一種聲吶聲學(xué)段自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)

駱可政 劉斌 江澤奇

(第七一五研究所，杭州，310023)

每套聲吶需要通過分機(jī)調(diào)試檢驗(yàn)、整機(jī)聯(lián)調(diào)檢驗(yàn)、軍檢、湖試、海試、環(huán)境試驗(yàn)、系泊試驗(yàn)、航行試驗(yàn)等，過程中要對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)功能指標(biāo)做測(cè)試。對(duì)于聲學(xué)段設(shè)備而言，傳統(tǒng)的測(cè)試方式主要通過手動(dòng)完成，紙質(zhì)記錄整理測(cè)試結(jié)果不僅影響效率，還造成測(cè)試數(shù)據(jù)的查閱不便、質(zhì)量問題的追溯不及時(shí)等困難。為此，本文提出了一種聲學(xué)段的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)，以便提高該部分的測(cè)試效率，解決數(shù)據(jù)整理等方面的問題。測(cè)試設(shè)備由軟件和硬件兩部分組成。軟件采用圖形化編程語言Labview，硬件主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備供電和測(cè)試通道的切換，并通過NI 儀器采集分析[1-3]。軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通過點(diǎn)擊按鈕即可自動(dòng)切換各個(gè)通道并自動(dòng)采集分析，形成測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)告。

1 測(cè)試現(xiàn)狀

目前，測(cè)試聲學(xué)段的方式是通過手動(dòng)撥碼開關(guān)，實(shí)現(xiàn)待測(cè)通道的切換，信號(hào)源注入信號(hào)并經(jīng)過聲學(xué)段后用示波器觀察輸出，人工紙質(zhì)記錄波形數(shù)據(jù)并分析計(jì)算[4]。每個(gè)通道需要在各個(gè)增益檔位上測(cè)試一遍，操作繁瑣，測(cè)試數(shù)據(jù)量大。測(cè)試現(xiàn)狀流程如圖1 所示。

圖1 測(cè)試現(xiàn)狀流程圖

2 聲學(xué)段自動(dòng)測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)框架

本設(shè)計(jì)主要由4 個(gè)部分組成，分別為PC 端上位機(jī)、繼電器模塊、供電模塊、NI 采集儀器。其中繼電器模塊、供電模塊集成在一個(gè)機(jī)箱中，機(jī)箱上裝有可以和聲學(xué)段連接的航插1 個(gè)，可以和上位機(jī)連接的RS485 接口1 個(gè)，還具有將輸出信號(hào)引出的8 個(gè)BNC 口和輸入信號(hào)引入的1 個(gè)BNC 口。航插將聲學(xué)段中的各通道、供電線、控制線等通過導(dǎo)線的方式與繼電器模塊設(shè)備轉(zhuǎn)接。繼電器模塊接收到PC 端上位機(jī)的指令后進(jìn)行相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)待測(cè)通道的切換、增益檔位的控制、聲學(xué)段加斷電等功能。待測(cè)通道切換后，通過NI 采集儀器對(duì)輸出模擬信號(hào)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，隨后傳給上位機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，最后形成測(cè)試報(bào)告。供電模塊則為整個(gè)設(shè)備提供電源?？傮w結(jié)構(gòu)框架如圖2 所示。

圖2 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 繼電器模塊選購

本設(shè)計(jì)共控制208 個(gè)開關(guān)量，這些開關(guān)量的控制由4 個(gè)繼電器模塊配合完成。模塊CPU 采用32 位ARM 處理器，24 V 供電工作，具有過壓、過流保護(hù)功能，支持 RS485 接口采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus 協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)機(jī)通訊。

2.2.2 供電模塊

供電模塊實(shí)現(xiàn)220 V 到30 V 的AC/AC 轉(zhuǎn)換，再對(duì)30 V 交流電進(jìn)行AC/DC 轉(zhuǎn)換，輸出24、±11、5 V 直流電，其中24 V 直流電供繼電器模塊工作，±11 V 直流電供聲學(xué)段工作，5 V 直流電通過繼電器控制切換聲學(xué)段增益檔位。

2.2.3 NI 采集儀器選購

本設(shè)計(jì)采用NI 公司的USB-6218 數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡通過USB 總線供電，即插即用，移動(dòng)性更好，其具有2 路模擬輸出（16 位，250 kS/s）、8 路數(shù)字輸出、2 個(gè)32 位計(jì)數(shù)器、32 路模擬輸入（16 位，250 kS/s）。

2.2.4 設(shè)備機(jī)箱

將繼電器模塊、供電模塊安裝在設(shè)備外殼機(jī)箱內(nèi)，作為硬件載體。

2.3 設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)

軟件功能可以分為5 個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)，分別為前面板事件任務(wù)、繼電器控制任務(wù)、指標(biāo)判斷任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)、DAQ 采集任務(wù)。軟件框架如圖3所示。

圖3 軟件總體框架

2.3.1 前面板UI 設(shè)計(jì)及其事件響應(yīng)任務(wù)

根據(jù)設(shè)備調(diào)試需求，結(jié)合了Labview UI 設(shè)計(jì)顯示控件，通過一定的編排，形成UI 界面。該界面具備狀態(tài)互斥的功能，例如，當(dāng)給聲學(xué)段加電和開啟信號(hào)源同時(shí)成立時(shí)，開始測(cè)試按鈕才會(huì)使能，否則無法測(cè)試。該界面還具備測(cè)試結(jié)果檢測(cè)功能，例如，點(diǎn)擊判斷幅度一致性按鈕，便可自動(dòng)判斷幅度一致性是否滿足要求，如果滿足，則綠燈亮，否則紅燈報(bào)警。前面板事件響應(yīng)任務(wù)負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶操作，當(dāng)用戶點(diǎn)擊前面板控件后，程序執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。前面板UI 如圖4 所示，用戶可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊控件的方式完成整個(gè)測(cè)試。

圖4 前面板UI

當(dāng)用戶選擇開始測(cè)試按鈕后，程序事件響應(yīng)任務(wù)中，事件處理過程中。首先判斷單通道測(cè)試模式控件是否勾選，如果勾選則為“真”，如果未勾選則為“假”。當(dāng)條件為“真”時(shí)，程序根據(jù)通道號(hào)輸入的值，通過寫單路繼電器子VI，便可完成相應(yīng)通道的選擇，進(jìn)行單通道的信號(hào)采集；當(dāng)條件為“假”時(shí)，程序進(jìn)入多路通道測(cè)試模式，進(jìn)行多通道信號(hào)采集。諸如此類的前面板事件響應(yīng)任務(wù)共有12 條，分別響應(yīng)了如下控件的操作：增益檔位選擇、切換注入方式、聲學(xué)段加斷電、信號(hào)源的開啟或斷開、開始測(cè)試、判斷幅度一致性、判斷相位一致性、判斷自噪聲達(dá)標(biāo)、自噪聲測(cè)量、清空表格、數(shù)據(jù)保存、停止程序。

2.3.2 繼電器控制任務(wù)

繼電器模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的Modbus 設(shè)備聯(lián)機(jī)通訊，可根據(jù)ModbusRTU 指令實(shí)現(xiàn)繼電器的讀寫單路開關(guān)輸出、讀寫多路開關(guān)量輸出等功能[5]。設(shè)備共有4 個(gè)繼電器模塊，單個(gè)繼電器模塊引腳分配見圖5。模塊有16 個(gè)COM 端和64 個(gè)接線端，每個(gè)COM 端分配有4 個(gè)接線端，16 個(gè)COM 端分成8 組引線與信號(hào)采集器的差分輸入端相連，64 個(gè)接線端實(shí)現(xiàn)了32 路通道的控制。3 個(gè)繼電器模塊可實(shí)現(xiàn)96 個(gè)聲陣段通道的連接，每個(gè)模塊相同的COM 端是并聯(lián)的。而繼電器模塊4 實(shí)現(xiàn)的是聲陣段加斷電和信號(hào)源是否輸入以及增益檔位切換等功能。圖6 為4 個(gè)繼電器控制模塊的整體分布。對(duì)于繼電器模塊控制任務(wù)程序而言，分別由增益控制、聲學(xué)段加斷電、信號(hào)注入模式切換、單通道測(cè)試、多通道測(cè)試5 個(gè)部分完成。這5 個(gè)部分軟件設(shè)計(jì)有較多的類似，下面對(duì)多通道測(cè)試模式進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖5 單個(gè)繼電器模塊引腳分配

圖6 4 個(gè)繼電器控制模塊的整體分布

按照表1 的多路繼電器模塊控制協(xié)議編寫前n路繼電器控制子VI 程序。這個(gè)子VI 中前3 個(gè)子VI 代表將繼電器模塊全部關(guān)閉的作用，與之相連接的00、01、02 這三個(gè)字節(jié)分別代表協(xié)議中從機(jī)地址碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)繼電器模塊中所有繼電器的關(guān)斷操作。接著，程序進(jìn)入一個(gè)6 次的for循環(huán)結(jié)構(gòu)，條件輸入端i代表循環(huán)次數(shù)，第1 次進(jìn)入for 循環(huán)后對(duì)地址碼為0x00 繼電器的所有COM 端的第一個(gè)繼電器開操作，即16 進(jìn)制顯示字符串“0x11111111”。隨后，做了延時(shí)并將一串布爾數(shù)組輸入隊(duì)列，此隊(duì)列是為了測(cè)試過程中數(shù)據(jù)同步填表服務(wù)的。當(dāng)程序第2 次進(jìn)入for 循環(huán)后對(duì)00 號(hào)繼電器的所有COM 端的第二個(gè)繼電器開操作，即16 進(jìn)制顯示字符串“0x22222222”，以此類推，到第4 次循環(huán)后，完成了32 路繼電器的開操作。而之后的2 次循環(huán)，則是對(duì)地址碼為0x01 繼電器進(jìn)行操作，寫入數(shù)據(jù)字符串為“0x11111111”和“0x22222222”。至此，完成了前n通道的繼電器開操作，之后的前n路、前m路、后x路、后y路繼電器開操作與之類似，只需要改變地址碼和寫入數(shù)據(jù)字符串便可。

表1 多路繼電器模塊控制協(xié)議

2.3.3 數(shù)據(jù)采集任務(wù)

軟件利用DAQ 助手自動(dòng)配置采集板卡，從而達(dá)到連續(xù)采集聲學(xué)段輸出信號(hào)的功能。在通道設(shè)置中，添加8 個(gè)通道，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行通道采集端口的綁定，隨后在接線段配置中選擇差分方式，在定時(shí)設(shè)置中配置采集模式為N采樣，待讀取采樣數(shù)為104個(gè)點(diǎn)，采樣率為100 kHz。至此，DAQ配置完成。隨后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形拆分，對(duì)各拆分的信號(hào)進(jìn)行峰峰值的提取和相位值的提取。

2.3.4 指標(biāo)判斷任務(wù)

指標(biāo)判斷任務(wù)分為幅度一致性、相位一致性、自噪聲測(cè)試三個(gè)部分。其中幅度一致性判斷，首先需要對(duì)各個(gè)檔位測(cè)得的增益值求和再取平均值：

式中，M代表平均值，N代表各列增益值。再對(duì)各列的增益值和該平均值做對(duì)數(shù)變換：

將求得的對(duì)數(shù)與1.5 dB 相比較，如果≤1.5 dB，則該值輸出“真”；如果>1.5 dB，則輸出“假”。最后對(duì)所有通道的輸出作“與”算，只要有一個(gè)指標(biāo)>1.5 dB，則幅度一致性布爾燈報(bào)紅色。相位一致性則是對(duì)各通道信號(hào)的相位值和信號(hào)源輸入的信號(hào)相位做減法，如果存在某通道差值>40°，則相位一致性布爾燈報(bào)紅色。自噪聲達(dá)標(biāo)判斷則是對(duì)每一個(gè)測(cè)得的自噪聲數(shù)據(jù)和0.09 V 相比較，如果某一通道自噪聲數(shù)值>0.09 V，則自噪聲不達(dá)標(biāo)，相應(yīng)布爾燈報(bào)紅色。

2.3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)

選擇支持word 的文件存儲(chǔ)控件，調(diào)試記錄報(bào)告以word 文件來存儲(chǔ)。首先做好一份調(diào)試記錄報(bào)告模板，將調(diào)試人、調(diào)試日期、調(diào)試設(shè)備型號(hào)、調(diào)試數(shù)據(jù)等信息留白并做書簽。通過Labview讀取報(bào)告模板，并在模板中相應(yīng)書簽處填入數(shù)據(jù)，最終形成完整的調(diào)試記錄報(bào)告。

3 結(jié)論

本文以NI 儀器作為測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種聲吶聲學(xué)段自動(dòng)測(cè)試設(shè)備。經(jīng)使用測(cè)試，該設(shè)計(jì)測(cè)試單條聲學(xué)段時(shí)間從原來的近8 h 縮短至20 min。基于Labview 編寫的上位機(jī)簡(jiǎn)單易用，能夠滿足被測(cè)對(duì)象所有測(cè)試項(xiàng)的測(cè)試需求，并能自動(dòng)生成word 版的測(cè)試報(bào)告，實(shí)現(xiàn)無紙化記錄，相比人工手動(dòng)測(cè)試，此設(shè)備大大提高了測(cè)試效率，為測(cè)試人員維修設(shè)備、查看測(cè)試報(bào)告提供了方便。在后續(xù)的研究中，可考慮添加信號(hào)源輸出功能，這樣可以完全省去通用儀表，集成度更高，測(cè)試會(huì)更方便。