鱼雷通用检测设备总体设计

王敬堂, 张 宇, 廉晓园, 李 彦, 谢 华



鱼雷通用检测设备总体设计

王敬堂, 张 宇, 廉晓园, 李 彦, 谢 华

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

为了提高鱼雷检测设备标准化、模块化、通用化水平, 采用“通用硬件平台＋专用适配器”的模式对鱼雷通用检测设备进行了总体设计。通用硬件平台基于PXI总线和LXI总线, 采用通用测试接口与不同的专用适配器进行连接, 可以在一套检测设备中轻松实现多型鱼雷武器或特定型号鱼雷多个组件的功能测试和故障排查。产品应用结果表明, 鱼雷通用检测设备硬件具有通用性, 软件具有可移植性和互操作性, 较之传统检测设备更方便对后续鱼雷型号的保障功能进行开发和扩充, 具有极强的可扩展性, 该设备的研制和设计为海军武器保障装备的研制和应用提供了参考。

鱼雷检测设备; 模块化; 可扩展性

0 引言

为了应对世界军事威胁及我国近海局势日趋复杂恶化的态势, 我国海军对鱼雷武器系统的作战范围及深度、探测识别与对抗、协同作战、快速精确制导、高效毁伤等方面的要求日益提高, 新技术、新材料的使用也使得鱼雷武器系统的组成结构日趋复杂, 朝着精密化、数字化、智能化和信息化的方向发展, 对鱼雷检测设备的可靠性、可维修性、通用性以及可扩展性等方面的要求越来越高。同时, 鱼雷检测设备因参与整个鱼雷武器系统研制、生产和装备的全寿命环节, 成为鱼雷武器系统研制和装备过程中不可缺少的关键部分[1-3]。

传统的鱼雷保障设备大多采用各种专用的检测设备, 这些检测设备规格种类及数量众多、技术架构不统一, 可靠性稳定性偏低、测试诊断水平低下、软硬件核心测试资源的通用化、模块化程度较低[4-5]。

针对这些问题, 采用“鱼雷通用硬件平台+专用适配器”的设计模式, 利用鱼雷通用硬件平台提供核心硬件测试资源, 然后根据检测对象的测试需求, 分别设计不同的接口转换适配器和检测电缆, 根据测试流程编写风格统一的测试软件, 控制鱼雷通用硬件平台为被测对象提供必要的电源和相应的激励信号, 完成被测对象的测试和性能判断, 可以满足多种鱼雷型号、多种鱼雷电子组件的测试需求[6-7]。

1 鱼雷通用硬件平台设计

鱼雷通用硬件平台的体系构架包括测试总线、测试资源、电气接口和结构设计等内容。

1.1 测试总线

随着虚拟仪器技术、标准化总线和卡式仪器的发展, 基于VXI(VME bus extensions for instrumentation), PCI(peripheral component interconnect), PXI(PCI extensions for instrumentation),总线的检测平台已成为主流, 这些平台功能强大, 可移植性、兼容性好, 测试精度、标准化程度高、对外接口简单。其中PXI 总线仪器体积小、质量轻、速度快, 并且具有先进的数字接口与仪器接口功能和良好的电磁兼容性能(electro magnetic compatibility, EMC), 吸收了VXI 总线和PCI 总线技术的诸多优点, 并保持了与CompactPCI 的互操作性。PXI 总线模块仪器易于集成为不同系统的自动测试系统, 可方便地扩展测试系统的新功能, 具有良好的交互操作性, 是一种性能价格比较高的自动测试系统, 是鱼雷通用硬件平台的首选方案[8]。

LXI(LAN extension for instrumentation)标准是局域网设备仪器的标准, 它可以减少组装、配置和调试测试系统的时间。LXI 是一个基于以太网技术, 开放的、可访问的, 由中小型总线模块组成的新型仪器平台。其严格基于IEEE802. 3、IVI-C/IVI-COM驱动程序、网络浏览器、TCP /IP(transmission control protocol/internet protocol)、时钟同步协议(IEEE1588)、网络总线和标准模块尺寸[9]。

LXI 标准把局域网(local area network, LAN) 引入到测试系统, 为测试工程师提供了更广泛的灵活性。特别是2004年LXI联盟成立, 及其制定的LXI标准规范, 10年来各种支持LXI标准的电源、数字表和示波器等标准仪器的发展, 使以LXI总线为调度的电源组合测控小系统成为了成本低廉、控制精确的最优选择[10]。

可以预见, 未来在模块化仪器领域, PXI将处于主导地位, 而LXI更加适合分布式应用, 与PXI仪器互为补充。

在鱼雷通用硬件平台的搭建中, 一种测试总线无法很好地满足所有的测试需求, 为了有效利用已有资源组件测试系统, 便于进行产品测试, 同时节约成本, 采用混合总线形式。以PXI总线为主, 辅以LXI总线, 常规测量激励资源基于PXI总线实现, LXI总线实现不同PXI机箱、扩展部分以及基于LXI总线的测试资源(如程控电源)之间的互联[11]。

1.2 测试资源

鱼雷通用硬件平台测试资源主要包括供电单元、测控仪器单元、开关驱动单元、测控计算机、机柜以及监控单元等。其中, 供电单元提供测试所需的各种电源, 一般采用LXI模块化程控电源; 测控仪器单元是测试资源的核心, 提供激励信号的产生和检测数据的采集处理; 开关驱动单元提供信号、电源等的切换控制; 测控仪器单元和开关驱动单元主要采用PXI模块化仪器; 测控计算机一般采用PXI零槽控制器, 安装操作系统、驱动程序和测试软件等, 提供对测控仪器单元、开关驱动单元和供电单元的控制, 其上可运行测试软件以对被测对象进行测试; 机柜一般选用标准减振机柜, 作为仪器资源的承载结构; 监控单元可以对平台机柜内的温度、湿度、供电、累计工作时间等状态进行监测和记录。

满足技术规格及质量等级的国内外厂商的产品均可选用, 但硬件资源的选用遵循以下原则:

1) 为了确保测试资源的互换性, 优先选用满足IVI规范, 带IVI驱动的PXI和LXI模块化仪器产品;

2) 零部件应按照军用级、工业级的顺序优先选用, PXI机箱、零槽控制器、显示器等优先选用经过环境试验考核、工作性能稳定的产品;

3) 为了提高平台的保障性, 在满足技术要求和工作环境要求的前提下, 优先选用性能和供货稳定的国产产品和部件。

1.3 电气接口

鱼雷通用检测设备对不同型号测试的适用性通过更换专用接口适配器、产品连接电缆和运行相应的测试软件的方式实现, 这要求硬件平台的通用测试电气接口是唯一确定的, 由于激励信号、测试信号、电源和开关的进出都要经过通用测试接口, 因此通用测试接口的连接器插针数量是海量的, 一般达到上千个。为了便于适配器的快速更换, 一般需要采用精密导向盲插机构。鱼雷通用硬件平台的公共测试接口采用美国VPC公司的VPC9025或其兼容产品。

通用测试接口连接组成如图1所示, 主要由垂直铰接安装机架(安装在机柜或者其他测试设备上)、接收器、电缆组件、接口适配器(interchangeable test adapter, ITA)框架、接口适配器模块、ITA插线、ITA外壳等组成。测控仪器单元通过转接电缆与固定在机柜后部的VPC适配接收器(Receiver, 即通用适配接收器)连接。图2为固定在机柜上的VPC 25模接收器。通用测试接口的模块定义按信号种类进行划分, 尽量将强弱电分开以减少干扰。

2 专用适配器设计

专用适配器采用统一框架结构设计, 由机箱、通用测试接口ITA模块、航空插头、信号调理电路板、检测孔和导线等组成。

专用适配器通过ITA模块与测试平台连接, 通过航空插头与鱼雷产品连接, 实现电源及信号的转接。对于不同型号的产品可以通过更换专用适配器的方法进行测试。信号调理电路板对超出测控仪器测量范围的模拟量信号和开关量信号进行调理。检测孔可以将适配器内部的重要信号引出, 供调试校准等使用。

专用适配器工作原理如图3所示。对单芯流向的电源或信号, 检测设备输出的电源或信号从ITA端经导线直接连接到航空插头; 输入到检测设备的电源或信号从航空插头经导线直接连接到ITA端。需多路分接的电源或信号采用接线端子实现一路到多路的分接。对于需要调理的信号经导线传输到调理板, 经过调理板电路调理后, 再通过导线传输到ITA端或航空插头。将需要引出的电源、重要信号通过接线端子分接并经导线连接到前板上的检测孔。

其中, 信号调理电路采用模块化的接口硬件设计方法, 将鱼雷检测信号按照功能分解为信号衰减模块、模拟信号隔离模块、数字量/开关量隔离模块等3种标准模块, 并通过对上述模块的组合, 完成信号调理, 实现硬件模块化和标准化设计[12]。

3 检测软件设计

3.1 软件开发环境

鱼雷通用检测设备采用Windows 7操作系统, 采用NI公司LabWindows/CVI作为软件开发工具, CVI是以 ANSIC 为核心的交互式 C 语言开发平台, 它将功能强大、使用灵活的 C 语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来。利用集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强C语言的功能, 为C语言的开发设计人员编写检测系统、自动测试环境、数据采集系统以及过程监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开发环境[13]。

3.2 软件结构设计

针对不同型号的鱼雷, 在测试资源需求、测试流程和测试结果上不尽相同, 但是测试软件的结构是相同的, 软件结构框图如图4所示。

其中自检模块的主要功能是判断系统各硬件模块初始化是否正常, 每次进行检测之前必须进行自检, 已保证系统硬件模块运行正常, 然后才能进行检测。

校准模块可以对测试资源进行独立控制, 借助外部通用仪器和设备对通用检测设备对外接口的输入输出信号进行校准。

检测模块提供鱼雷工作所需的各种电源, 产生各种信号作为测试的激励, 信号采集模块按照不同的测试要求, 利用不同的测试通道实现电压、电流、频率、时间和电阻等的测量。

结果判定模块根据检测判据, 完成测量数据的比较和判断, 给出检测结果。数据存储模块完成检测数据的存储。

数据处理模块由数据库接口和数据库管理软件组成, 将检测结果数据以数据库的格式保持和管理。

帮助模块主要帮助操作人员熟悉设备的操作流程和操作方法。

3.3 软件流程设计

进入设备主界面后, 首先完成系统自检, 选择不同的测试对象, 进行适配器和电缆的识别, 然后按照预先设定的测试流程进行测试, 测试完成后对测试数据进行保存和打印。软件流程如图5所示。

4 鱼雷通用检测设备设计

鱼雷通用检测设备原理框图如图6所示, 鱼雷通用检测设备主要由通用硬件平台、专用适配器、电缆和检测软件等组成。通用硬件平台由测控计算机、测控仪器单元、供电单元、开关驱动单元、通用测试接口、机柜及平台环境监测等部分组成。专用适配器通过通用测试接口挂接到通用硬件平台上。基于鱼雷被测单元的测试需求生成测试策略, 在开发环境下生成测试程序, 在通用硬件平台上运行, 通用硬件平台通过专用适配器及电缆和鱼雷被测产品连接完成测试。

设计完成的鱼雷通用检测设备, 具有以下功能:

1) 程控供电功能: 提供鱼雷测试所需要的电源, 电压和电流可调, 电源正负端及是否接地可控, 可实时显示电压、电流及供电状态;

2) 电信号模拟功能: 可提供鱼雷测试所需要的各种电信号, 包括直流电平信号、交流信号、脉冲信号、开关状态信号等;

3) 电信号检测功能: 可检测鱼雷产品输出的直流电平信号、交流信号、脉冲信号和开关状态信号, 可测量导通电阻及连通性检测;

4) 通信功能: 通过通信接口与被测产品进行通信, 发送指令、接收数据;

5) 信号隔离与调理功能: 可根据需要实现产品地之间、以及设备地与产品地之间的隔离, 测试信号的隔离, 和信号幅度、阻抗的调理匹配;

6) 主控功能: 控制测试资源、测试流程和进度, 实现产品的自动化测试;

7) 设备维护功能: 具备完善的自检和校准功能, 提供自身故障件定位和计量标准传递;

8) 测试数据存储及传输功能: 提供满足要求的数据交换文件格式和传输接口。

5 结束语

目前, 该检测设备已研制成功并交付使用, 可在一套检测设备中轻松实现多种型号鱼雷或特定型号鱼雷多个组件的功能测试和故障排查。并以其高精度、高可靠性、强大的功能和扩展能力及广泛的应用前景得到用户的好评。

鱼雷通用检测设备采用开放式测试体系结构, 使设备的硬件平台满足标准化、模块化、通用化要求, 方便对后续鱼雷型号的保障功能进行开发和扩充, 具有极强的可扩展性。使用鱼雷通用检测设备, 将有效缩减电子类保障设备的种类、规格和数量, 不但大幅度提高了鱼雷检测设备的可靠性、无故障工作时间等指标, 而且模块化的组成结构大大降低了系统的维护和维修时间。

[1] 李行善, 左毅, 孙杰. 自动测试系统集成技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2004.

[2] 尹韶平, 杨芸. 鱼雷总体技术的发展与展望[J]. 鱼雷技术, 2005, 13(3): 1-5.Yin Shao-ping, Yang Yun. A Summary of Development in Torpedo Overall Design Technologies[J]. Torpedo Technology, 2005, 13(3): 1-5.

[3] 历明坤, 曹小娟, 王中, 等. 基于模块化的鱼雷总体设计技术[J]. 鱼雷技术, 2016, 24(4): 241-247. Li Ming-kun, Cao Xiao-juan ,Wang Zhong, et al. Torpedo Overall Design Technologies Based on Modularization[J]. Torpedo Technology, 2016, 24(4): 241-247.

[4] 陈遵银, 王超勇, 李林. 航空反潜鱼雷综合检测系统设计[J]. 仪表技术, 2017(3): 8-11.Chen Zun-yin, Wang Chao-yong, Li Lin. Design of the Comprehensive Test System for the Aviation Antisubmarine Torpedo[J]. Instrumentation Technology, 2017(3): 8-11.

[5] 姜广顺, 伏新卯, 崔军峰, 等. 基于PXI 的某雷达显控系统综合检测设备[J]. 四川兵工学报, 2013, 34(8): 123-126.Jiang Guang-shun, Fu Xin-mao, Cui Jun-feng, et al. The Design of Display and Control System Integrated Detection Equipment Based on PXI Architecture[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2013, 34(8): 123-126.

[6] 齐永龙, 宋斌. 基于PXI的军用检测设备平台的设计[J]. 国外电子测量技术, 2015, 34(1): 76-79.Qi Yong-long, Song Bin. Designed of a Military Testing Platform Based on PXI[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2015, 34(1): 76-79.

[7] 陈刚, 丁永忠. PXI测控系统在鱼雷保障装备中的应用[J]. 鱼雷技术, 2007, 15(1): 48-50.Chen Gang, Ding Yong-zhong. Application of PXI Measurement and Control System to Torpedo Support Equipment[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(1): 48-50.

[8] 姜玉海. 基于PXI总线技术的导弹通用检测平台设计[J]. 现代电子技术, 2007(1): 109-111.Jiang Yu-hai. Design of Common-purpose Test System for Missile Equipments Based on PXI Bus Technology[J]. Modern Electronics Technique, 2007(1): 109-111.

[9] 赵虎德, 闵昆龙, 孙强, 等. 基于LXI总线的某弹用自 动测试系统设计[J]. 计算机测量与控制, 2017, 25(3): 112-114.Zhao Hu-de, Min Kun-long, Sun Qiang, et al. Research of a Missile Automatic Test System Based on LXI Bus[J]. Computer Measurement & Cotrol, 2017, 25(3): 112-114.

[10] 范宇. 空空导弹测试系统应用LXI总线研究[J]. 计算机测量与控制, 2015, 23(6): 1856-1858.

Fan Yu. Application of LXI Bus in Air-to-air Missile Test System Research[J]. Computer Measurement & Cotrol, 2015, 23(6): 1856-1858.

[11] 王怡先, 马秋, 王云鹏. 基于多总线融合导弹自动测试系统设计[J]. 测控技术, 2015, 34(5): 34-37.Wang Yi-xian, Ma Qiu, Wang Yun-peng. Design of a Missile Automatic Test System Based on Multiple Bus Fusion[J]. Measurement & Control Technology, 2015, 34(5): 34-37.

[12] 李彦. 鱼雷专用检测设备接口模块化设计与实现[J]. 鱼雷技术, 2014, 22(4): 267-271.

Li Yan. Design and Implementation of Interface Modularization for Special Testing Equipment of Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2014, 22(4): 267-271.

[13] 张杨, 肖世德. LabWindows/CVI 平台下虚拟信号分析仪的设计[J]. 自动化仪表, 2016, 37(2): 89-94.

Zhang Yang, Xiao Shi-de. Design of the Virtual Signal Analyzer on LabWindows/CVI Platform[J]. Automation & Instrumentation, 2016, 37(2): 89-94.

(责任编辑: 许 妍)

Overall Design of Common Torpedo Testing Devices

WANG Jing-tang, ZHANG Yu, LIAN Xiao-yuan, LI Yan, XIE Hua

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

To improve the standardization, modularization and generalization of torpedo testing devices, the “common hardware platform plus special adapter” is applied to the overall design of the common torpedo testing devices. The common hardware platform is based on PXI bus and LXI bus. It uses common test interface to connect with different special adapters, so it can easily realize functional testing and trouble shooting of multiple components of a torpedo or a specific type torpedo through a set of testing devices. Application shows that the hardware of the common torpedo testing devices is universal, and its software has portability and interoperability. Compared with the existing torpedo testing devices, this common torpedo testing device can better facilitate the guarantee function development and expansion of new type torpedo, and it has high extensibility.

torpedo testing device; modularization; extensibility

TJ630.6; TP274

A

2096-3920(2018)04-0352-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.04.013

王敬堂, 张宇, 廉晓园, 等. 鱼雷通用检测设备总体设计[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(4): 352-357.

2018-01-12;

2018-04-08.

王敬堂(1978-), 男, 高级工程师, 主要从事计算机测试设备方面研究.