基于PCI总线的声纳装备维修训练平台硬件设计与实现＊

任绪科 胡金华 张 卫

（1.92956部队 大连 116041）（2.海军工程大学 武汉 430033）

1 引言

随着海军活动海域由近海向远海的转变，提高舰员的故障维修能力成为武器装备性能保障的一个重要方面。就声纳装备而言，目前的主要维修训练是结合实际装备进行，这样的训练方式存在如下缺陷：1）结合实装维修训练，其数量和训练场地有限，受训人员的数量和时间难以保障，训练效率低；2）装备功能结构复杂，造价昂贵，在实装上进行大量的维修训练工作会影响战备完好性；3）结合实装维修训练，局限性大，所见故障现象和所能体会的维修操作有限，大多还只能从书本上进行抽象理解；4）维修训练结合实装进行，一般仅限于简单的拆装和故障预设，而对故障检测与分析这一维修训练的内容训练甚少；5）实装维修成本高，会造成大量工具、零件、材料以及人员精力的消耗［2～3］。

基于虚拟维修、三维复现和信号检定相结合的装备维修训练系统能够有效克服结合实装维修训练带来的问题，为装备维修训练提供先进的操作环境和模拟手段，信号流和意识流的训练模式能有效改进训练效果、规范维修思路、提高维修水平，具有重要的军事经济效益。

2 系统硬件总体设计

声纳维修训练系统的总体功能包括：故障设置、故障现象模拟、机柜面板指示、模拟和假想故障排除，通过对声纳装备信号流程进行分析，设计出不同模块和分机的故障实例，并对各实例的故障现象进行模拟和复现。受训人员通过故障现象，对假想故障进行逐级研判，最终排除假想故障。针对故障模拟平台，其主要功能就是根据导演台的假想故障指令，在检测面板上表达出对应的故障状态：模拟信号输出的表达形式、指示灯的亮灭状态、不同幅值的电源供电等信息。对此，有以下三个方面的要求：

1）控制灵活［6］。故障模拟平台接收来自导演台的指令后，将据此修改硬件参数，硬件平台的输出状态将在程序的控制下表达出相应的状态，当有新的指令送至时，故障模拟平台将重载数据，使终端能及时准确地表达出新指令对应的故障状态，由此来实现导演台对故障模拟平台的灵活控制。2）符合实装检修方式。维修训练系统的设计在功能上要符合目前电子装备测试检修的常用方法和检修步骤，这样受训人员才能将训练的效果应用到对实际装备的维护当中去。

3）具有可扩展性。作为维修训练考核系统，必定要涵盖实装常有的故障数据库，而实际装备中出现的故障现象和种类不是固定不变的，因此该系统在硬件和软件设计上要具有可扩展性，使得系统可增添假想的故障，故障数据库可按需求任意添加到系统软件上并能通过硬件平台进行表达。这就要求硬件电路具有任意波形产生能力，软件设计方面可对新添加的数据库任意调用。

2.1 系统结构及工作流程

根据系统功能需求，故障模拟平台总体框架如图1所示，其基本结构由以工控机为核心的控制器及声纳装备各分系统检测台组成，具体包括某型声纳发射系统、接收系统、水下声系统、电源系统及指示灯等。

图1 系统总体框架

所有检测面板对应的模拟组件及结构基本相似，这里选取了如图1所示的导演台对声纳发射系统及指示灯检测台控制的局部结构图。由图2可知，从导演台至其中某个检测台的通路包括：工控机、工控机控制的功能板卡、模拟信号输出通路、数字信号输出通路、转换控制电路及低压供电系统。另外，检测面板内部还包含有相应的信号调理模块、继电器控制模块、指示灯驱动电路等电路模块。

图2 故障模拟平台局部结构图

图3 系统工作流程图

故障模拟平台的工作流程如图3所示：受训人员在操作前，首先通过导演台选择故障维修训练案例，故障模拟平台经网络读取案例信息后控制硬件设备产生数字量，被选定的装备指示灯亮，代表该装备进入正常工作状态，但此时模拟量输出板卡并未开始输出模拟量。受训人员按照导演台软件的引导，并综合面板指示灯的状态，进行分析判断，确定按下相关检测面板的开关。检测面板开关被按下的信息将以低电平0的形式被数字量输入板卡采集，采集信息经程序读取后将控制指定通道产生一个数字量1，高电平打开通向该检测面板的模拟总线开关，相应的信号将输送至被选通的检测面板，与此同时通向其他面板的总线开关则全部关闭。在同一个故障指令下，如果故障表达没有体现在某些检测面板上，当同一装备上的这些检测面板开关被按下时，信号将按正常情况输出。

2.2 硬件总体设计与实现

图4为某型声纳维修训练系统的故障模拟平台总体设计框图。工控机控制产生的数字量通过锁存器分别转接至两套装备，而模拟信号的输出则通过模拟开关总线进行转换。某型声纳需要切换的检测面板有：声纳接收机检测面板1，声纳接收机检测面板2，声纳功放机柜1检测面板，声纳功放机柜2检测面板，在机柜顶部对应设置了四个开关：“声纳接收1”“声纳接收2”“声纳功放1”“声纳功放2”。切换开关直接与数字板卡的数字量输入通道相连，当开关被按下时，板卡采集到的状态信息将会发生改变。

数字量通过锁存器后分别送至各检测面板的数控电路：状态指示灯、继电器控制的电源输出电路、继电器控制的绝缘电阻选通电路。模拟开关总线和锁存器的导通与关闭同样也受数字量的控制。通过模拟开关总线的模拟信号直接输送至检测面板的信号调理电路，经过信号幅度的放大或衰减以及滤波，最终输出至检测孔。低压供电系统分别为各单元电路的芯片、信号调理电路的偏置、指示灯电路、各检测面板电源输出检测孔供电。

图4 某型声纳维修训练系统故障模拟平台总体设计

图5 某个检测面板硬件电路组成

下面以导演台控制其中一个检测面板输出为例，说明硬件电路的实现方法。如图5所示，硬件电路的组成有：工控机、模拟信号发生器板卡、具有数字量输入与输出功能的数字信号发生器板卡、模拟总线开关、信号调理电路、继电器开关、状态指示电路等。

·工控机：采取10 槽PCI主机箱。PCI（Peripheral Component Interconnect）总线［14］是近年来在工作站和个人微机中被广泛应用的计算机总线。外围器件通过总线可直接与处理器相连，具有数据传输效率高、成本低、易于扩展、适用于恶劣环境、抗干扰、低功耗等特点。

·模拟量输出板卡：模拟信号发生器板卡要求具有多路任意波形产生能力，每路DA 具有RAM 存储器，每路可指定RAM 做任意循环输出的数据。本系统选用了阿尔泰公司的PCI－8103板卡，该板卡具有12位DA 精度，1MS／s模拟量输出频率，4路模拟量可任意波形发生，每路具有256字RAM 存储器，DA 默认输出量程为0～5V。

·数字量输入输出板卡：这里采用了具有数字量输入和输出能力的研华公司的PCI－1753，该板卡具有96路数字量输入和输出功能，可指定任意通道的输出或输入，能满足系统对数字量输出与输入的要求。数字量的输出分别用于控制开关总线的打开与关闭、状态指示灯的亮灭，数字量输入主要用于采集，当检测面板感知到外部触发时，板卡将采集信息送至主程序进行判断。

·模拟总线开关：采用8路开关总线芯片SN74CB3Q 3345，该芯片可同时控制8路－0.5～7V，0～10MHz任意形式模拟信号的通断。

·信号调理：经过开关总线后的模拟信号在输送至检测面板之前还需对其进行信号调理，主要是对某些信号的电位和幅度进行调节，并经滤波器电路输出至检测孔。

3 结语

基于PCI总线的该型声纳装备维修训练平台，具有操作灵活、携带方便、稳定性好、扩展性强等特点，极大地提高了自动化程度，大幅度降低了系统开发、维护以及后期的升级成本，缩短了系统的开发周期。该平台通过接收来自导演台虚拟维修系统软件的控制信号，对应产生能表达某故障状态信息的信号并输出至检测面板。受训人员通过视觉观察、仪器测量并依据结果判断故障类型，从而实现虚拟维修、三维复现和信号检定的结合，这将在很大程度上提高受训人员的动手能力和装备保障能力，为声纳装备的维修训练提供了一条新的有效途径，对其它电子装备的维修训练具有重要参考价值。

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