舰船电子装备舰员级维修通用PMA设计方案＊

2011-06-07薛文虎许炎义徐红华

舰船电子工程 2011年12期

薛文虎许炎义徐红华

（海军工程大学电子工程学院武汉 430033）

1 引言

舰船电子装备（如通信、雷达、声纳等）一般结构比较复杂，模块数量多，维修保障难度较大。随着部队远洋护航、训练、演习等任务的增多，对舰员的装备自修能力提出了更高的要求。目前，一些电子装备的舰员级维修能力明显不足，且在很大程度上依赖于舰员个人的维修测试经验。一旦熟悉装备的舰员出现岗位变动，新的舰员要花费相当长的时间和精力来重新熟悉装备，原有的维修测试经验难以得到有效的积累和传承。此外，传统测试仪表如示波器、万用表等获取的测试信息（如波形、参数等），不便于导入计算机进行保存和处理。

为解决上述问题，有必要为舰员配备合适的便携式维修辅助（PMA）设备［1～3］，使舰员的维修测试技能规范化，并不断积累装备故障诊断和维修经验，这对于提高舰员的预防性维修能力和应急抢修能力具有非常重要的作用。可见，通过配发和使用适用于舰员级维修的PMA设备，能够极大提高舰船电子装备的任务可靠性和战备完好率，更好地发挥装备的作战使用效能。

但是，现有PMA通常采用交互式电子技术手册（IETM）作为人机接口，舰员普遍反映其操作复杂、使用不便。为此，本文提出一种适用于舰船电子装备舰员级维修的通用PMA系统设计方案，其中软件部分采用了全新的功能模块和人机接口设计，使整个系统操作简单、使用方便，从而能够更好地满足舰员级维修需求。

为提高这种PMA的推广应用价值，需要将其设计为通用维修辅助设备［4～6］，而非专门针对某一型号的设备。因此，要求PMA的设计具有通用化、模块化的特点。对于不同型号舰船电子装备（包括通信、雷达、声纳等）的电路，均可由舰员自行设定PMA测试数据库中的测试点。这样，所研制的舰员级PMA可广泛应用于多种型号的舰船电子装备，具有良好的推广应用前景。

2 主要功能及组成结构

2.1 设计要求

通用PMA设备的总体设计要求如下：

1）快速性：现代高技术条件下的海上局部战争态势瞬息万变，作为信息获取和传输手段的舰船电子装备，其作用尤为突出，因此能否保持电子装备的战备完好性至关重要。这就要求通用PMA能够辅助舰员实现对电子装备故障的自动检测、准确诊断和快速修复。

2）安全性：要求所研制的PMA在进行信号和参数的测试时，不能影响现有部件和单元的功能，更不能造成被测试器件或电路的意外损坏。

3）准确性：要求PMA所测得的波形和数据准确无误，其精度必须满足故障诊断要求。此外，要求PMA设备所给出的故障诊断结论正确，能够辅助舰员将故障准确定位到可更换单元。

4）经济性：采用通用化、模块化设计，降低研制成本，以最少的费用研制出通用化程度高、扩展能力强、适用范围广的PMA设备。

5）实效性：为降低对操作使用人员技能和经验的依赖程度，要求所研制的PMA设备必须采用自动化、智能化技术，以检测系统图形化用户接口为导引，实现交互式、电子化的维修检测过程。

6）开放性：便于维修数据资料的导入、导出，能够与其它级别维修信息系统共享数据，可以不断更新电子装备故障与维修的历史记录。此外，还可通过LAN接口连接远程专家支持系统。

7）紧凑性：PMA是供舰员日常检修和故障诊断使用的，要求能够方便地在不同舱室、不同位置使用。因此，设备本身必须满足体积小、重量轻、携带方便的要求。

8）易用性：采用向导式的图形化软件界面，使不熟悉装备的舰员也能够轻松地按照软件界面给出的提示，逐步地完成信号及参数的测试过程。

2.2 主要功能

通用PMA设备的主要功能包括：

1）信号及参数测试功能：通用PMA的测试功能主要由内置的USB仪器模块来完成。根据舰员的实际情况，只需为其配备示波器和万用表这两种仪器模块，即可满足其日常测试需要。舰员使用仪器内置示波器或万用表的方法与传统仪器相同，主要区别在于前者具有操控和显示的软件界面，而后者为实际的硬件操控和显示面板。

2）测试数据库功能：要求既能够存储各测试点的波形，又能够根据实际需要添加和删除测试点。在装备工作正常的情况下，可以采集指定测试点的波形，作为标准波形。当进行故障诊断时，可以将实时测得的、某一测试点的波形与数据库中存储的标准波形进行比较，以判断该测试点信号是否正常。

3）历史故障信息库功能：将电子装备曾经发生的故障现象、故障时间、测试及维修方法等记录下来，构成开放式的、可不断更新的历史故障信息库。舰员可以利用这些历史维修记录，以更高效的方式完成故障诊断和维修。

4）技术资料浏览功能：将电子装备的技术说明书、使用说明书、电原理图册等技术资料进行数字化，以图片或文本格式存储于PMA的硬盘中。以电子介质取代原来的纸张介质，实现数字化存储和智能化检索，能够克服技术资料存储、使用和修改不便的困难。

2.3 组成结构

通用PMA的组成结构如图1所示。其硬件系统由便携式工控机、USB示波器模块和万用表模块，以及测试附件如示波器探头、万用表笔及连接电缆组成。为了满足系统的便携性，使PMA体积小、重量轻，将示波器模块和万用表模块集成到便携式工控机的机箱中。其软件系统的设计［7］应满足界面友好、使用方便、功能丰富等要求。软件系统由信号对比测试、测试数据库、历史故障信息和技术资料浏览等4个软件模块组成。

图1 舰员级通用PMA的组成结构

3 硬件系统设计

为了满足舰员级测试需求，通用PMA硬件系统的外观结构采用集成了示波器模块和万用表模块的便携式工控机箱。除了用于连接两个仪器模块的内部USB接口外，工控机还对外提供两个USB接口，用于连接外接键盘、鼠标和外置光驱。下面分结构设计和系统配置两部分给出硬件系统的设计方案。

3.1 结构设计

便携式工控机的结构如图2所示，一般有2种结构：分体式和一体式。其中，图2（a）为分体式结构；（b）和（c）为一体式结构，二者的主要区别在于是否带有全尺寸键盘和跟踪球。

图2 便携式工控机的一般结构

图3 舰员使用PMA时的操作示意图

如果采用分体式结构，使用PMA时通常需要一个包括桌椅的工作台位，且不能在移动中工作。根据舰员进行电子装备测试的便携性要求，显然分体式不是一种好的选择。如图3所示，如果舰员使用肩带将PMA挂在肩上，就可以用一只手操作触摸屏或键盘，而另一只手用仪器探头接触电子装备上的测试点。

根据舰员使用PMA的操作方式，可见图2（b）和（c）都是可选的外观结构。为了进一步增强PMA设备的便携性，减小其体积和重量，本系统选择图2（c）所示的结构。在这种结构中，用触摸屏取代了全尺寸键盘和鼠标，使外观更加紧凑。为了在某些场合下使操作更直观、方便，在面板上设置了摇杆鼠标和数字小键盘。为进一步减小维修检测仪的体积，拆除外置USB接口示波器模块和万用表模块的外壳，只保留里面的电路板，并将这些电路板安装于便携式工控机的机箱中。

3.2 系统配置

硬件系统中最关键的两个组成部分是示波器模块和万用表模块，其性能参数决定了整个仪器的测试性能。根据舰船电子装备舰员级维修和测试的实际情况，示波器的带宽达到100MHz以上即可满足大部分电路模块的测试要求。而对于万用表的测量精度，没有特殊要求，一般达到5.5位分辨率即可。综合考虑测试需求和性价比两种因素，确定示波器和万用表模块的技术指标为：1）示波器200MHz带宽，2通道隔行扫描每秒1G个采样点，2通道交叠32M存储深度；2）万用表5.5位分辨率，100个读数／秒，测试电压DC 1μV～300V，AC 1μV～250V，可进行交直流电压和电流、电阻和二极管的测量。

从图2（c）可以看出，液晶屏占据了面板上的大部分空间，因此整个检测仪的尺寸在很大程度上取决于液晶屏的尺寸。根据舰员级测试人机界面显示的基本要求，液晶屏尺寸达到10英寸即可。因此，为PMA设备配置带LED背光和触摸屏的10.4英寸真彩液晶屏。由于对工控机主机的运算速度要求不高，主板、CPU和内存均采用目前嵌入式系统的主流配置。通过器件筛选，最终设计的工控机主要配置为：CPU为Intel Atom N270低功耗处理器，主频1.6GHz；芯片组为Intel 945GSE主板，内存2GB SDRAM；500GB 2.5寸硬盘；2个 USB 2.0接口。

4 软件系统设计

通用PMA的软件系统功能丰富，主要包括波形对比测试、测试数据库、历史故障信息和技术资料浏览等功能。其中，波形对比测试功能使用测试数据库进行测试点波形的存取。下面简要介绍这些功能的软件设计方案。

4.1 波形对比测试

波形对比测试主要包括测试点维护、标准波形采集和波形对比回放3个界面。其中测试点维护主要实现测试点的添加和删除功能，用户可以根据需要添加分机、部件、模块及测试点，也可以对现有测试点进行删除（包括相应的波形和示波器参数，但需确认以防误删）。

标准波形采集主要提供示波器操作界面，以及示波器参数和波形的存储功能。用户选定某一测试点后，通过将示波器探头连接至装备的相应测试点，并调整示波器参数，使示波器界面上显示出符合要求的波形，然后点击“存储”按钮即可存储该测试点的波形及示波器参数。

波形回放对比用于对比实时测量波形和数据库中存储的标准波形。用户先在树状图中选择一个测试点，然后点击“对比测试”按钮，即可将存储于测试数据库“标准波形表”中的该测试点的标准波形，以及使用测试数据库“示波参数表”中存储的示波器参数实时采集的测试点波形，显示在同一个窗口中，供用户进行对比。

选用LabVIEW软件作为开发示波器模块［9］和万用表模块［11］的工具，其优势在于图形化编程，便于程序的调试和开发。此外，用LabVIEW进行数据库的设计与开发［13］也很便捷，因此PMA软件系统中的大部分功能均采用LabVIEW进行开发。

4.2 测试数据库

测试数据库用于存储装备正常工作状态下采集的标准波形、实时测量的波形，以及相应的示波器参数。数据库有测试点信息表、示波器参数表、标准波形表和实时波形表等4个数据表。测试点信息表用于存储测试点唯一ID、测试点名称、分机号、部件号、模块号和测试点编号。示波器参数表用于存储与某一测试点相对应的示波器参数，如触发方式、扫描速度、幅度量程等。标准波形表和实时波形表分别用于存储与某一测试点相对应的标准波形和实时测量波形。

4.3 历史故障信息库

历史故障信息库主要为舰员提供历史故障信息的录入、检索和全文浏览服务。这些故障信息，既可在开发阶段由开发人员录入，也可在使用阶段由使用人员录入。历史故障信息库设计为一个文档管理和检索数据库，主要字段包括：记录号、记录生成时间、最近修改时间、用户ID、舷号、文档标题、撰写者姓名、维修单位、维修时间、维修地点、装备型号、装备名称、故障现象、原因分析、排除方法、维修人员、修后状态、维修体会、文档路径等。用PDF文档存储历史故障信息的全文，并用文本数据库提供这些文档中关键信息的检索服务。

4.4 技术资料浏览

在只有纸质资料而无电子文档的条件下，将纸质资料进行扫描或照相转换为图形文件。然后将技术资料的目录制作成超文本文档并进行编译，利用Windows操作系统的帮助文档浏览器进行浏览。超文本文档中提供相应图片文件的链接。当用户点击技术资料目录中的某一链接时，系统从浏览器中调用“微软Office图片管理器”软件显示相应的图片文件。利用该软件，用户可以方便地浏览技术资料中的技术说明书、使用说明书和电原理图册。