢測面板，聲納功放機柜2檢測面板，在機柜頂部對應(yīng)設(shè)置了四個開關(guān)：“聲納接收1”“聲納接收2”“聲納功放1”“聲納功放2”。切換開關(guān)直接與數(shù)字板卡的數(shù)字量輸入通道相連，當(dāng)開關(guān)被按下時，板卡采集到的狀態(tài)信息將會發(fā)生改變。

數(shù)字量通過鎖存器后分別送至各檢測面板的數(shù)控電路：狀態(tài)指示燈、繼電器控制的電源輸出電路、繼電器控制的絕緣電阻選通電路。模擬開關(guān)總線和鎖存器的導(dǎo)通與關(guān)閉同樣也受數(shù)字量的控制。通過模擬開關(guān)總線的模擬信號直接輸送至檢測面板的信號調(diào)理電路，經(jīng)過信號幅度的放大或衰減以及濾波，最終輸出至檢測孔。低壓供電系統(tǒng)分別為各單元電路的芯片、信號調(diào)理電路的偏置、指示燈電路、各檢測面板電源輸出檢測孔供電。

圖4 某型聲納維修訓(xùn)練系統(tǒng)故障模擬平臺總體設(shè)計

圖5 某個檢測面板硬件電路組成

下面以導(dǎo)演臺控制其中一個檢測面板輸出為例，說明硬件電路的實現(xiàn)方法。如圖5所示，硬件電路的組成有：工控機、模擬信號發(fā)生器板卡、具有數(shù)字量輸入與輸出功能的數(shù)字信號發(fā)生器板卡、模擬總線開關(guān)、信號調(diào)理電路、繼電器開關(guān)、狀態(tài)指示電路等。

·工控機：采取10 槽PCI主機箱。PCI（Peripheral Component Interconnect）總線［14］是近年來在工作站和個人微機中被廣泛應(yīng)用的計算機總線。外圍器件通過總線可直接與處理器相連，具有數(shù)據(jù)傳輸效率高、成本低、易于擴展、適用于惡劣環(huán)境、抗干擾、低功耗等特點。

·模擬量輸出板卡：模擬信號發(fā)生器板卡要求具有多路任意波形產(chǎn)生能力，每路DA 具有RAM 存儲器，每路可指定RAM 做任意循環(huán)輸出的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選用了阿爾泰公司的PCI－8103板卡，該板卡具有12位DA 精度，1MS／s模擬量輸出頻率，4路模擬量可任意波形發(fā)生，每路具有256字RAM 存儲器，DA 默認輸出量程為0～5V。

·數(shù)字量輸入輸出板卡：這里采用了具有數(shù)字量輸入和輸出能力的研華公司的PCI－1753，該板卡具有96路數(shù)字量輸入和輸出功能，可指定任意通道的輸出或輸入，能滿足系統(tǒng)對數(shù)字量輸出與輸入的要求。數(shù)字量的輸出分別用于控制開關(guān)總線的打開與關(guān)閉、狀態(tài)指示燈的亮滅，數(shù)字量輸入主要用于采集，當(dāng)檢測面板感知到外部觸發(fā)時，板卡將采集信息送至主程序進行判斷。

·模擬總線開關(guān)：采用8路開關(guān)總線芯片SN74CB3Q 3345，該芯片可同時控制8路－0.5～7V，0～10MHz任意形式模擬信號的通斷。

·信號調(diào)理：經(jīng)過開關(guān)總線后的模擬信號在輸送至檢測面板之前還需對其進行信號調(diào)理，主要是對某些信號的電位和幅度進行調(diào)節(jié)，并經(jīng)濾波器電路輸出至檢測孔。

3 結(jié)語

基于PCI總線的該型聲納裝備維修訓(xùn)練平臺，具有操作靈活、攜帶方便、穩(wěn)定性好、擴展性強等特點，極大地提高了自動化程度，大幅度降低了系統(tǒng)開發(fā)、維護以及后期的升級成本，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。該平臺通過接收來自導(dǎo)演臺虛擬維修系統(tǒng)軟件的控制信號，對應(yīng)產(chǎn)生能表達某故障狀態(tài)信息的信號并輸出至檢測面板。受訓(xùn)人員通過視覺觀察、儀器測量并依據(jù)結(jié)果判斷故障類型，從而實現(xiàn)虛擬維修、三維復(fù)現(xiàn)和信號檢定的結(jié)合，這將在很大程度上提高受訓(xùn)人員的動手能力和裝備保障能力，為聲納裝備的維修訓(xùn)練提供了一條新的有效途徑，對其它電子裝備的維修訓(xùn)練具有重要參考價值。

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