吳永明

（海軍902廠，上海 200083）

0 概述

測深儀是艦艇中用于測量、指示和記錄深度的航海設(shè)備，它對于保障艦艇的正常航行起著不可替代的作用[1]。換能器作為測深儀的傳感器，是其最主要的功率部件，起著將電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號，并接受轉(zhuǎn)換來自海底回波信號的作用[2]。由于換能器安裝在船底，其價(jià)格昂貴，位置特殊，又具難拆卸性，難維修性的特點(diǎn)，艦艇進(jìn)塢后若技術(shù)指標(biāo)正常一般不進(jìn)行拆卸更換。污排期間換能器暴露在空氣中，測深儀嚴(yán)禁通電調(diào)試，中修調(diào)試時(shí)沒有換能器的接入測深儀系統(tǒng)就無法構(gòu)成一個(gè)完整的回路，測深儀的各種性能測試及調(diào)試都無法進(jìn)行。目前國內(nèi)測深儀型號眾多，換能器工作頻率，功率等指標(biāo)各不一樣，在工廠為測深儀中修調(diào)試而建造換能器水池成本高，需配備的各種型號換能器也是一筆巨大費(fèi)用，而且水深為固定值，無法進(jìn)行動態(tài)調(diào)試[3]。在艦艇航行或錨泊時(shí)出現(xiàn)測深儀無水深信號情況下，若有換能器模擬裝置幫助則可以判定測深儀主機(jī)性能好壞及進(jìn)行必要的動態(tài)性能調(diào)試[4]。綜上所述，研制測深儀換能器模擬裝置對于測深儀內(nèi)場中修動態(tài)調(diào)試和日常臨搶修保障具有重要的意義。

1 換能器模擬裝置整體方案

1.1 硬件部分

為了方便日常艦上臨時(shí)搶修保障，換能器模擬裝置在結(jié)構(gòu)上要盡可能做到緊湊輕便，便于攜帶，設(shè)計(jì)采用模塊化的便攜式箱式結(jié)構(gòu)，如圖 1所示，其所有單元均裝入箱體中。

設(shè)計(jì)的換能器模擬裝置主要由阻抗匹配箱、信號模擬發(fā)生器、主控制器、回波信號產(chǎn)生器、主操作屏和高精度電源組成，如圖2所示。

阻抗匹配箱和測深儀相連，接收測深儀發(fā)射信號，并模擬實(shí)際換能器負(fù)載，提供與之匹配的功率損耗和電轉(zhuǎn)換動態(tài)曲線。

回波信號產(chǎn)生器產(chǎn)生回波信號，其強(qiáng)度、頻率和間隔時(shí)間通過觸摸屏由操作人員控制。信號模擬發(fā)生器根據(jù)主操作屏命令，產(chǎn)生出模擬測深儀發(fā)射信號，幅度和頻率信號通過觸摸屏傳到單片機(jī)后，幅度大小由數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生模擬信號與由信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號相乘產(chǎn)生幅度和頻率可調(diào)的交流信號作為回波信號回送給測深儀，回波信號的時(shí)間間隔由幅度控制模擬信號0/V控制，從而模擬出海水的深度。

圖1 換能器模擬裝置模塊結(jié)構(gòu)

圖2 換能器模擬裝置組成圖

主控制器檢測測深儀發(fā)射的信號，包括發(fā)射幅度、頻率、脈寬、功率等，并處理和儲存各種信號，發(fā)送到顯示屏上模擬顯示，完成整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。

主操作屏：一要采用觸模屏顯示測深儀發(fā)射信號的各種參數(shù)，包括發(fā)射幅度、頻率、脈寬、功率等；二要設(shè)定回波信號的各種參數(shù)（參數(shù)設(shè)定）：包括預(yù)定水深、回波衰減比、回波幅度、回波頻率、回波脈寬五項(xiàng)內(nèi)容。三要設(shè)定測深儀型號及其代碼，以提供與其相配的阻抗匹配裝置?？刂破饕鶕?jù)操作界面儀提供總體的發(fā)射信號，幅度、頻率等可調(diào)。

電源提供所有部件的高精度工作電源，包括±5 V/1 A、±12 V/3 A、+24 V/0.8 A，紋波小于5 mV。

主操作屏提供型號選擇命令，控制換能器模擬裝置阻抗匹配選擇，提供回波控制命令；主控制器控制回波信號產(chǎn)生器產(chǎn)生回波信號的幅度、頻率和間隔時(shí)間，并提供模擬功能，通過控制信號模擬發(fā)生器發(fā)出測深儀的信號；提供自身功能的檢測和系統(tǒng)的正常運(yùn)行，換能器模擬裝置的功能都在主操作屏上反映出來。

1.2 軟件部分

測深儀換能器模擬裝置系統(tǒng)的軟件編程環(huán)境與輔助軟件如下：

a) 軟件編程環(huán)境

Windows XP操作系統(tǒng)下的 Visual Basic6.0編程。

b) 輔助軟件

PICMATE仿真軟件。

2 換能器模擬裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件部分

（1）主操作屏

采用日本光洋公司 GC-53LC2/LC3 5.7觸摸屏，可提供強(qiáng)大的畫面功能，操作方便。

（2）電源部件,

采用開關(guān)電源和線性電源，提供所有部件的高精度工作電源，包括+/-5 V(紋波小于1 mV)，±12 V(紋波小于 3 mV)， +24 V(紋波小于 5 mV)。

（3）信號模擬發(fā)生器

采用信號發(fā)生芯片MAX038產(chǎn)生0～500 kHZ標(biāo)準(zhǔn)交流信號，交流信號的頻率控制采用電容選擇（1Nf/50nF）和 MAX518調(diào)整 FADJ與 Iin來實(shí)現(xiàn)。波形的失真調(diào)整由精密電阻分壓控制DADJ調(diào)整占空比來實(shí)現(xiàn)，減少失真度。為了只通過交流信號，在輸出端加了隔直電容，MAX038芯片在+/-12 V輸出波形的幅度為峰-峰值 3.4 V左右，產(chǎn)生的波形由 OUT 端口輸出，通過運(yùn)放進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整以及驅(qū)動放大后輸出。MAX518通過IIC總線與MCU相連接。通過MCU可以改變信號發(fā)生器的頻率調(diào)整端FADJ&Iin以及COSC，從而控制信號發(fā)生芯片輸出0～500 kHZ的不同頻率信號。

（4）回波信號產(chǎn)生器

信號發(fā)生器采用美國MAXIM公司MAX518 D/A模塊及MAX038信號發(fā)生器和AD公司的乘法器AD532，由主控制器內(nèi)的W77E58單片機(jī)控制，放大系數(shù)由 MAX518控制運(yùn)放來調(diào)節(jié)[1]。MAX518 D/A模塊產(chǎn)生的0～+5 V的電壓信號，0～500 kHz標(biāo)準(zhǔn)交流信號的頻率由K1、K2、U1共同決定，幅度由U23產(chǎn)生電壓的大小決定。具體流程是：由觸模屏設(shè)定的頻率值送入MCU，控制K1、K2、U1從而決定頻率輸出，觸摸屏設(shè)定的幅度或衰減比送入MCU控制，MAX518產(chǎn)生0～+5 V的電壓信號經(jīng)過OP07運(yùn)放放大后送入乘法器 AD532的 7號端，與信號發(fā)生芯片MAX038產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)交流信號相乘，生成最大峰-峰 10V的交流信號，然后電容耦合輸出，送到OPA547進(jìn)行信號的幅度調(diào)整，最后以回波信號返送給測深儀系統(tǒng)。

（5）主控制器

主控制器采用WINBOND公司的W77E58單片機(jī)[5]，如圖3所示。

由于待采樣信號頻率范圍較寬，而且速度要求較高，最高可達(dá) 500 kHz，因此設(shè)計(jì)采用峰值采樣器將波形的幅度值采出，同時(shí)產(chǎn)生控制信號控制高速A/D（2 MHz）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化結(jié)束的信號作為通知 MCU的信號，同時(shí)為了提高速度也作為自己的讀出輸入信號，避免需要軟件控制降低系統(tǒng)速度。MCU一旦得到此轉(zhuǎn)化結(jié)束信號在最多9個(gè)機(jī)器周期內(nèi)響應(yīng)中斷，將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)裝入片外RAM，同時(shí)脈沖計(jì)數(shù)器加1（作為計(jì)算頻率用）。采樣一個(gè)周期后（＞20 ms）將值送回觸摸屏，然后在觸摸屏上顯示相應(yīng)的模擬波形的幅度、頻率。從而達(dá)到測量的目的。為了提高數(shù)據(jù)采樣速度和連續(xù)度，信號采樣部分采用硬件自動觸發(fā)方式，軟件編寫以數(shù)據(jù)保存為首要任務(wù)。因此系統(tǒng)軟件用中斷方式把數(shù)據(jù)更新保存，定時(shí)器僅使用一個(gè)中斷，同時(shí)開通一個(gè)內(nèi)部計(jì)數(shù)器與脈沖計(jì)數(shù)器一起計(jì)算頻率。其他程序全采用查詢方式如串行通訊。[2]在與上位機(jī)通訊時(shí)也必須以數(shù)據(jù)采樣優(yōu)先，只有當(dāng)數(shù)據(jù)采樣結(jié)束時(shí)才允許通訊（因?yàn)橐话泐l率脈沖寬度在 ms級，基本不影響通訊響應(yīng)）。

（6）阻抗匹配箱

阻抗匹配箱是主功率部件，接收發(fā)射信號，產(chǎn)生與實(shí)際相匹配的功率損耗和響應(yīng)曲線，電阻和電容的大小由換能器的等效電阻與電容決定，采用的阻抗匹配箱具體組成如圖四所示：通過接入不同的電阻、電容來達(dá)到模擬不同型號換能器等效電阻與電容的目的。其組成如圖4所示。

圖3 主控制器

圖4 阻抗匹配箱組成

（7）主控制器與觸摸屏之間的串行通訊電路

主控制器與觸摸屏之間的串行通訊采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，采用一個(gè)9芯插頭與觸摸屏之間的串行通訊接口相連，主控制板與觸摸屏之間的串行通訊協(xié)議采用CCM協(xié)議。

2.2 軟件部分

軟件部分設(shè)計(jì)采用兩部分：觸摸屏操作系統(tǒng)和采集控制系統(tǒng)。軟件的數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示：

圖5 軟件的數(shù)據(jù)流程圖

（1）觸摸屏操作系統(tǒng)

在觸摸屏操作系統(tǒng)環(huán)境下，采用 K-BASIC和PLC通訊等語言。軟件采用模塊化和開放式設(shè)計(jì)思想，面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，便于軟件的維護(hù)和擴(kuò)充。軟件框圖如圖6所示。

（2）采集控制系統(tǒng)

采集控制系統(tǒng)采用 PICMATE仿真環(huán)境，通過匯編語言編制總線通訊程序、波型采集程序、帶寬內(nèi)插算法程序、阻抗匹配程序、回波產(chǎn)生程序等各個(gè)子單元。

在編程中，代碼實(shí)現(xiàn)文件的組織原則如下：一是由于信號采集頻率高，時(shí)間短，因此，高速采集儲存程序模塊為主程序，其他模塊均為分時(shí)進(jìn)行。二是有一些函數(shù)是針對某一類設(shè)備的，針對性比較強(qiáng)，分別被放到不同的文件中。

圖6 軟件框圖

3 換能器模擬裝置應(yīng)用情況

換能器模擬裝置樣機(jī)完成后，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的長期試用、并與 SDH-1A、SC-4、SDH-6、H/HSQ001A等型號測深儀進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，證明換能器模擬裝置的技術(shù)性能指標(biāo)穩(wěn)定可靠，測試精度高，能完成多種測深儀的整機(jī)動態(tài)調(diào)試和參數(shù)整定，測試結(jié)果如表1所示。

表1 測深儀換能器裝置測試表

4 結(jié)束語

測深儀換能器模擬裝置能完成測深儀換能器的電特性模擬，使測深儀構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)，能滿足不同型號不同工作頻率測深儀的內(nèi)場中修調(diào)試，節(jié)省了建造換能器水池和購置換能器所需大量費(fèi)用，并且能應(yīng)用于日常測深儀的臨搶修保障，具有顯著的軍事經(jīng)濟(jì)效益。

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