便攜式多普勒計程儀檢測設(shè)備設(shè)計

唐立赫

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊，050081）

0 引言

相控陣多普勒計程儀（DVL）是現(xiàn)代水聲定位導(dǎo)航的重要設(shè)備，其換能器采用壓電陶瓷按一定規(guī)律拼接而成的，具備基陣體積小、精度高、一致性強等特點[1]。換能器狀態(tài)的好壞直接影響多普勒計程儀能否準(zhǔn)確定位，因此需要對換能器進行定期檢測，采用傳統(tǒng)的阻抗分析儀測試存在設(shè)備體積大、成本高、環(huán)境適應(yīng)性差等問題，不適用于攜帶在海洋環(huán)境潮濕鹽霧環(huán)境下長期使用。本文針對多普勒計程儀換能器的測試需求，設(shè)計了一種便攜式多普勒計程儀阻抗測試裝置，用于完成多普勒計程儀換能器日常檢測維護。

1 設(shè)計原理

當(dāng)不考慮電損耗時，水聲換 能器在靜態(tài)可以看作成純電容。而換能器工作中，將產(chǎn)生動態(tài)阻抗。是換能器振動過程中與介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的，可等效為電容、電感、電阻串聯(lián)形式。要是換能器的某一諧振頻點附近相對較大范圍內(nèi)不存在其他諧振點，可以將其當(dāng)作成集總參數(shù)系統(tǒng)。動態(tài)阻抗等效電路如圖1所示。其中 0C是靜態(tài)電容，1R，1C，1L分別為動態(tài)阻 抗中的電阻、電容、電感[2]。

圖1 換能器等效電路圖

假定水聲換能器的總導(dǎo)納為Y，并聯(lián)支路和 串聯(lián)支路的導(dǎo)納分別為 0Y及 1Y，如果不計換能器的電損耗，則：

其中 0B表示靜態(tài)電納，1G和 1B表示動態(tài)電導(dǎo)和電納，w為角頻率，且：

令橫軸代表電導(dǎo)值，縱軸代表電納值。當(dāng)頻率改變時，Y1相矢的終點軌跡會是一個圓，如圖2中以為直徑的圓所示。那么如果將公式（2）中w消去，就得到方程（3），它代表圓心在(1 /2R1,0)，半徑為 1/2R1的圓。

圖2 導(dǎo)納圓圖

當(dāng)10B= 時，得到方程的解為10G= 與 1 11/GR= ，由于現(xiàn)實中換能器必有10R≠ ，由式(2)可得10G≠ ，那么，唯獨 11/R是滿足上述方程(3)的解。由式(2)可以看出，當(dāng)即時，發(fā)生諧振。所以圖2中(1 /R1,0)點的頻率即是諧振頻率ws。

由測量原理可知，換能器的阻抗（或 導(dǎo)納）和等效電路的測量歸結(jié)為測定其電端 的等效電阻抗（或?qū)Ъ{），通常采用寬頻帶阻抗分析儀、阻抗或?qū)Ъ{電橋測量，或直接測量換能器的電壓電流復(fù)數(shù)比，得到換能器的復(fù)數(shù)阻抗（或?qū)Ъ{）值以及等效電路的特征參數(shù)。換能器的等效 電路用并聯(lián)形式的電導(dǎo)和電納表示較為方便[3]。同一種換能器等效電路的兩種表示方式可以互相轉(zhuǎn)換。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計是多普勒計程儀設(shè)備的配套測試裝置，主要目標(biāo)是完成多普勒計程儀所使用的換能器測試，以驗證換能器是否狀態(tài)正常，避免使用損壞換能器進行試驗而導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常所造成的不必要損失。本設(shè)計的阻抗測試系統(tǒng)具有：系統(tǒng)自檢、對換能器阻抗的測量、電阻測試及標(biāo)校等功能；人機交互功能，即通過GD32F450與智能終端間的串口通信，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、顯示相應(yīng)測試結(jié)果；實現(xiàn)測量文件存取功能，方便后續(xù)處理及檢驗。

數(shù)字信號處理芯片是系統(tǒng)的核心，其處理能力、外設(shè)資源、功耗都是重要的選擇條件，綜合考慮，本設(shè)計選取兆易創(chuàng)新公司的GD32F450作為處理控制核心，該芯片具備豐富的外設(shè)接口，滿足設(shè)備阻抗測試、數(shù)據(jù)存儲、顯示控制等需求。阻抗測試芯片選取高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器AD5933實現(xiàn)，并添加小阻抗測試電路、自檢電路和模擬開關(guān)等外圍電路。

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

2.2 阻抗測試電路設(shè)計

阻抗測試芯片選取美國ADI公司推出的一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器AD5933，廣泛的應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)測量、材料性能分析、電池/燃料狀態(tài)監(jiān)測、復(fù)阻抗測量、阻抗頻譜分析等領(lǐng)域[4]。AD5933的內(nèi)部主要包括一款27bit頻率發(fā)生器（DDS），一個1MSPS、12bit的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，一個用于數(shù)據(jù)處理的DSP核。AD5933輸出頻率高達100kHz，而經(jīng)實際測量其信號輸出頻率可達499.99kHz，頻率提升后單個周期點數(shù)降低，信號波形變差，但仍能進行換能器阻抗測量，圖4為AD5933輸出200kHz信號波形。

圖4 AD5933輸出200kHz信號波形

根據(jù)本設(shè)計需要及AD5933芯片引腳功能，電路連接如圖5所示。

圖5 AD5933外圍電路設(shè)計

為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)備初始化完成后首先進行自檢。通過GD32F450的GPIO引腳控制模擬開關(guān)SN74LV4051切換，將阻抗測試電路的輸出接到標(biāo)準(zhǔn)電阻上，測試電阻阻抗并進行門限比較，判定阻抗測試電路狀態(tài)是否正常。

2.3 觸控終端設(shè)計

為實現(xiàn)初始化及自檢信息顯示、阻抗測試檔位的選取控制、阻抗測試結(jié)果的顯示，本設(shè)計需要采用7英寸電容觸摸屏模塊，利用GD32F450片上TFT-LCD處理器及IPA圖形加速器實現(xiàn)觸摸屏驅(qū)動與顯示增強，并將所需字庫及BMP圖片存儲在SD卡中，設(shè)備上電后將顯示素材加載到SDRAM中以滿足刷新速率要求。

2.4 測試流程設(shè)計

阻抗測試儀的軟件設(shè)計主要是完成GD32F450的軟件編程，來實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、顯示控制、AD5933小阻抗測試、FATFS文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲以及串口通信等功能[5]。系統(tǒng)的總體流程如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

軟件執(zhí)行主要流程有：

（1）系統(tǒng)上電后加載程序，完成硬件資源及各個參數(shù)變量初始化，使外設(shè)進入待機狀態(tài)。

（2）初始化完成后，系統(tǒng)首先驅(qū)動繼電器將測試電路切換到已知電阻兩端，對已知標(biāo)準(zhǔn)阻抗進行測量，并進行門限判決，將自檢結(jié)果顯示于自檢界面上。阻抗值在門限之內(nèi)，顯示“自檢正?！?，用定時器延時顯示2s，反之則顯示“自檢失敗”并停留在自檢界面。自檢完畢將繼電器彈開。

（3）如果自檢成功，進入測試界面。串口進入輪詢狀態(tài)，此時用戶可以選取所需的測試檔位及測試參數(shù)，然后點擊“開始測量”進行測試，“開始測量”鍵反色。

（4）系統(tǒng)使能模擬開關(guān)，進行八通道換能器測試。

（5）對測試得到的阻抗實部 和虛部值進行計算及校準(zhǔn)。將測得的諧振頻率及阻抗值與參考門限進行對比判決，并把每路測試結(jié)果顯示在顯控終端對應(yīng)位置之上。測量完成后將該路的阻抗值、溫度等寫入.dat文件之中，系統(tǒng)下電后可以通過USB拷出，進行備份及后續(xù)處理。八通道測試完成后， 關(guān)閉模擬開關(guān)?！伴_始測量”按鍵恢復(fù)未被選中狀態(tài)，以示阻抗測試結(jié)束。

（6）選取“電阻”檔進行校準(zhǔn)時，測試流程與換能器測試類似，不同之處在于無需控制模擬開關(guān)且不進行數(shù)據(jù)存儲。測試完成后，結(jié)果顯示在“電阻”檔后邊的矩形框內(nèi)。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 電阻測量

為驗證設(shè)備測試的可靠性，設(shè)備提供了電阻測試接口，通過切換參考電阻值，可以用于測量50Ω到10kΩ之間的電阻阻值。表1中給出了一些電阻測試數(shù)據(jù)，電阻標(biāo)準(zhǔn)阻值采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電橋測得，測量值為設(shè)備測試得到。

表1 部分電阻測試數(shù)據(jù)

通過計算可以發(fā)現(xiàn)測量值與萬用表測得的數(shù)值有3%以內(nèi)的偏差，完全滿足對設(shè)備進行檢驗的需求。為了使測得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，對數(shù)據(jù)進行了擬合處理。

將測量值代入上述公式得到電阻修正值及誤差如表1所示，可以看出修正后誤差進一步減小到0.4%以下，可以準(zhǔn)確測量電阻值。由于電阻值較大時絕對誤差也比較大，為了不影響小阻值測量，對阻值數(shù)據(jù)進行了分段擬合，提高了測試精度。

3.2 換能器測試

為驗證設(shè)備能力，對120kHz、150kHz、300kHz等多型DVL換能器進行測試，這里以某型120kHz換能器為例。測試條件：AD5933起始頻率90kHz，頻率增量為200Hz，點數(shù)256，即掃頻范圍為90kHz-141kHz。由測得的實部值和虛部值計算出換能器每個頻點的阻抗和相角θ，與標(biāo)準(zhǔn)阻抗分析儀Agilent4294A測得數(shù)據(jù)進行對比，得到如圖7、圖8。

圖8 120k DVL換能器阻抗相位對比

從圖7、圖8可以看出通過電阻擋測得的換能器阻抗和相角與標(biāo)準(zhǔn)阻抗分析儀測得的曲線非常接近，Agilent4294A測得諧振頻率為114.7kHz、諧振點阻抗69.88Ω，AD5933測得諧振頻率為114.4kHz、諧振點阻抗67.81Ω，誤差較小，滿足現(xiàn)場檢測使用需求。

圖7 120k DVL換能器阻抗模值對比

3.3 一致性驗證及門限設(shè)置

將120kHz換能器的八通道測試結(jié)果進行對比結(jié)果，如圖9、圖10所示。

圖9 120k DVL換能器8通道阻抗模值對比

圖10 120k DVL換能器8通道相位模值對比

從圖9、圖10可以看出120kHz換能器8通道間一致性良好?？梢詼y出諧振點阻抗及諧振頻率，并可根據(jù)需求換算換能器G、B、R、X、C等參數(shù)。可將換能器測量參數(shù)進行保存及讀取，并可設(shè)置判決門限判定換能器各通道狀態(tài)，將測試結(jié)果顯示在LCD屏幕上。

4 結(jié)語

本文依據(jù)多普勒計程儀換能器阻抗特性和專用芯片測試原理，設(shè)計了一款便攜式可應(yīng)用于多普勒計程儀系統(tǒng)換能器檢測的阻抗測試裝置，與傳統(tǒng)的阻抗分析儀相比具有集成度高、成本低、操作簡單和便于攜帶等優(yōu)勢，可應(yīng)用于多普勒計程儀日常測試與維護。