車載超短波電臺維修檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

侯立峰

(陸軍裝甲兵學院 士官學校信息運用系,長春 130117)

0 引言

車載無線超短波電臺是軍事通信聯(lián)絡與信息交換的主要手段，是武器裝備信息系統(tǒng)的重要組成部分。近年來，隨著我軍信息化建設步伐的加快，大量新型車載超短波電臺列裝，作為新一代車載通信裝備的主戰(zhàn)裝備，目前某型車載超短波電臺的裝備數(shù)量逐年增多[1]。該型車載超短波電臺雖然信息化程度高、功能強大、技戰(zhàn)術性能優(yōu)越，但由于其自身的原理結構復雜[2]，采用傳統(tǒng)的激勵信號注入[3-4]法、ATE技術檢測方法[5]、電路板自動檢測法[6]等都很難對該型超短波電臺的整機與內部模件電路板實施精確檢測與故障判斷，當前還沒有針對該型號電臺的維修檢測系統(tǒng)，從而造成車載超短波電臺維修保障困難，嚴重影響車載武器裝備的戰(zhàn)備水平和遂行作戰(zhàn)任務的能力。鑒于此，我們依據某型車載超短波電臺的工作原理和自身的結構特點，采用電臺維修檢測主機+模件測試夾具的結構，研制開發(fā)車載超短波電臺維修檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面可以實現(xiàn)車載超短波電臺整機工作性能參數(shù)的測試，評估電臺的技術狀態(tài)，為電臺作戰(zhàn)訓練運用計劃和維修保養(yǎng)策略的制定提供重要依據；同時該系統(tǒng)可以對車載超短波電臺內部模件工作參數(shù)的在線檢測，通過與參數(shù)標準特征值比對實現(xiàn)電臺模件級故障定位，提高該型超短波電臺的維修保障能力，為各級修理機構對該型車載超短波電臺的維修保障提供重要的手段支撐。

1 系統(tǒng)組成及測試原理

車載超短波電臺維修檢測系統(tǒng)采用維修檢測主機+模件測試夾具的架構，電臺維修檢測主機提供測試硬件平臺、軟件運行環(huán)境、對外測試接口；被測的面板模件、中頻頻合模件、電源模件、射頻模件、主控模件等電臺內部模件可安裝于對應的專用測試夾具上，同時，模件測試夾具為被測模件提供電源及對外測試接口；維修檢測主機與測試夾具之間通過專用測試電纜連接，檢測軟件安裝于維修檢測主機，使用者通過操作檢測主機完成電臺或電臺內部模件的性能測試。系統(tǒng)組成及測試原理連接如圖1所示。

圖1 維修檢測系統(tǒng)組成與測試連接圖

當進行電臺整機測試時，被側電臺通過專用檢測電纜與主機相連，測試人員可操作人機交互界面選擇電臺設備檢測功能。電臺發(fā)射機測試時，測試軟件通過網口控制主機產生音頻信號，經接口轉換模塊將音頻信號送入電臺設備音頻口，同時測試軟件通過接口轉換模塊控制電臺設備處于發(fā)射狀態(tài)。電臺發(fā)射的射頻調制信號經接口轉換模塊反饋至主機，主機對輸入的射頻信號進行功率調理，并進行解調解析，并通過網口將射頻調制信號指標上報至測試軟件，在人機交互界面顯示測試結果；電臺接收機測試時，測試軟件通過網口控制主機產生射頻調制信號，經接口轉換模塊將射頻調制信號送入電臺設備射頻口，同時測試軟件通過接口轉換模塊控制電臺設備處于接收狀態(tài)。電臺接收到射頻調制信號后解析為音頻信號，音頻信號經接口轉換模塊反饋至主機進行解調解析，并通過網口將音頻信號指標上報至測試軟件，在人機交互界面顯示測試結果。

當進行電臺某模件測試時，電臺模件可安裝在該模件專用測試夾具上，測試夾具通過專用檢測電纜與主機相連，測試人員可操作人機交互界面選擇模件檢測功能。加電后運行測試程序，設置測試夾具和被測模件的工作狀態(tài)，測試軟件通過網口控制主機產生激勵信號，經接口轉換模塊將激勵信號送入測試夾具信號輸入口，模件輸出信號經過接口轉換模塊反饋至主機進行解調解析，并通過網口將模件信號指標上報至測試軟件，在人機交互界面顯示測試結果。

2 系統(tǒng)硬件平臺設計

車載超短波電臺維修檢測系統(tǒng)硬件平臺包括維修檢測主機硬件平臺和電臺模件測試夾具硬件電路。

2.1 系統(tǒng)硬件平臺設計參數(shù)

2.1.1 音頻信號檢測設計參數(shù)

頻率檢測范圍0～3 kHz，精度±1 Hz；音頻幅度0～11 V，精度±1 mV。

2.1.2 射頻信號檢測設計參數(shù)

頻率檢測范圍30～88 MHz，精度±1 Hz；射頻功率0～60 W，精度±0.1 W。

2.1.3 環(huán)境條件參數(shù)

工作溫度：10～+40 ℃；貯存溫度：-20～+40 ℃。

2.1.4 直流功耗

采用+26 V直流電源供電時，整機耗流小于5 A。

2.2 維修檢測主機硬件平臺

維修檢測主機硬件平臺以嵌入式微型計算機作為主控機，在主控機的基礎上擴展音頻激勵與采集模塊、射頻激勵與采集模塊、接口轉換模塊、網口拓展模塊等硬件電路構成主機的硬件平臺，測試附件主要包括檢測電纜和測試夾具，用于電臺內部模件級性能測試與測試數(shù)據采集。

圖2 維修檢測主機硬件平臺組成方框圖

2.2.1 主控機

采用ARM920T核的S3C2440A CPU的ARM嵌入式系統(tǒng)處理平臺作為主控機[7-8]，運行嵌入式操作系統(tǒng)，負責檢測任務、流程、控制指令的下達，通過LAN總線接收被測設備的檢測信息，對信息進行讀取、識別、處理、存儲、顯示等操作，實現(xiàn)模件級性能檢測、采集與故障定位。同時，作為運行維修檢測系統(tǒng)軟件的硬件平臺，能實現(xiàn)電臺整機及電臺模件測試信息的存儲與查詢。

2.2.2 網口擴展模塊

對嵌入式計算機主控機的網口進行擴展，與音頻激勵與采集模塊、射頻激勵與采集模塊之間的連接，完成指令和檢測信息數(shù)據的轉發(fā)。網口標準符合IEEE802.3標準，支持網口通信速率自適應，可支持的最大通信速率為1 Gbps。

2.2.3 接口轉換模塊

接口轉換模塊可實現(xiàn)維修檢測主機各組件之間的互連，其主要功能包括：完成主控機與被測設備之間串口或網口數(shù)據的轉接；完成被測設備和測量模塊之間的信號通路建立與切換；為測試附件提供必要的直流電源、控制信號等資源。

2.2.4 音頻激勵與采集模塊

音頻激勵與采集模塊通過LAN接口實現(xiàn)與主控機的交互，交互指令包括設置指令、測試與查詢指令。設置指令用于設置音頻激勵與采集模塊的工作狀態(tài)，包括音頻輸入/輸出阻抗、音頻輸入濾波器、音頻輸出波形、音頻輸出頻率、音頻輸出幅度、音頻輸出占空比等；測試與查詢指令用于設置音頻激勵與采集模塊的測試內容，包括音頻頻率測試、音頻幅度測試、失真度測試、SINAD測試等內容，并通過LAN接口獲取測試結果的數(shù)據。音頻激勵與采集模塊用于實現(xiàn)對車載超短波電臺音頻相關指標進行檢測，包括在主控機的控制下產生測試所需的音頻激勵源，解析設備送出的音頻響應信號特性并將結果上報給主控機。

2.2.5 射頻激勵與采集模塊

射頻激勵與采集模塊通過LAN接口實現(xiàn)與主控機的交互，交互指令包括設置指令、測試與查詢指令。設置指令用于設置射頻激勵與采集模塊的工作狀態(tài)，包括輸出頻率、輸出功率、輸出波形、調制與非調制特性；測試與查詢指令用于設置射頻激勵與采集模塊的測試內容，包括射頻頻率測試、射頻功率測試、諧波測試、調制頻率、調制頻偏等內容，并通過LAN接口獲取測試結果的數(shù)據。射頻激勵與采集模塊用于實現(xiàn)對電臺射頻相關指標進行檢測，包括在主控機的控制下產生測試所需的調制或非調制射頻激勵源，解析設備送出的調制或非調制的射頻響應信號特性并將結果上報給主控機。

2.3 測試夾具硬件電路

測試夾具用于電臺內部模件檢測，為實現(xiàn)對電臺內部模件的檢修工作提供硬件支撐，測試夾具硬件電路組成框圖如圖3所示。

圖3 模件測試夾具硬件電路組成框圖

外部接口是測試夾具與外部設備進行互連的接口，包括與外部電源的接口、與音頻檢測模塊的接口、與射頻檢測模塊的接口等，完成電源輸入、音頻激勵信號輸入、音頻檢測信號輸出、射頻信號激勵輸入、射頻檢測信號輸出、控制信號輸入、響應信號輸出等功能；電源模塊將外部輸入電源轉換為測試夾具工作所需的多路直流電源，包括測試夾具互連板工作所需電源、被測模件工作所需的各路直流電源；互連板向外部提供與外部接口、電源模塊、轉接板的信號接口，完成被測件電源的上電控制與輸出、被測件所需激勵信號的通路控制與輸出、被測件響應信號的通路控制與預處理、被測件控制信號的輸出、被測件狀態(tài)信號的采集輸入等功能；轉接板主要完成與被測模件之間的連接，對外采用與各被測模件所使用的異形接插件相匹配的接插件型號，對內采用統(tǒng)一、標準化的接口，通過連接電纜完成與互連模件的連接。電臺每個模件都有專門的測試夾具，不同模件測試夾具的硬件電路主要區(qū)別在于其轉接板電路不同。

3 系統(tǒng)軟件平臺設計

3.1 軟件設計框架

車載超短波電臺維修檢測系統(tǒng)軟件平臺是依托主控機采用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)架構采用了分層的架構,從高層到低層分別是應用層、應用框架層、系統(tǒng)運行層和驅動層，檢測軟件主要集中在應用層和驅動層，檢測軟件框圖如圖4所示。

圖4 軟件設計框圖

應用層提供應用軟件程序界面，應用軟件為維修檢測軟件，并預留與維修檢測信息管理軟件之間的通信接口。操作系統(tǒng)主要采用嵌入式操作系統(tǒng)，包括各種硬件驅動。維修檢測軟件可以實現(xiàn)電臺整機與模件性能參數(shù)采集、處理、存儲、上傳及故障診斷等功能；維修檢測信息管理軟件實現(xiàn)維修檢測信息存儲與查詢功能。

維修檢測軟件可分為4個功能模塊，即維修檢測模塊、檢測信息存儲模塊、檢測數(shù)據處理模塊、故障模件定位模塊?？蓪崿F(xiàn)如下功能：

1)根據用戶選擇的設備類型和測試項進行測試，并顯示測試所得數(shù)據；

2)控制測試開始和停止，并顯示測試進度；

3)對測試數(shù)據進行存儲管理；

4)測試數(shù)據處理、分析、打包；

5)依據測試數(shù)據分析，進行設備模件級故障定位。

驅動層主要提供超短波電臺維修檢測系統(tǒng)內部測試儀表電路、專用設備、被測設備、數(shù)據庫訪問等各種硬件電路、設備及接口的驅動。

3.2 軟件開發(fā)工具

車載超短波電臺及模件檢測技術的開發(fā)過程和結果性能評估必須具備良好的軟件仿真測試工具，高速靈活、功能強大的軟件開發(fā)環(huán)境是完成檢測軟件開發(fā)、提高軟件質量、加快研制進程的重要輔助手段。車載超短波電臺維修檢測系統(tǒng)軟件平臺開發(fā)的工具軟件主要包括以下幾類：

1)ARM開發(fā)環(huán)境：基于Linux系統(tǒng)的ARM開發(fā)，需使用的軟件包括但不限于Ubuntu Linux發(fā)行版操作系統(tǒng)，用于ARM底層驅動及應用軟件開發(fā)[9]；VMWARE Station虛擬機軟件，用于為Linux操作系統(tǒng)提供運行環(huán)境；SUPERVIVI軟件，用于為ARM下載內核鏡像與操作系統(tǒng)鏡像。

2)CPLD/FPGA開發(fā)軟件：Xilinx FPGA開發(fā)軟件 Xilinx ISE，采用VHDL語言[10]。

3)應用軟件開發(fā)環(huán)境：Microsoft Visual Studio，用于應用軟件除數(shù)據庫之外的功能模塊的開發(fā)；Microsoft Access，用于應用軟件數(shù)據采集存儲數(shù)據庫的開發(fā)；DevExpress開發(fā)套件，輔助性開發(fā)工具，用于測試數(shù)據的整理及規(guī)范化、清晰化呈現(xiàn)。

4)數(shù)據庫開發(fā)環(huán)境：MySQL關系數(shù)據庫軟件。

5)AutoCAD/ProE結構設計軟件。

4 系統(tǒng)測試試驗結果與分析

4.1 測試試驗步驟與方法

4.1.1 電臺整機測試

采用車載超短波電臺維修檢測系統(tǒng)對車載超短波電臺整機進行檢測時，需用測試線纜將電臺整機的各外部接口連接到電臺維修檢測主機相應的外部接口上，運行測試程序，然后操作電臺工作，電臺維修檢測主機檢測采集模塊完成對電臺整機性能的測試，通過維修檢測主機顯示屏讀出整機測試結果并進行分析。

4.1.2 電臺內部模件測試

采用車載超短波電臺維修檢測系統(tǒng)對電臺內部某模件性能進行檢測與采集時，首先進行模件上電前檢查；無短路等異常情況的前提下，將被測模件接入對應的測試夾具；運行測試程序，設置測試夾具和被測模件的工作狀態(tài)；測試程序通過網口控制測量模塊輸出激勵信號，并向測量模塊查詢對響應信號的解析結果；通過維修檢測主機顯示屏讀出模件測試結果并進行分析。

4.2 測試試驗結果與分析

采用車載超短波電臺維修檢測系統(tǒng)在30.025 MHz、43.275 MHz、55.000 MHz、75.100 MHz、87.975 MHz等5個電臺工作頻率上對某部車載超短波電臺整機的5項性能指標進行檢測，測試結果如表1所示。

表1 電臺整機測試結果記錄

從檢測結果可以看出，電臺的發(fā)信輸出大功率偏低，其他指標正常。由于電臺輸出功率低，發(fā)信距離縮短，我們在進行遠距離通信訓練時，就不能采用這部電臺，電臺要送到相應修理機構進行相關維修保養(yǎng)，以恢復電臺發(fā)信技術狀態(tài)。

采用車載超短波電臺維修檢測系統(tǒng)對某部發(fā)生“收信收不到信號故障”的電臺的內部模件進行了實驗測試，其測試結果如表2所示。

從表2測試結果可以看出電臺中頻頻合模件性能參數(shù)異常，與參數(shù)標準特征值差距較大，進一步檢測發(fā)現(xiàn)中頻模件收信放大電路故障，更換中頻頻合模件電臺恢復正常，該系統(tǒng)實現(xiàn)了電臺模塊級的性能檢測與故障定位。同時系統(tǒng)可以顯示正常的整機與各模件的測試參數(shù)，所有測試結果與標準值誤差均在5%以內，基本達到了設計要求。

表2 電臺模件測試結果記錄

5 結束語

車載超短波電臺維修檢測系統(tǒng)試驗測試結果表明，系統(tǒng)可以對某型超短波電臺的整機和內部模件進行工作性能參數(shù)測試，通過測試實現(xiàn)車載超短波電臺整機技術狀態(tài)評估與電臺模件級故障定位。該系統(tǒng)研制成功可以裝備在陸軍部隊各級修理機構的維修車間或維修工程車上，部隊維修人員可以采用該系統(tǒng)對某型號車載超短波電臺實施正確、精準的維修保障，對解決陸軍部隊該型號超短波電臺維修手段落后、提高車載超短波電臺的維修保障水平具有重要的促進作用。