某型声纳预处理机PCB测试仪的研制*

李清平 杨合圣 王茂林

(92823部队 三亚 572021)

某型声纳预处理机PCB测试仪的研制*

李清平 杨合圣 王茂林

(92823部队 三亚 572021)

在海军电子装备维修工作中,PCB的测试与维修已成为其重要内容。论文针对某型声纳的现状,给出了以单片机为控制核心的某型声纳预处理机PCB测试仪的总体设计方案,介绍了测试仪的功能要求,设计思路、主要硬件及软件结构。

PCB; 测试技术; 测试仪

Class Number TP391

1 引言

某型声纳是我军现代国产潜艇标准配制的主战声纳,其功能是在观察扇面内对噪声目标、声纳脉冲目标进行搜索和被动测向;在观察扇面内对噪声目标、声纳脉冲目标进行被动测距[1]。由于该声纳能在隐蔽状态下测量目标的航向、距离等重要参数,因此其战术地位十分重要。随着服役年限的增加,其故障率呈上升趋势。通过长期对该型声纳的维修保障,我们发现该型声纳的故障主要集中在预处理部分,而预处理机故障的90%是由PCB引起的。该声纳预处理机PCB数量较多,而配备的备用PCB很少,由于一块PCB不能及时修复而引起整台声纳丧失战术性能的情况时有发生。因此,解决该型声纳预处理机PCB的测试和维修问题显得极为重要。

目前,修理厂(所)检测该声纳PCB的方法如下: 1) 利用样机修理。即将有故障的PCB插入样机的相应位置,借助样机提供的工作环境进行测试和维修。 2) 利用电子仪器修理。即将电源和信号源通过人工方法接入PCB,再利用测试仪器对PCB进行检测。这两种方法均存在一定缺陷:第一种方法需要有样机,而配备一台样机需几百万元,价格昂贵,而且由于机器的工作方式所提供的工作环境对许多PCB来说不便于检测。第二种方法工作量大、连线极为繁琐,使维修效率低下,对维修人员要求很高,维修人员要掌握PCB结构原理,而且还须熟知技术指标。由于声纳PCB种类繁多,要做到这一点是有一定困难的[2]。

本课题从实用和经济角度出发,综合考虑了国内外PCB测试技术的优缺点,研制出某型声纳预处理机测试仪。本测试仪可实现对某型声纳预处理机PCB的自动测试及辅助诊断,极大提高了PCB的维修效率。

2 系统功能要求及设计思路

2.1 功能要求

1) 自动给被测PCB提供最佳测试环境。系统根据被测PCB的电路特点,提供合适的激励信号,并自动将激励信号加至PCB信号输入端,使PCB处于一种最适合测试的工作状态;

2) 自动将PCB响应信号采集到单片机中,利用计算机本身的软、硬件资源和较为成熟的测量技术,完成对采集信号的技术参数(频率、电压峰—峰值)的测量和显示,并与存储在计算机中的其标准值进行比较,对被测PCB的技术状况进行评估;

3) 为了方便示波器检测,自动将各PCB输出信号转接至面板上的测试孔。

4) 能对测试仪本身进行故障自检。

2.2 设计思路

根据功能要求,我们给出了本测试仪样机的总体设计思路:

1) 直流电源采用开关电源,以减小测试仪的体积和重量;

2) 采用单片机系统来完成测试仪的数字信号产生、信号采集、信号处理及参数显示等工作,以提高系统可靠性;

3) 由于各型预处理PCB所需信号种类较多,为便于控制,信号源采用以8038芯片为核心构成的程控信号源;

4) 考虑到“波束转换器”板输入信号较多,如它与其它电路板共用一个接口,势必会使转接网络电路过于复杂,因此本测试仪为“波束转换器”板单独安排了一个接口,其它电路板共用一个测试接口。

3 功能实现

3.1 总体方案

本测试仪由以下模块组成: 1) 程控信号发生器; 2) 转接网络电路; 3) 主控单片机系统; 4) 显示模块; 5) 电源模块。其结构框图如图1所示。

信号源采用程控信号发生器,由于不同被测PCB所需信号的频率、幅度不同,所以在PCB选择开关控制下,产生与相应被测PCB所需频段和幅度的信号,在频段的范围内频率可以通过频率调节旋钮连续地调节,各种输入信号通过转换网络加到测试仪的接口,转换网络的转换同样要受PCB选择开关控制,确保和被测PCB同步。数字信号由CPU控制电路产生,经过锁存后送到接口,测试仪接口的状态根据PCB选择开关的位置而自动转换,使之符合被测PCB工作所需的条件,让被测电路板处于实时运行状态。

图1 测试仪总体框图

对输出模拟信号电压的检测采用传统的电压波形检测技术。输出信号通过转换网络、AC/DC转换电路、波形整形电路及A/D转换电路(处理),最后输入到CPU控制电路,由CPU控制电路调用相应的处理程序,经分析判别以及计算后送到显示电路,由显示单片机在LED上显示被测数据,根据显示数据,就可以判断PCB工作是否正常。

3.2 硬件设计

测试仪硬件部分主要包括以下几部分:信号源、转换网络、CPU控制电路、显示电路、AC/DC转换电路、波形整形电路、译码电路、锁存电路、驱动电路、电源部件等,其总体构框图成如图2所示。

图2 测试仪硬件结构

1) 信号源部分:为预处理各型PCB提供所需的不同频段和幅度的信号源。本系统选用ICL8038芯片,它可以产生正弦波、方波和三角波。只要调整控制电压,就可以改变信号的频率。幅度调节电路由模拟开关4051和运放LF347构成,可以自动把信号幅度调节到被测PCB所需的范围。

2) 转换网络部分:由模拟开关CD4051和继电器构成,共同完成对输入输出信号的转接。当面板上PCB选择开关置于不同工作位置时,转换网络就自动把接口切换到对应PCB板所需的工作环境。

3) CPU控制电路是由集成电路AT89S51为核心构成的单片机系统[3]。作用是:产生测试所需的数字信号;对被测PCB数字响应信号(经整形电路)及模拟输出信号(经A/D变换电路)进行相关处理与判断,并送入显示单片机电路进行显示。

4) AC/DC转换电路:由集成运放LF347构成,作用是把交流电压转换为直流电压。

5) A/D转换电路:采用ADC0809芯片[4],作用是将模拟信号转换成CPU控制电路所需要的数字信号。

6) 整形电路:对送入到CPU控制电路的被测PCB输入输出信号进行整形。

7) 译码电路:采用3-8译码器对转换网络进行控制。

8) 锁存电路:用于对CPU产生的数据进行锁存,并把锁存的数据送到接口。

9) 驱动电路:由于CPU扩展总线的负载能力有限,这时必须在总线上加驱动器,才能可靠工作。

10) 电源:为各电路提供所需要的直流电源。

3.3 软件设计

本测试仪的软件设计包括两部分,一部分为控制单片机软件,另一部分为显示单片机软件。软件采用模块化程序设计思想,用汇编语言编写完成,不仅节省了内存,而且调用极其方便。主要完成对被测PCB输出数据的处理、CPU控制电路和显示电路间数据的交换、被测PCB输出信号参数及状态的显示和测试仪的自检等功能。

本测试仪的软件模块包括主程序、电压测量程序、频率测量程序、脉宽测量程序、通信程序、波束控制器检测程序等六大部分。

4 结语

某声纳预处理测试仪经过一年多时间的研制,完全实现了预定功能,为该型声纳预处理机PCB提供了一个高效的维修调试平台。利用该测试仪可以对预处理机PCB快速测试,与示波器配合使用还可以快速准确地查找出故障点,进行器件级维修,迅速恢复PCB的技术性能。从而缩短了装备维修周期,提高了部队应急反应能力,具有较高的军事和经济价值。

[1] Qihu Li. Digital Sonar Design in Underwater Acoustics: Principles and Applications[M]. New York: Springer-Verlag press,2012:47.

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[3] 孙育才,王荣兴,孙华芳.ATMEL新型AT89S52系列单片机及其应用[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4] 张端.数字电路与逻辑设计[M].北京:高等教育出版社,2003.

[5] 张义和.Protel Schematic 98操作应用手册[M].北京:人民邮电出版社,2004.

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[10] Pillay A, Wang J. Modified Failure Mode and Effects Analysis Using Approximate Reasoning[J]. Reliability Engineering And System Safety,2006(79):69-85.

Development of PCB Testor for some Type of Sonar Pretreatment Epuipments

LI Qingping YANG Hesheng WANG Maolin

(No. 92823 Troops of PLA, Sanya 572021)

Test and maintaining of PCB have been very important in maintaining work of navy electronic equipments. According to the status of some type of sonar equipments, the whole design scheme of PCB testor for some type of sonar pretreatment equipments whose control center is a single chip is put forward, and its function requirements, designing way, central hardware and software framework are presented.

PCB, test technology, testor

2014年6月3日,

2014年7月27日

李清平,男,高级工程师,研究方向:声纳装备保障。杨合圣,男,工程师,研究方向:声纳装备保障。王茂林,男,硕士,工程师,研究方向:声纳装备保障。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.050