鱼雷专用检测设备接口模块化设计与实现

李 彦



鱼雷专用检测设备接口模块化设计与实现

李 彦

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710075)

为了提高鱼雷专用检测设备接口设计的工作效率, 提出了一种基于模块化思想的接口硬件设计方法。将鱼雷专用检测设备接口按照功能分解为信号衰减模块、模拟信号隔离模块和数字量/开关量信号隔离模块3种标准模块, 并通过对上述模块的组合, 完成信号调理。仿真试验及实测结果均表明, 上述电路模块组合能够很好地实现信号调理功能, 实现了鱼雷专用检测设备接口硬件模块化和标准化设计。

鱼雷专用检测设备; 模块化; 接口

0 引言

测试设备适配器作为鱼雷产品与专用检测平台的接口, 不同设备的适配器其内部电路主要功能是一致的, 用于完成各类信号的隔离及调理, 仅个别设备有少量的特殊需求。目前, 接口硬件主要采用专门研制的方式, 存在着重复设计、信号处理方法不统一、产品更新升级潜力不足及元器件选型过多等情况, 导致设计效率和可靠性偏低, 兼容性、互换性较差, 同时也为元器件订货带来困难。

对于个别检测设备的少量特殊需求, 需具体问题具体分析采用专用设计。而对于各设备的一致性需求, 应该首先统一功能定义,开展硬件模块化设计, 提高各设备之间接口硬件模块的互换性, 实现接口硬件模块在同型号不同设备之间、不同类型号专用设备之间的延用或重用[1-2]。

在对鱼雷测试设备接口主要功能和性能指标进行归纳总结的基础上, 提出一套测试设备模块化接口[3], 对缩短测试设备研制进度, 提高设计水平、产品可靠性以及接口电路的兼容性、通用性和标准化具有重要意义。

1 模块化及当前测试设备接口设计

模块化是指在对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解基础上, 划分并设计生产出一系列通用模块或标准模块[4], 模块化应具备以下特征: 1) 具有独立的功能: 模块部应具有独立的, 不受干扰的特定功能, 可以进行单独储备; 2) 具有组合性: 模块是分解的产物, 应能“回归”到系统中去。所以, 它应具有良好的接口, 有很强的组合能力, 可与其他的功能单元进行有机地组合, 构成完整的系统; 3) 具有通用性: 模块应是具有标准接口或连接要素的标准单元或通用单元, 应具有典型性, 通用性和兼容性[5]。

测试平台通过工业板卡对来自鱼雷的信号进行测试, 或为鱼雷提供激励信号, 再对鱼雷的输出信号进行测试。这些信号数量多, 大部分具有以下特点: 1) 来自鱼雷的待测信号幅度往往大于+10 V,超出普通工业板卡采集范围; 2) 部分来自鱼雷的待测信号驱动能力很弱; 3) 测试平台提供的信号在进入鱼雷前需要进行隔离。

由于通用工业板卡对输入信号的幅度、频率等方面存在限制, 因此许多来自鱼雷的信号都需要经过调理才能够进入工业板卡进行处理。同时, 为保证鱼雷和测试设备的使用安全, 输入鱼雷的信号一般需要先进行隔离。

目前, 上述信号均通过专用适配器的调理电路进行衰减、隔离, 而在鱼雷产品测试过程中, 具有上述特点的信号数量有数十甚至上百种之多, 这些信号的专用调理电路在研制中存在重复设计、通用性差等问题。因此, 迫切需要采用通用化、模块化的方法来提高调理电路设计效率。

2 通用信号调理模块

根据鱼雷输入和输出信号的特点, 将通用化硬件模块分为信号衰减模块、模拟信号隔离模块和数字量/开关量信号隔离模块3类。下面分别对3种模块进行介绍。

2.1 信号衰减模块

信号衰减模块的主要功能是把来自鱼雷的信号幅度衰减到工业板卡能够接收的范围之内, 而对信号的相位等性质不产生影响。

通常的信号衰减可采用电阻分压的方法, 这种方法的优点在于电路简单、可靠; 缺点是在后级输入阻抗大小不可预知或前级信号驱动能力较弱时, 会出现衰减功能单独调试正常, 但系统联调不正常的情况, 表现为衰减后的信号不满足要求。电阻分压衰减信号的方法存在的另外一个问题是通用性较差, 不同幅度的信号衰减需要使用不同阻值的电阻来进行分压, 易受精度影响, 同时种类繁多的电阻也为采购带来压力。

2.1.1 信号衰减模块框图及功能

基于对数D/A转换器AD7111和运算放大器OP492, 提出一种通用可调节信号衰减模块, 其基本功能框图见图1。

图1 衰减模块功能框图

输入电压信号进入对数D/A转换器, 通过数字/模拟转换(digital audio compress, DAC)网络进行衰减。衰减公式如下

其中,为十进制的衰减码字。

对数转换器AD7111的输出为电流信号, 需通过第1级运算放大器OP492将电流信号转为电压信号输出, 同时由于第1级运放为负反馈运算放大器, 输出信号与输入信号极性相反, 因此需经由增益为–1的第2级反向运算放大器OP492, 得到与输入信号极性一致而幅度已被衰减的输出信号。衰减量控制码字(0～7)由8位拨码器开关进行控制, 用户根据衰减量要求, 将十进制的衰减码字转换成二进制, 将拨码开关置于相应位置。对电路模块上电, 在控制逻辑电路的作用下, 将衰减量控制码字写入AD7111, 电路就会按这一衰减量对输入信号幅度进行衰减。与程控衰减相比, 使用拨码开关控制衰减量更加简单、可靠、便于操作。此外, 通过拨码开关将衰减量配置为0, 则可以将此模块用作信号跟随器使用。

2.1.2 信号衰减模块实测

使用信号源提供正弦波信号, 输入信号衰减模块, 使用示波器采集衰减后的信号, 得到的试验结果如下图。图2~图4是对幅度为+10V的正弦波信号信号进行衰减前后的实测结果, 衰减量分别为6 dB, 12 dB和24 dB, 信号幅值分别衰减为输入信号的0.5倍, 0.25倍和0.0625倍。从图中可以看出, 信号衰减后的波形幅度和相位均符合要求, 达到了预期的目的。

图2 0.5倍信号衰减实测图

图3 0.25倍信号衰减实测图

图4 0.0625倍信号衰减实测图

2.2 模拟信号隔离模块

为保证鱼雷和测试设备的使用安全并避免在测试中引入噪声, 输入鱼雷的信号一般要求进行隔离。对于模拟信号的隔离, 方法主要有隔离变压器隔离、线性放大器隔离和光电隔离等。变压器隔离有很好的线性度, 但是这种隔离方式成本高, 而且不容易做成IC, 限制了它的应用; 线性隔离放大器克服了后一个缺点, 但也存在成本高的问题, 目前鱼雷测试设备一般采用这种方法隔离; 线性光耦成本较低, 且通过合理设计也可以实现高精度的隔离[5]。

这里提出一种基于运算放大器MC33072和高线性度模拟光耦合器HCNR201的模拟信号隔离模块, 基本功能框图见图5。

图5 模拟信号隔离模块框图

线性光耦HCNR201是隔离模块的核心, 它由一个高性能发光二极管 (light emitting diode, LED)和2个相邻匹配的光敏二极管PD1和PD2组成, 这2个光敏二极管有着完全相同的性能参数。LED是隔离信号的输入端, 当有合适电流流过时就会发光, 2个光敏二极管在有光照射时就会产生电流, HCNR201的内部封装结构使得PD1和PD2都能从LED得到近似光照, 且感应出正比于LED发光强度的光电流。光敏二极管PD1起负反馈作用, 用于消除LED的非线性和偏差特性带来的误差, 改善输入与输出电路间的线性和温度特性, 稳定电路性能。光敏二极管PD2是线性光耦的输出端, 接收由LED发出的光线而产生与光强成正比的输出电流, 达到输入及输出电路间电流隔离的作用。

HCNR201的内部封装结构、内部2个光敏二极管的严格比例关系及反馈保证了线性光耦的高稳定度和高线性度, 其非线性度可达到0.01%, 最大值为0.05%, 同时, 该器件有高达1 MHz的带宽, 低至–65×10–6/℃的增益温度系数。这些特征决定了该芯片在模拟信号的隔离中有着广泛的应用。HCNR201的内部结构如图6所示。

由于双极性信号隔离电路中的两片线性光耦是互补关系, 电路中正极性信号隔离电路与负极性信号隔离电路原理相同, 只是信号输入方向和电压极性相反。因此这里只对正极性信号隔离电路进行分析, 如图7所示。

图6 HCNR201内部结构图

图7 模拟信号隔离电路原理分析图

并且

其中,1和2为伺服电流增益和正向增益。由电路可知

则电路电压增益为

从式(4)和式(5)可以看出, 该隔离电路的电压增益只与电阻2和3有关, 而与光耦的电流传输特性无关, 从而实现电压信号隔离。

2.2.1 仿真试验

为了验证模块设计的正确性, 使用Multisim软件进行了功能仿真, 其原理如图8所示。

图8 功能仿真原理图

通过对电路参数的合理配置, 有效地减小了波形的失真, 交越失真基本消失。使用虚拟信号源产生频率100 kHz, 峰峰值10 V的正弦波, 通过虚拟示波器采集得到隔离前后的波形如图9所示, 从图中可以看出, 输入输出的信号波形几乎完全重合, 体现了良好的频率特性, 也证明这一设计思路是可行的。

2.2.2 模拟信号隔离模块实测

对电路进行实测, 得到了不同频率下的试验结果如下图。图10~图13分别显示了电路对10 kHz, 40 kHz, 70 kHz和100 kHz正弦波隔离前后的结果(图中波形走向较完美的是隔离前的信号), 可以看出, 隔离后的波形与隔离前的波形相位几乎完全一致, 而在高频时(70kHz以上), 正半轴的波峰附近出现了一些失真。因此, 该模拟信号隔离模块在输入信号频率不高于50 kHz时表现良好, 完全能够满足带宽20 kHz的设计要求。

图9 仿真波形图

图10 10 kHz正弦波信号隔离实测图

图11 40 kHz正弦波信号隔离实测图

图12 70 kHz正弦波信号隔离实测图

2.3 数字量/开关量信号隔离模块

相对模拟量信号隔离而言, 数字信号的隔离方法较为成熟、简单, 常见的方法是使用光电耦合器或数字隔离器隔离。该模块选择光电耦合器HCPL5231作为核心器件, 供电范围为4.5~20V, 单通道输出电流达到15mA, 带宽可达10MBd, 完全能够满足当前专用测试设备中数字量/开关量信号的隔离要求。由于光电耦合器电路设计较为简单, 此处不加赘述。

图13 100 kHz正弦波信号隔离实测图

3 结束语

模块化设计作为一种新的设计理论和方法, 已作为现代军事装备的特征标志予以强调。随着鱼雷专用测试设备的种类和数量的不断增加, 急需通过模块化设计来降低研制、生产成本, 提高效率和可靠性。本论文的研究成果实现了鱼雷专用检测设备接口硬件模块化和标准化设计, 在鱼雷专用测试设备的研发中有着重要的现实意义和广泛的应用前景。

[1] 朱旖, 杜建军. 国外军用电子自动测试系统发展综述[J]. 电子测量技术, 2008, 31(8): 1-3.Zhu Yi, Du Jian-jun. General Overview of Foreign Mili- tary ATS[J]. Electronic Measurement Technology, 2008, 31(8): 1-3.

[2] 美国国家仪器公司. 自动化测试技术发展趋势展望[J].国外电子测量技术, 2010, 29(6): 425.

[3] 贾延林. 模块化设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 1993.

[4] 李治洋, 郭威, 葛新. 模块化水下机器人控制系统设计[J]. 机械设计与制造, 2012(1): 36-40.Li Zhi-yang, Guo Wei, Ge Xin. Control System Design for ROV Based on Modularization[J]. Machinery Design & Manufacture, 2012(1): 36-40.

[5] 尹永强, 韦盟杰, 余宏伟. 基于高线性光耦HCNR201的交流信号隔离电路的实现[J]. 电测与仪表, 2008(11): 50-54.Yin Yong-qiang, Wei Meng-jie, Yu Hong-wei. The Rea- lization of AC Signal Isolation Circuit Based on the High- linearity Analog Optocoupler HCNR201[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2008(11): 50-54.

(责任编辑: 杨力军)

Design and Implementation of Interface Modularization for Special Testing Equipment of Torpedo

LI Yan

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To improve the efficiency of interface design for special testing equipment of torpedo(STET), a method of interface design based on modularization is proposed. According to the function, the hardware of the interface is divided into three of standard modules, i.e. the signal attenuating module, the analog signal isolating module, and the digital/switch signal isolating module. Signals can be conditioned by combining these modules. Simulation and measurement show that these modules can achieve the function of signal condition well and realize modularization and standardization of the interface for STET.

special testing equipment of torpedo; modularization; interface

2013-12-17;

2014-04-16.

李 彦(1980-), 男, 硕士, 主要从事计算机硬件方面研究与设计.

TJ630.6

A

1673-1948(2014)04-0267-05