田 立

（昆明船舶設(shè)備試驗(yàn)研究中心，昆明65000）

水下航行體船載發(fā)控裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田 立

（昆明船舶設(shè)備試驗(yàn)研究中心，昆明65000）

介紹了基于GPS技術(shù)的某型水下航行體船載發(fā)控裝置的硬件構(gòu)成及軟件設(shè)計(jì)方法，解決了傳統(tǒng)方式下使用船載電羅經(jīng)預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)、信號(hào)抗干擾能力差等問(wèn)題，同時(shí)為了提高發(fā)控裝置的測(cè)試性能、可靠性，提出適用于水下航行體船載發(fā)控裝置的PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

水下航行體；單板計(jì)算機(jī)；全球定位系統(tǒng)；多線程；故障檢測(cè)與健康管理

1 引 言

當(dāng)前船載發(fā)控裝置大多利用船載電子羅經(jīng)進(jìn)行定位定向，而某型水下航行體的發(fā)射工位距離操作室遠(yuǎn)，如果直接使用，易造成現(xiàn)場(chǎng)連線零亂，信號(hào)線易受干擾，電羅經(jīng)開(kāi)機(jī)預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)等弊端。本文通過(guò)集成一塊具備定位定向功能的GPS板卡，有效解決了這一問(wèn)題。故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術(shù)的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的故障診斷和預(yù)測(cè)精度。

PHM技術(shù)是一種智能健康管理技術(shù)，它集可靠性估計(jì)技術(shù)與故障預(yù)測(cè)技術(shù)于一身，為復(fù)雜系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的在線可靠性評(píng)估與故障預(yù)測(cè)提供了一種新的技術(shù)手段［1－2］。

2 功能及原理

在合理繼承成熟經(jīng)驗(yàn)和滿足水面艦艇環(huán)境要求的基礎(chǔ)上，研究實(shí)現(xiàn)了一種基于GPS技術(shù)、具備PHM功能的發(fā)控裝置。某型水下航行體發(fā)控裝置安裝于艦船船尾，GPS雙天線平行于水下航行體導(dǎo)軌安裝，用于對(duì)某型航行體的光纖陀螺提供發(fā)射時(shí)刻的經(jīng)緯度、航向、北京時(shí)間等信息。發(fā)控裝置主要完成對(duì)某型水下航行體的上電、自檢、參數(shù)裝訂、發(fā)射等操作。

發(fā)控裝置主要由：機(jī)箱、單板計(jì)算機(jī)、電源模塊、上電控制模塊、通訊模塊、GPS模塊、顯示屏、交流濾波器、鍵鼠和底板等九部分組成，如圖1所示。各功能模塊通過(guò)鎖死結(jié)構(gòu)緊密的安裝在底板上，增強(qiáng)了發(fā)控裝置的抗震性。各模塊功能如下。

（1）電源模塊為單板計(jì)算機(jī)、控制通訊模塊、GPS模塊提供供電管理；

（2）控制通訊模塊通過(guò)單板計(jì)算機(jī)控制水下航行體的上電及通訊；

（3）GPS模塊以115200bit／s的速率、50Hz的頻率將接收到的經(jīng)緯度、航向、時(shí)間等信息通過(guò)串口發(fā)送至單板計(jì)算機(jī)，單板計(jì)算機(jī)將這些信息數(shù)據(jù)處理后實(shí)時(shí)下發(fā)給水下航向體。

發(fā)控裝置的工作原理是單板計(jì)算機(jī)發(fā)送上電指令給控制通訊模塊，控制通訊模塊輸出高電平控制航行體的上電，上電正常后，發(fā)送各種控制指令、控制導(dǎo)航參數(shù)、聲學(xué)參數(shù)及經(jīng)GPS模塊接收的信息到某型水下航行體，同時(shí)接收來(lái)自水下航行體回復(fù)的狀態(tài)信息。

圖1 發(fā)控裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制通訊模塊設(shè)計(jì)

控制通訊模塊由控制模塊和通訊模塊兩部分組成。控制部分主要用于控制水下航行體的上電，通過(guò)單板計(jì)算機(jī)的RS232串口發(fā)送上電指令給控制通訊模塊上的單片機(jī)，由單片機(jī)的I／O口輸出一路高電平控制繼電器吸合，達(dá)到給水下航行體上電的目的，如圖2所示。

圖2 控制上電模塊部分電路原理圖

通訊模塊采用以太網(wǎng)與水下航行體通訊，預(yù)留CAN通訊接口，便于以后擴(kuò)展。將單板計(jì)算機(jī)發(fā)出的RS232串行接口信號(hào)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接口信號(hào)，發(fā)送至水下航行體?？刂仆ㄓ嵞K主控制器采用XC167CI單片機(jī)，以太網(wǎng)控制器采用DM9000AEP，同時(shí)采用YL18－2050S隔離芯片實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口隔離和保護(hù)，TJA1040T作為CAN收發(fā)芯片。軟件編程采用uVision Keil3集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和DAVE軟件配置器進(jìn)行。采用外部快速中斷響應(yīng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的接收。

3.2 GPS模塊集成

GPS模塊功能是接收經(jīng)緯度、航向角、UTC時(shí)間等信息，并通過(guò)RS232通訊口發(fā)送至單板計(jì)算機(jī)。通過(guò)集成一塊單板式結(jié)構(gòu)的雙頻雙系統(tǒng)定位定向的板卡BD982，實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)的定位精度，定向精度小于1°（2m基線）。上位機(jī)發(fā)控軟件完成對(duì)GPS模塊基線長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)輸出格式等參數(shù)的設(shè)置［3－4］。

$GCCMD語(yǔ)句用于設(shè)置GPS模塊，設(shè)置參數(shù)存儲(chǔ)于永久存儲(chǔ)器中，如果設(shè)置語(yǔ)句無(wú)錯(cuò)，則GPS會(huì)響應(yīng)語(yǔ)句，否則返回語(yǔ)句將顯示當(dāng)前默認(rèn)值。

BD982模塊的部分設(shè)置語(yǔ)句如下：

設(shè)置基線長(zhǎng)度語(yǔ)句：$GCCMD，set baseline，X*FF保存設(shè)置語(yǔ)句：$GCCMD，SAVE CONFIG*FF基線長(zhǎng)度設(shè)置并保存成功后，立即生效。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件結(jié)構(gòu)

為了能夠滿足軟件可靠性和可操作性要求，同時(shí)方便設(shè)計(jì)與后續(xù)的完善、修改，考慮到軟件功能的獨(dú)立性，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將各功能模塊封裝成不同的函數(shù)，完成各自不同的軟件功能。發(fā)控軟件包括參數(shù)設(shè)置模塊、參數(shù)裝訂模塊、通訊模塊、GPS信息接收模塊、PHM系統(tǒng)模塊、經(jīng)緯度解算距離航行角模塊、上電模塊、自檢模塊、發(fā)射模塊、中止模塊、授時(shí)模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊等功能模塊。其主要軟件功能模塊框圖如圖3所示。

圖3 發(fā)控軟件功能模塊框圖

4.2 軟件功能

發(fā)控軟件的功能是完成對(duì)航行體的上、斷電操作，參數(shù)設(shè)置解算及裝訂工作。通過(guò)RS232口2將實(shí)時(shí)接收到的GPS位置信息、航向信息，通過(guò)數(shù)據(jù)分揀、打包下裝至航向體。通過(guò)軟件的主界面將輸入的兩個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度信息解算成距離和航向角的航路點(diǎn)信息下裝至水下航行體。

通訊模塊用于將來(lái)自兩個(gè)串口的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、分揀和保存；經(jīng)緯度解算模塊主要作用是將兩個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度信息解算成距離和航向角的航路點(diǎn)信息下裝至水下航行體。參數(shù)設(shè)置模塊的功能是完成GPS模塊、航行體控制系統(tǒng)、聲學(xué)系統(tǒng)等模塊的參數(shù)設(shè)置；參數(shù)裝訂模塊用于將前面設(shè)置的參數(shù)通過(guò)打包發(fā)送至GPS模塊和航行體；PHM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)控儀和航行體各系統(tǒng)的故障診斷和預(yù)測(cè)。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 多線程處理

此發(fā)控軟件基于Windows XP操作系統(tǒng)，使用VC＋＋6.0作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。由于Windows XP采用非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而發(fā)控裝置需要接收和處理多個(gè)模塊同時(shí)發(fā)送的狀態(tài)信息或命令響應(yīng)信息，為了保證發(fā)控操作的實(shí)時(shí)性，軟件采用多線程技術(shù)［5］。在軟件初始化時(shí)，創(chuàng)建用戶界面主線程和2個(gè)數(shù)據(jù)接收線程。主線程用于響應(yīng)用戶輸入和各種事件消息，數(shù)據(jù)接收線程主要用于串口和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收。通過(guò)查詢方式循環(huán)檢測(cè)各通道的FIFO，當(dāng)FIFO里有數(shù)據(jù)并且不小于幀長(zhǎng)度時(shí)接收數(shù)據(jù)。

5.2 PHM系統(tǒng)

發(fā)控裝置的PHM系統(tǒng)采用主從模式，由各個(gè)航行體PHM節(jié)點(diǎn)和發(fā)控裝置PHM主控制器組成。各PHM節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌在各節(jié)點(diǎn)單機(jī)內(nèi)，負(fù)責(zé)所在單機(jī)的故障自檢、健康信息采集及發(fā)控裝置PHM主控制器的信息交互。發(fā)控裝置做為PHM的主控制器，負(fù)責(zé)水下航行體各個(gè)節(jié)點(diǎn)的診斷工作，它可以對(duì)匯總的各節(jié)點(diǎn)健康信息進(jìn)行融合分析，從系統(tǒng)層面對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的異常狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，發(fā)控裝置還負(fù)責(zé)短期的故障預(yù)測(cè)工作，對(duì)各節(jié)點(diǎn)健康參數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行短期預(yù)測(cè)，對(duì)不利預(yù)期做出早期診斷，其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

某型水下航行體發(fā)控裝置通過(guò)集成一塊GPS板卡的方式，解決了傳統(tǒng)方式下使用船載電羅經(jīng)帶來(lái)的諸多不便。PHM系統(tǒng)的構(gòu)建，提高了系統(tǒng)故障診斷和預(yù)測(cè)精度。該發(fā)控裝置現(xiàn)已批產(chǎn)交裝部隊(duì)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖4 發(fā)控裝置PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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［3］馮芳，張興忠.基于GPS／GPRS／GIS的電力搶修調(diào)度指揮系統(tǒng)的研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（2）：527.

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Design and Im plement of Underwater Vehicle Shipborne Launcher

TIAN Li
（Kunming Shipborne Equipment Research＆Test Center，Kunming 65000，China）

The design method of hardware and software of underwater vehicle shipborne launcher，based on Global Position System，is introduced in this paper.It solves problems such as long preheating time of shipborne electric compass and low capability of signal anti－jamming.The Prognostics＆Health Management system，applying to underwater vehicle shipborne launcher，is provided to enhance the reliability and themaintainability of equipment.

AUV；Single board computer；GPS；Multithreading；PHM

10.3969／j.issn.1002－2279.2014.06.024

TP311.1

：A

：1002－2279（2014）06－0085－03

田立（1980－），男，甘肅鎮(zhèn)原人，工程師，主研方向：水下航行體控制仿真及發(fā)控技術(shù)的方向的研究。

2014－04－15