便携式多普勒计程仪检测设备设计

唐立赫

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄，050081）

0 引言

相控阵多普勒计程仪（DVL）是现代水声定位导航的重要设备，其换能器采用压电陶瓷按一定规律拼接而成的，具备基阵体积小、精度高、一致性强等特点[1]。换能器状态的好坏直接影响多普勒计程仪能否准确定位，因此需要对换能器进行定期检测，采用传统的阻抗分析仪测试存在设备体积大、成本高、环境适应性差等问题，不适用于携带在海洋环境潮湿盐雾环境下长期使用。本文针对多普勒计程仪换能器的测试需求，设计了一种便携式多普勒计程仪阻抗测试装置，用于完成多普勒计程仪换能器日常检测维护。

1 设计原理

当不考虑电损耗时，水声换 能器在静态可以看作成纯电容。而换能器工作中，将产生动态阻抗。是换能器振动过程中与介质相互作用产生的，可等效为电容、电感、电阻串联形式。要是换能器的某一谐振频点附近相对较大范围内不存在其他谐振点，可以将其当作成集总参数系统。动态阻抗等效电路如图1所示。其中 0C是静态电容，1R，1C，1L分别为动态阻 抗中的电阻、电容、电感[2]。

图1 换能器等效电路图

假定水声换能器的总导纳为Y，并联支路和 串联支路的导纳分别为 0Y及 1Y，如果不计换能器的电损耗，则：

其中 0B表示静态电纳，1G和 1B表示动态电导和电纳，w为角频率，且：

令横轴代表电导值，纵轴代表电纳值。当频率改变时，Y1相矢的终点轨迹会是一个圆，如图2中以为直径的圆所示。那么如果将公式（2）中w消去，就得到方程（3），它代表圆心在(1 /2R1,0)，半径为 1/2R1的圆。

图2 导纳圆图

当10B= 时，得到方程的解为10G= 与 1 11/GR= ，由于现实中换能器必有10R≠ ，由式(2)可得10G≠ ，那么，唯独 11/R是满足上述方程(3)的解。由式(2)可以看出，当即时，发生谐振。所以图2中(1 /R1,0)点的频率即是谐振频率ws。

由测量原理可知，换能器的阻抗（或 导纳）和等效电路的测量归结为测定其电端 的等效电阻抗（或导纳），通常采用宽频带阻抗分析仪、阻抗或导纳电桥测量，或直接测量换能器的电压电流复数比，得到换能器的复数阻抗（或导纳）值以及等效电路的特征参数。换能器的等效 电路用并联形式的电导和电纳表示较为方便[3]。同一种换能器等效电路的两种表示方式可以互相转换。

2 硬件设计

2.1 系统设计

本设计是多普勒计程仪设备的配套测试装置，主要目标是完成多普勒计程仪所使用的换能器测试，以验证换能器是否状态正常，避免使用损坏换能器进行试验而导致系统工作不正常所造成的不必要损失。本设计的阻抗测试系统具有：系统自检、对换能器阻抗的测量、电阻测试及标校等功能；人机交互功能，即通过GD32F450与智能终端间的串口通信，实现参数设置、显示相应测试结果；实现测量文件存取功能，方便后续处理及检验。

数字信号处理芯片是系统的核心，其处理能力、外设资源、功耗都是重要的选择条件，综合考虑，本设计选取兆易创新公司的GD32F450作为处理控制核心，该芯片具备丰富的外设接口，满足设备阻抗测试、数据存储、显示控制等需求。阻抗测试芯片选取高精度的阻抗转换器AD5933实现，并添加小阻抗测试电路、自检电路和模拟开关等外围电路。

硬件系统结构框图如图3所示。

图3 系统组成框图

2.2 阻抗测试电路设计

阻抗测试芯片选取美国ADI公司推出的一款高精度的阻抗转换器AD5933，广泛的应用于生物医学测量、材料性能分析、电池/燃料状态监测、复阻抗测量、阻抗频谱分析等领域[4]。AD5933的内部主要包括一款27bit频率发生器（DDS），一个1MSPS、12bit的模拟-数字转换器(ADC)，一个用于数据处理的DSP核。AD5933输出频率高达100kHz，而经实际测量其信号输出频率可达499.99kHz，频率提升后单个周期点数降低，信号波形变差，但仍能进行换能器阻抗测量，图4为AD5933输出200kHz信号波形。

图4 AD5933输出200kHz信号波形

根据本设计需要及AD5933芯片引脚功能，电路连接如图5所示。

图5 AD5933外围电路设计

为了验证系统的稳定性和可靠性，设备初始化完成后首先进行自检。通过GD32F450的GPIO引脚控制模拟开关SN74LV4051切换，将阻抗测试电路的输出接到标准电阻上，测试电阻阻抗并进行门限比较，判定阻抗测试电路状态是否正常。

2.3 触控终端设计

为实现初始化及自检信息显示、阻抗测试档位的选取控制、阻抗测试结果的显示，本设计需要采用7英寸电容触摸屏模块，利用GD32F450片上TFT-LCD处理器及IPA图形加速器实现触摸屏驱动与显示增强，并将所需字库及BMP图片存储在SD卡中，设备上电后将显示素材加载到SDRAM中以满足刷新速率要求。

2.4 测试流程设计

阻抗测试仪的软件设计主要是完成GD32F450的软件编程，来实现系统自检、显示控制、AD5933小阻抗测试、FATFS文件系统数据存储以及串口通信等功能[5]。系统的总体流程如图6所示。

图6 软件流程图

软件执行主要流程有：

（1）系统上电后加载程序，完成硬件资源及各个参数变量初始化，使外设进入待机状态。

（2）初始化完成后，系统首先驱动继电器将测试电路切换到已知电阻两端，对已知标准阻抗进行测量，并进行门限判决，将自检结果显示于自检界面上。阻抗值在门限之内，显示“自检正常”，用定时器延时显示2s，反之则显示“自检失败”并停留在自检界面。自检完毕将继电器弹开。

（3）如果自检成功，进入测试界面。串口进入轮询状态，此时用户可以选取所需的测试档位及测试参数，然后点击“开始测量”进行测试，“开始测量”键反色。

（4）系统使能模拟开关，进行八通道换能器测试。

（5）对测试得到的阻抗实部 和虚部值进行计算及校准。将测得的谐振频率及阻抗值与参考门限进行对比判决，并把每路测试结果显示在显控终端对应位置之上。测量完成后将该路的阻抗值、温度等写入.dat文件之中，系统下电后可以通过USB拷出，进行备份及后续处理。八通道测试完成后， 关闭模拟开关。“开始测量”按键恢复未被选中状态，以示阻抗测试结束。

（6）选取“电阻”档进行校准时，测试流程与换能器测试类似，不同之处在于无需控制模拟开关且不进行数据存储。测试完成后，结果显示在“电阻”档后边的矩形框内。

3 测试结果与分析

3.1 电阻测量

为验证设备测试的可靠性，设备提供了电阻测试接口，通过切换参考电阻值，可以用于测量50Ω到10kΩ之间的电阻阻值。表1中给出了一些电阻测试数据，电阻标准阻值采用标准数字电桥测得，测量值为设备测试得到。

表1 部分电阻测试数据

通过计算可以发现测量值与万用表测得的数值有3%以内的偏差，完全满足对设备进行检验的需求。为了使测得的数据更加准确，对数据进行了拟合处理。

将测量值代入上述公式得到电阻修正值及误差如表1所示，可以看出修正后误差进一步减小到0.4%以下，可以准确测量电阻值。由于电阻值较大时绝对误差也比较大，为了不影响小阻值测量，对阻值数据进行了分段拟合，提高了测试精度。

3.2 换能器测试

为验证设备能力，对120kHz、150kHz、300kHz等多型DVL换能器进行测试，这里以某型120kHz换能器为例。测试条件：AD5933起始频率90kHz，频率增量为200Hz，点数256，即扫频范围为90kHz-141kHz。由测得的实部值和虚部值计算出换能器每个频点的阻抗和相角θ，与标准阻抗分析仪Agilent4294A测得数据进行对比，得到如图7、图8。

图8 120k DVL换能器阻抗相位对比

从图7、图8可以看出通过电阻挡测得的换能器阻抗和相角与标准阻抗分析仪测得的曲线非常接近，Agilent4294A测得谐振频率为114.7kHz、谐振点阻抗69.88Ω，AD5933测得谐振频率为114.4kHz、谐振点阻抗67.81Ω，误差较小，满足现场检测使用需求。

图7 120k DVL换能器阻抗模值对比

3.3 一致性验证及门限设置

将120kHz换能器的八通道测试结果进行对比结果，如图9、图10所示。

图9 120k DVL换能器8通道阻抗模值对比

图10 120k DVL换能器8通道相位模值对比

从图9、图10可以看出120kHz换能器8通道间一致性良好。可以测出谐振点阻抗及谐振频率，并可根据需求换算换能器G、B、R、X、C等参数。可将换能器测量参数进行保存及读取，并可设置判决门限判定换能器各通道状态，将测试结果显示在LCD屏幕上。

4 结语

本文依据多普勒计程仪换能器阻抗特性和专用芯片测试原理，设计了一款便携式可应用于多普勒计程仪系统换能器检测的阻抗测试装置，与传统的阻抗分析仪相比具有集成度高、成本低、操作简单和便于携带等优势，可应用于多普勒计程仪日常测试与维护。