某型潛艇雷達(dá)計(jì)算機(jī)組件測(cè)試儀*

徐小杰

(海軍702廠 上海 200434)

?

某型潛艇雷達(dá)計(jì)算機(jī)組件測(cè)試儀*

徐小杰

(海軍702廠 上海 200434)

針對(duì)某型潛艇雷達(dá)計(jì)算機(jī)組件故障率高、系統(tǒng)排故效率低、配備檢測(cè)設(shè)備操作復(fù)雜度高等問題,研制潛艇雷達(dá)計(jì)算機(jī)組件檢測(cè)儀,用于計(jì)算機(jī)組件故障的高效隔離。根據(jù)雷達(dá)計(jì)算機(jī)組件的功能特點(diǎn)及輸入輸出關(guān)系,研究其測(cè)試原理,給出PC104架構(gòu)的測(cè)試儀總體設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)研究數(shù)字I/O板卡功能模塊及偽窮舉故障診斷方法。結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)64位信號(hào)的同步輸入輸出,大幅提高檢測(cè)效率和設(shè)備運(yùn)行可靠性。

測(cè)試設(shè)備; PC104; 偽窮舉故障診斷

Class Number TN818

1 引言

雷達(dá)計(jì)算機(jī)用來完成探測(cè)和跟蹤水面目標(biāo),雷達(dá)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、只讀存儲(chǔ)器、運(yùn)算存儲(chǔ)器、信號(hào)變換器等組成,主要用于接收目標(biāo)探測(cè)分類器、同步器、天線旋轉(zhuǎn)增量部件、數(shù)據(jù)變換器等部件發(fā)送的信號(hào),并對(duì)接收信息進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)、顯示,同時(shí)接收來自操控臺(tái)的指令信息,調(diào)用相應(yīng)程序?qū)z測(cè)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤預(yù)警處理,是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分。

潛艇的長時(shí)間服役,導(dǎo)致雷達(dá)計(jì)算機(jī)組件的元器件老化,組件故障多發(fā)。然而隨艇配備的計(jì)算機(jī)組件檢測(cè)設(shè)備需要專業(yè)人員逐步排故,操作復(fù)雜度高,測(cè)試效率低下。為提高排故效率及操作便捷度,本文設(shè)計(jì)了一種基于PC104總線架構(gòu)[1～2]、偽窮舉測(cè)試法故障診斷[3]的計(jì)算機(jī)組件測(cè)試儀。該測(cè)試儀具備64位信號(hào)同步輸入輸出功能,可靈活配置組件輸入信號(hào),快速讀取信號(hào)回饋,高效進(jìn)行故障定位。

2 總體設(shè)計(jì)方案

雷達(dá)計(jì)算機(jī)包含23種組件,每種組件板卡包含88路管腳,對(duì)應(yīng)88路信號(hào)。各組件板卡I/O屬性不同,所需檢測(cè)信號(hào)的種類、脈沖寬度、頻率也各不相同。為檢測(cè)該23種計(jì)算機(jī)組件板卡,同時(shí)考慮兼容性與靈活性,設(shè)計(jì)基于可編程邏輯器件的組件適配器,并開發(fā)23種配套管腳適配程序以及板卡檢測(cè)程序。檢測(cè)信號(hào)由PC104主板通過ISA總線發(fā)送至數(shù)字I/O板卡功能模塊,經(jīng)信號(hào)處理后到達(dá)計(jì)算機(jī)組件適配器,最終分配至被測(cè)組件。通過被測(cè)組件反饋信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的比對(duì)分析,進(jìn)行故障判定。計(jì)算機(jī)組件測(cè)試儀總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 雷達(dá)計(jì)算機(jī)組件測(cè)試儀總體設(shè)計(jì)方案

3 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試設(shè)備硬件主要由PC104主板、數(shù)字I/O功能板卡、單板適配器、電源模塊和測(cè)試對(duì)接電纜等組成。

1) PC104主板。此主板作為工業(yè)控制核心模塊,功能強(qiáng)大,資源豐富,采用ATMEL AT91RM9200低功耗處理器(ARM9),主頻180MHZ,200MIPS,最大可支持128MByte SDRAM,通過總線支持單色屏(顯示分辨率最高為320×240),功能接口包括觸摸屏接口、10M/100M以太網(wǎng)接口、USB接口、串口、CAN總線接口、TWI接口、SPI總線接口、矩陣鍵盤接口、GPIO、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、JTAG接口等。配置液晶顯示屏、鼠標(biāo)鍵盤等設(shè)備后,可構(gòu)成功能強(qiáng)大的嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī),通過ISA總線和PCI總線對(duì)功能板進(jìn)行控制,完成對(duì)23種被測(cè)組件的故障檢測(cè)。

2) 電源模塊。電源模塊的主要功能是通過線性穩(wěn)壓電路將輸入的220V/50Hz交流電轉(zhuǎn)換為多路直流電源,以供內(nèi)部功能模塊使用。

3) 數(shù)字I/O功能板卡。數(shù)字I/O功能板卡集數(shù)字信號(hào)發(fā)送、接收于一體,主要作用是發(fā)送雷達(dá)計(jì)算機(jī)組件所需不同性質(zhì)及類型的數(shù)字信號(hào),同時(shí)讀取雷達(dá)計(jì)算機(jī)組件的反饋信號(hào),供后臺(tái)程序調(diào)用比對(duì),主要功能如下:

圖2 信號(hào)接收/發(fā)送原理圖

(1)信號(hào)的接收/發(fā)送。待接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的地址由10位ISA總線地址經(jīng)編碼器編碼生成,各為4路。待發(fā)送數(shù)據(jù)由ISA總線提供,每路消息字為16位。每路地址對(duì)應(yīng)的16位數(shù)據(jù)由鎖存器鎖存后,經(jīng)緩沖器發(fā)送至被檢測(cè)計(jì)算機(jī)組件。待接收數(shù)據(jù)(計(jì)算機(jī)組件產(chǎn)生的反饋信號(hào))經(jīng)緩沖器-鎖存器-緩沖器以相反的方向進(jìn)入ISA總線,接收到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比后,判斷計(jì)算機(jī)組件是否故障,原理圖如圖3。圖中緩沖器的作用為保護(hù)數(shù)字I/O功能板卡中的大規(guī)模集成電路FPGA免受尖峰脈沖信號(hào)的影響,大大降低功能板卡的故障發(fā)生率。

(2)時(shí)鐘及單脈沖電路。為提供計(jì)算機(jī)組件所需的不同信號(hào)源,設(shè)計(jì)16位時(shí)鐘、單脈沖電路,該電路高八位為不同頻率的時(shí)鐘信號(hào),低八位為不同頻率的單脈沖信號(hào),時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)有源晶振分頻獲得。單脈沖產(chǎn)生電路如圖3所示。

圖3 單脈沖產(chǎn)生電路

4) 單板適配器。計(jì)算機(jī)組件種類多樣,且各組件I/O管腳屬性各不相同,采用人工匹配檢測(cè)的方式,不僅工作量大、操作繁瑣而且效率低下。本文設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)組件檢測(cè)儀包含的單板適配器,可為23種計(jì)算機(jī)組件燒寫23種特定檢測(cè)程序,實(shí)現(xiàn)板卡匹配的準(zhǔn)確無誤,大大提高檢測(cè)效率,降低操作復(fù)雜度。單板適配器的原理圖如圖4所示。

圖4 單板適配器原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

雷達(dá)計(jì)算機(jī)組件中的控制保護(hù)電路絕大多數(shù)為組合邏輯電路,因此對(duì)組合邏輯電路故障定位的準(zhǔn)確性是計(jì)算機(jī)組件故障檢測(cè)的關(guān)鍵。對(duì)組合邏輯電路故障診斷方法通常包括窮舉測(cè)試法、測(cè)試碼生成法和偽窮舉測(cè)試法等[4～5]。窮舉測(cè)試法和測(cè)試碼生成法適用于雷達(dá)板級(jí)中的簡單組合邏輯電路診斷,單對(duì)于大型復(fù)雜的組合邏輯電路,窮舉測(cè)試法存在測(cè)試矢量多、測(cè)試工作量大、測(cè)試時(shí)間長的缺點(diǎn)[6],而測(cè)試碼生成法則存在計(jì)算復(fù)雜、計(jì)算量大、計(jì)算時(shí)間長的缺點(diǎn)[7～9]。本文選用的偽窮舉測(cè)試法,將復(fù)雜的組合邏輯電路進(jìn)行分塊,對(duì)被分塊的每一部分電路進(jìn)行窮舉測(cè)試,可大大減少計(jì)算工作量、測(cè)試矢量數(shù)目及測(cè)試工作量[3]。

測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)是在Windows XP操作系統(tǒng)和embedded VC++4.0編程開發(fā)環(huán)境支持下完成的,測(cè)試軟件的總體邏輯流程如下圖5。

圖5 測(cè)試軟件的總體邏輯流程圖

每種計(jì)算機(jī)組件均被分為N個(gè)獨(dú)立的功能模塊,各功能模塊的反饋數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比判定,若數(shù)據(jù)錯(cuò)誤即反饋相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼,從而針對(duì)性地進(jìn)行故障診斷,否則即代表組件正常。

以計(jì)算機(jī)組件某功能模塊的故障檢測(cè)為例,核心代碼如下:

for (sendDO_exern_num=0;sendDO_exern_num<1024;sendDO_exern_num++)

{

IOstart= InitI/O(0x300,0x4c5d);//初始化被檢測(cè)電路

SetPortWord(HwCtrl,0x302,i);//窮舉發(fā)送數(shù)據(jù)i(0～1024)

receive_DI=GetPortWord(HwCtrl,0x308);//數(shù)據(jù)接收

ltoa(receive_DI,ss1,10);//接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

ltoa(Standard_DB[i],ss2,10);//標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

sprintf(xs1,"%-5s%-10s%-10s",ss1,ss2,i);//接收、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸出至顯示框1

if(Standard_DB[i]==receive_DI)//接收數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)庫數(shù)據(jù)對(duì)比

{

strcpy(xs2,"正確！")//對(duì)比正確,顯示正常

num++;

}

else

{

strcpy(xs2,"數(shù)據(jù)有誤！");//對(duì)比有誤

sprintf(xs2,"%-10s", i);//反饋錯(cuò)誤代碼i到顯示框2

}

MesRopt1();//對(duì)話框數(shù)據(jù)刷新顯示

}

if(num ==1024)//所有數(shù)據(jù)正常

{

strcpy(xs2,"檢測(cè)完畢,所有數(shù)據(jù)正常！");

}

MesRopt1();//對(duì)話框數(shù)據(jù)信息刷新顯示

}

5 結(jié)語

基于PC104總線架構(gòu)和偽窮舉測(cè)試法故障診斷法,開發(fā)了某型潛艇雷達(dá)計(jì)算機(jī)組件測(cè)試儀。實(shí)際應(yīng)用表明,該測(cè)試儀設(shè)計(jì)合理,運(yùn)行可靠穩(wěn)定,操作維護(hù)簡單方便,故障定位快速準(zhǔn)確,完全滿足某型潛艇雷達(dá)計(jì)算機(jī)組件的測(cè)試需要。

[1] 楊軍鋒,朱家海,謝紅星.航空測(cè)試儀器中的PC104總線技術(shù)[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000,1(4):13-16.

[2] 楊勇智,黃勝倫,馮和軍,等.基于PC104總線的某型飛機(jī)武器控制系統(tǒng)的ATS[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,4(3):36-39.

[3] 鄒明虎,姜樹和,閆軍,等.基于偽窮舉測(cè)試法的雷達(dá)板級(jí)電路故障診斷[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2011,25(4):360-365.

[4] 朱大奇.電子設(shè)備故障診斷原理與實(shí)踐[M].第1版.北京:電子工業(yè)出版社,2004:9-11,56-60.

[5] 余黨軍,陳偕雄.基于布爾偏導(dǎo)數(shù)的組合電路雙故障檢測(cè)的新方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版),2003,30(5):536-538.

[6] 鄭光華.組合電路偽窮舉測(cè)試的一種生成算法[J].哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報(bào),1989,10(2):205-216.

[7] 吳麗華,李濤,鄒海英,等.多故障測(cè)試生成的一種簡化算法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2008,12(3):348-352.

[8] 楊俊華,尚志恩,呂鋒.基于布爾差分的數(shù)字邏輯電路故障診斷[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005,34(4):517-520.

[9] 曹寧,楊巨前.一種數(shù)字組合電路多故障測(cè)試生成的高效算法[J].電子測(cè)量技術(shù),2007,30(6):49-51.

[10] 馬登武,馬羚,呂曉峰.某型飛機(jī)武器控制系統(tǒng)交聯(lián)組件測(cè)試儀[J].兵工自動(dòng)化,2011,30(4):77-80.

Test Instrument for Radar Computer Components in Certain Type Submarine

XU Xiaojie

(No. 702 Factory of Navy, Shanghai 200434)

For the problems of high error rate, low troubleshoot efficiency and high operation complexity of equipped testing equipment for radar computer components in certain type submarine, the efficient test instrument is designed to isolate fault components quickly and accurately. A design frame of test instrument based on PC104 is presented according to the characteristic and relationship with input and output. This paper focuses on digital I/O board module and fault diagnosis method based on pseudo-exhaustive test. The results demonstrate that the design can realize the 64bit test signal receiving and sending synchronous, have a substantial increase in test efficiency and reliability of instrument running.

test instrument, PC104, pseudo-exhaustive test fault diagnosis

2014年7月10日,

2014年8月29日

徐小杰,男,碩士,工程師,研究方向:專業(yè)電子工程。

TN818

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.029