李　偉，鄧　鵬，汪洪升

（1. 海軍潛艇學(xué)院 導(dǎo)彈兵器系， 山東 青島， 266042； 2. 中國人民解放軍92196部隊， 山東 青島， 266012）

面向通用開發(fā)平臺的操雷系統(tǒng)等效模擬及實時監(jiān)控裝置

李偉1，鄧鵬1，汪洪升2

（1. 海軍潛艇學(xué)院 導(dǎo)彈兵器系， 山東 青島， 266042； 2. 中國人民解放軍92196部隊， 山東 青島， 266012）

針對通用化操雷系統(tǒng)的使用需求， 開發(fā)了操雷系統(tǒng)等效模擬及實時監(jiān)控裝置， 闡述了其系統(tǒng)組成及工作流程， 基于可擴展通用開發(fā)平臺的設(shè)計思路， 從Visual Basic（VB）的技術(shù)特點及運用、嵌入式工控機技術(shù)、基于DTE3216和USB20D的多通道高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)以及操作界面和軟件流程設(shè)計等方面闡述了技術(shù)對策及實現(xiàn)方法。這一裝置可替代實際操雷系統(tǒng)參與魚雷檢測調(diào)試， 實現(xiàn)狀態(tài)在線監(jiān)控， 減少裝備損耗， 提高工作效率。

操雷系統(tǒng)； 等效模擬； 實時監(jiān)控； 通用平臺

0　引言

在魚雷的教學(xué)、訓(xùn)練和維修中， 需要經(jīng)常使用操雷系統(tǒng)， 進行系統(tǒng)調(diào)試和全雷聯(lián)調(diào)。目前，各型操雷系統(tǒng)不能通用， 操作方法各異， 使用效率較低， 給使用方的學(xué)習(xí)和掌握帶來不便。

在魚雷技術(shù)準備中， 需要記錄調(diào)試過程中的很多重要參數(shù)， 以便分析魚雷的技術(shù)狀態(tài)， 判斷魚雷是否工作正常。有些型號采用記錄后數(shù)據(jù)回放的方式， 需要在整個魚雷檢測過程結(jié)束后卸下記錄微機， 與專門的設(shè)備連接后導(dǎo)出數(shù)據(jù)進行分析。這樣， 在魚雷調(diào)試過程中， 難以實時了解魚雷的工作參數(shù)并快速做出技術(shù)判斷。另外， 在操雷技術(shù)準備現(xiàn)場教學(xué)中， 需要將檢測過程中的重要參數(shù)和關(guān)鍵節(jié)點同步直觀顯示出來， 一旦出現(xiàn)異?；蛘`操， 能夠立即提示告警， 便于分析解決。雖然有些新型操雷能夠進行實時數(shù)據(jù)的傳送和顯示， 但由于其顯示界面過于工程化， 從培訓(xùn)要求看還不夠直觀形象。

基于上述需求， 提出面向通用開發(fā)平臺的操雷系統(tǒng)等效模擬及實時監(jiān)控裝置的技術(shù)設(shè)想， 替代實際操雷系統(tǒng)參與魚雷檢測調(diào)試， 實現(xiàn)狀態(tài)在線監(jiān)控， 減少裝備損耗， 提高工作效率。

1　功能組成及工作流程

操雷系統(tǒng)等效模擬及實時監(jiān)控裝置主要由上位機、下位機、系統(tǒng)專用軟件和可擴展標準機柜等組成， 可以等效模擬實際操雷系統(tǒng)的電路及工作特性（含負載、通路、激勵、響應(yīng)及接口等）， 完成系統(tǒng)調(diào)試（段調(diào)）和全雷聯(lián)調(diào)， 并實現(xiàn)檢測調(diào)試的實時在線監(jiān)控。

上位機采用研華工控機， 基于Visual Basic （VB）6.0平臺進行軟件開發(fā)， 通過數(shù)據(jù)采集板、USB接口電路實現(xiàn)與下位機的高速通信（包括指令控制和信息反饋）， 原理見圖1。

圖1　操雷系統(tǒng)等效模擬及實時監(jiān)控裝置（上位機）原理框圖Fig. 1　Block diagram of equivalent simulation and realtime monitoring device（upper computer） for torpedo exercise system

下位機（即操雷系統(tǒng)等效模擬器）由監(jiān)控電路、電源電路、模擬壓力（水深）電路、控制電路、信號轉(zhuǎn)接處理電路、模擬雷位指示器1（信號彈示位）、模擬雷位指示器2（無線電或北斗示位）、模擬沉雷指示器（音響示位）、內(nèi)測記錄及現(xiàn)放/回放電路、深度傳感器電路、專用電纜及信號電纜、總體結(jié)構(gòu)等組成。對外接口設(shè)有前端專用連接器、后端專用連接器、檢查端口、回放端口等。

下位機組成原理框圖見圖2。雷上控制系統(tǒng)正常停車、超淺信號、超深信號、深度信號和由全雷電路提供的控制停車、供電異常等信號作為外中斷送入下位機控制電路， 中斷模塊對中斷信號進行處理和優(yōu)先級排隊后送入CPU， CPU響應(yīng)中斷后， 分別執(zhí)行不同的停車流程， 停車流程中各種指令的發(fā)出及時序， 都要以當(dāng)前模擬航行深度為前提。上位機發(fā)出的深度信號通過下位機模擬壓力電路處理后， 輸出信號與超淺、超深等門限信號進行比對判斷， 從而發(fā)出相應(yīng)的指令。CPU發(fā)出的停車、操舵及各種雷位指示指令經(jīng)過驅(qū)動電路后， 輸出相應(yīng)電壓信號， 經(jīng)信號轉(zhuǎn)接處理電路執(zhí)行停車、操舵、啟動雷位指示等流程。

下位機的工作參數(shù)和狀態(tài)節(jié)點， 通過USB總線同步傳送到上位機， 便于實時監(jiān)控和處置； 同時， 控制電路的深度采樣模塊和數(shù)據(jù)存儲器完成模擬航深的采樣和記錄， 記錄各種停車信號、動作信號以及發(fā)生時間， 為故障分析提供依據(jù)。

圖2　操雷系統(tǒng)等效模擬及實時監(jiān)控裝置（下位機）原理框圖Fig. 2　Block diagram of equivalent simulation and realtime monitoring device（lower computer） for torpedo exercise system

2　開發(fā)平臺及技術(shù)應(yīng)用

通過對國內(nèi)比較有代表性的幾種開發(fā)技術(shù)進行了研究和比較［1-2］， 并結(jié)合通用操雷系統(tǒng)的功能需求和使用特點， 力圖找到技術(shù)可行、性能可靠、易于操作的實現(xiàn)方法。

2.1VB的技術(shù)特點及運用

實時監(jiān)控的顯示操作界面是整個上位機的設(shè)計核心， 控制和管理整個系統(tǒng)。通過劃分相應(yīng)的功能模塊， 實現(xiàn)模塊化設(shè)計， 使系統(tǒng)軟件易于調(diào)試、維護和升級。

界面設(shè)計使用VB6.0程序設(shè)計語言。VB 6.0是基于Basic的可視化程序設(shè)計語言， 具有簡單易用的特點， 在其編程系統(tǒng)中采用了面向?qū)ο?、事件?qū)動的編程機制， 把Windows的編程復(fù)雜性封裝起來， 提供了一種所見即所得的可視化程序設(shè)計方法。

由于VB6.0具有支持多種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的訪問和支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換（dynamic data exchange，DDE）、動態(tài)鏈接庫（dynamic link library， DLL）和對象的鏈接與嵌入（object linking and embeding，OLE）功能， 因此， 其作為一種面向?qū)ο蟮目梢暬幊坦ぞ撸?越來越多地用作數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的前端開發(fā)工具。

2.2基于通用平臺的上位機選型及開發(fā)

上位機采用功能較為先進的研華酷睿雙核嵌入式工控機ARK-3420［3］， 該產(chǎn)品支持Intel Core2 Duo處理器并且擁有內(nèi)置Intel GME965芯片組，具有功能強大的處理器和顯示性能， 能夠滿足本項目開發(fā)的多種應(yīng)用， 包括圖像處理、監(jiān)控系統(tǒng)、交互系統(tǒng)、自動化以及嵌入式控制應(yīng)用等。

該裝置在“通用開發(fā)平臺”設(shè)計中充分運用了ARK-3420的以下功能：

1） 豐富的I/O擴展接口， 可以選擇5種擴展插槽和6個USB接口；

2） 6個可編程功能鍵， 經(jīng)過編程可實現(xiàn)管理升級、聯(lián)網(wǎng)、維護、顯示和報告功能；

3） 支持9～34 V的寬范圍直流電源（direct current， DC）輸入， 滿足操雷測試的不同電源環(huán)境；

4） 支持2個2.5英寸SATA HDD（HardDisk-Drive）（超大容量）和1個CF（Compact Flash）卡， 提供充裕的可擴展存儲空間；

5） 支持寬屏高分辨率雙顯示， 特別適用于教學(xué)中操作者和受訓(xùn)者的同步觀察和互動分析；

6） 防護等級IP40， 抗沖擊、抗震動和防塵性良好， 適應(yīng)不同的操雷測試環(huán)境。

2.3多通道高速數(shù)據(jù)采集及通信技術(shù)

該裝置采用DTE3216多通道高速數(shù)據(jù)采集板［4］， 結(jié)合先進的現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array， FPGA）和USB2.0接口技術(shù)， 能夠進行100 kHz的連續(xù)數(shù)據(jù)采集， 并對采集數(shù)據(jù)快速存儲和讀取。

USB20D是專門開發(fā)的通用接口模塊［5］， 它隱藏了通過USB總線進行數(shù)據(jù)傳輸所需的繁瑣技術(shù)細節(jié)。應(yīng)用程序通過調(diào)用模塊提供的函數(shù)，可以把相應(yīng)的功能轉(zhuǎn)變成模塊硬件接口上的一系列脈沖和電平， 發(fā)送到外圍邏輯， 進行指定的數(shù)據(jù)傳輸， 從而簡化USB設(shè)備的研發(fā)工作。

數(shù)據(jù)采集電路功能單元組成如圖3所示。其中： 前端信號調(diào)理單元用于下位機32路模擬量輸入信號的阻抗匹配及濾波處理； 多選器由2個16通道的32路選擇器組成， 其輸出進入程控放大單元； 程控放大器單元由FPGA控制動態(tài)實現(xiàn)1～16倍的放大； A/D轉(zhuǎn)換單元完成16位100 kHz模數(shù)轉(zhuǎn)化， 采取FPGA控制方式； D/A轉(zhuǎn)換單元完成12 bit數(shù)模轉(zhuǎn)化及信號輸出調(diào)理。

圖3　采集板的組成單元及布局圖Fig. 3　Component units and layout of data collectionboard

該項目搭建的操雷模擬系統(tǒng)通用開發(fā)平臺，可以實現(xiàn)全雷參數(shù)的256個通道自動組合掃描、魚雷各系統(tǒng)不同信號的高精度模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換、現(xiàn)場硬件可編程邏輯、全雷海量數(shù)據(jù)的緩存、大容量靜態(tài)隨機存取存儲器（static random access memory， SRAM）的先進先出（first in first out， FIFO）功能以及高級語言（VB/VC/Delphi）的實時控制。

USB20D高速模塊完成外圍器件互聯(lián)（peripheral component interconnect， PCI）到USB的總線制式轉(zhuǎn)換， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集板采集數(shù)據(jù)的打包傳送及工控機模擬的壓力信號實時傳遞。通過動態(tài)鏈接庫調(diào)用接口函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信， 完成系統(tǒng)工作的節(jié)點控制。

3　軟硬件構(gòu)建及設(shè)計

綜合運用電子傳感技術(shù)、負載模擬技術(shù)、工控機技術(shù)和信號傳輸技術(shù)等， 進行軟硬件開發(fā)。

3.1下位機電路

下位機即操雷系統(tǒng)模擬器， 其各電路模塊直接安裝在插入式標準機箱內(nèi)。由于標準機箱空間狹小， 各功能模塊盡量小型化。

1） 電源電路

電源電路選用集成一體化線性電源模塊， 通過外圍控制， 輸入220 V交流電， 按控制電路時序要求， 依次提供6路輸出電壓： 2路12 V、1路15 V、1路30 V、1路5～5.5 V。

2） 壓力模擬電路

模擬壓力電路由1個15 V電源供電， 采用2路精密電壓控制， 分別模擬淺水和深水傳感器的直流輸出， 形成0～5 V標準電壓。

3） 控制電路

控制電路主要由集成芯片、定時電路、中斷模塊、多通道深度采樣模塊、停車控制電路、操舵電路及雷位指示驅(qū)動電路等組成。

4） 信號轉(zhuǎn)接處理電路

由隔離電路板、輸入輸出電路、電平轉(zhuǎn)換電路及檢查插座和電纜等組成。

5） 模擬雷位指示器電路

模擬雷位指示器1（信號彈）和模擬雷位指示器2（無線電信標）由印制板、連接器、控制模塊組成， 通過發(fā)光二極管指示運行狀態(tài)。

6） 模擬沉雷指示器

模擬沉雷指示器設(shè)計有振蕩電路、開關(guān)電路、功放電路和換能器， 當(dāng)收到啟動信號后， 振蕩電路產(chǎn)生具有正弦脈沖信號， 輸出人耳能聽到的發(fā)射聲音。

7） 數(shù)據(jù)記錄及傳輸電路

該電路由記錄模塊、信號適配組件及專用電纜組成。記錄模塊負責(zé)對雷上需測信號的采集、記錄和存儲； 信號適配組件為記錄裝置和其他系統(tǒng)之間的接口， 負責(zé)將被測信號進行轉(zhuǎn)換和匹配。

3.2操作界面及軟件流程

軟件設(shè)計包括構(gòu)成操作界面和達成網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。根據(jù)裝置運行要求， 系統(tǒng)軟件需在超深、超淺、超安全等不同設(shè)置下， 完成操雷和控制壓力計的模擬壓力信號輸出［6］、數(shù)據(jù)信號的類型判斷及時序輸出。全系統(tǒng)的軟件功能模塊如圖4所示。

各模塊實現(xiàn)的功能如下。

1） 系統(tǒng)登錄： 實現(xiàn)授權(quán)用戶的登錄。

圖4　軟件系統(tǒng)功能模塊設(shè)計Fig. 4　Design of function modules in software

2） 雷型選擇： 選擇需要測試的操雷型號。開放平臺為各型操雷系統(tǒng)留有接口模塊， 可以實現(xiàn)硬件的擴展搭建和軟件的快速開發(fā)。

3） 測試單元： 完成適時監(jiān)控的參數(shù)設(shè)置和等效模擬的功能測試， 測試單元模塊又分為測試參數(shù)設(shè)置、壓力信號輸出、信號通道檢測、信號時序顯示和可擴展接口等單元。

上位機操作界面的參數(shù)設(shè)置模塊見圖5， 可通過界面左側(cè)“參數(shù)設(shè)置”區(qū)域?qū)Τ?、超淺、超安全、航行時間等參數(shù)進行設(shè)置， 并通過數(shù)據(jù)采集板輸入輸出（input/output， IO）口將參數(shù)信息傳遞給下位機； 操雷和控制2路模擬壓力計的輸出可以通過調(diào)整圖5中對應(yīng)的上、下（“加”、“減”）按鈕鍵來調(diào)整數(shù)值大小， 隨著壓力計數(shù)值的變化，圖中壓力計對應(yīng)曲線發(fā)生變化， 同時數(shù)據(jù)采集板D/A口輸出相應(yīng)的電壓值； 信號通道檢測與信號時序檢測配合使用， 將實時采集到的操雷啟動、異常、停車及內(nèi)測等所有信號類型和時序顯示在相應(yīng)的窗體中， 并將測試結(jié)果以紅、黃、綠狀態(tài)燈顯示。

圖5　參數(shù)設(shè)置及調(diào)節(jié)界面Fig. 5　Interface of parameter setting and adjustment

系統(tǒng)軟件主要完成2方面的任務(wù)［5］： 與數(shù)據(jù)采集板進行通信， 以獲得測試數(shù)據(jù)； 將參數(shù)設(shè)置與模擬壓力計的信號發(fā)送給數(shù)據(jù)采集板及下位機。系統(tǒng)軟件在同一界面進行開發(fā)， 通過“信號清零”實現(xiàn)系統(tǒng)變量的初始化， 同時將模擬操雷壓力計和模擬控制壓力計清零。壓力計數(shù)值的變化反映魚雷航深的變化， 系統(tǒng)工作時模擬和監(jiān)控魚雷實際航行中的各種可能情況。軟件工作流程見圖6。

圖6　系統(tǒng)軟件流程圖Fig. 6　Flow chart of system software

3.3技術(shù)難點及解決方法

1） 研制的等效模擬及監(jiān)控裝置接入魚雷后，必須與其前部的頭段、其后部的中后段以及與總體檢查臺等實裝設(shè)備完全適配， 包括電器接口、通信協(xié)議和負載特性等， 上位機（工控機）的信號采集和指令控制不能影響原來的全雷技術(shù)準備流程和信號傳輸關(guān)系。

在樣機試驗中， 全雷聯(lián)調(diào)中出現(xiàn)過異常報警情況， 顯示各種錯誤信息。經(jīng)研究分析， 應(yīng)該是模擬傳感器電路帶載能力不夠（與實際傳感器相比）， 接入全雷電路后電壓下降太多， 不能滿足實裝檢測臺的判據(jù)條件， 出現(xiàn)錯報。在后期改進中，增加了專門的功率放大電路， 提高帶載能力， 解決了這一問題。

2） 魚雷原有的操雷段檢測臺工作過程中存在較強靜電， 開發(fā)中重點解決電磁兼容問題， 使得該裝置能夠抑制操雷段檢測臺的電磁干擾， 保證正常工作。設(shè)計中， 除了采用光電隔離、射級跟隨等技術(shù)， 還專門設(shè)計了隔離繼電器板， 通過自動觸點斷開措施將可能的互擾進行物理隔離。

4　結(jié)束語

為了能夠更好的滿足操雷系統(tǒng)在實際使用中的各種需求， 文中構(gòu)建了一種可覆蓋多型操雷系統(tǒng)的通用化開放式模擬測試平臺， 其具有功能全面， 擴展性強的特點?；贔PGA和USB2.0的多通道高速信號采集和數(shù)據(jù)打包快送技術(shù)， 實現(xiàn)了魚雷工作狀態(tài)的外測同步顯示和實時監(jiān)控， 對魚雷航深（水壓）的數(shù)字化模擬和高精度控制起到很好效果， 可以簡化魚雷技術(shù)準備操作內(nèi)容。

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（責(zé)任編輯： 許妍）

Equivalent Simulation and Real-time Monitoring Device for Torpedo Exercise System Orienting General Development Platform

LI Wei1，DENG Peng1，WANG Hong-sheng2

（1. Department of Missile and Weaponry Engineering， Navy Submarine Academy， Qingdao 266042， China； 2. 92196thUnit， The People′s Liberation Army of China， Qingdao 266012， China）

Focusing on the general utilization requirement of a torpedo exercise system， this paper expounds the structure and workflow of the equivalent simulation and real-time monitoring device for the torpedo exercise system. Based on the design idea of extendable general development platform， the paper elaborates the technical countermeasures and implementation methods in terms of the technical features and applications of Visual Basic， the embedded industrial computer technology， the multi-channel high-speed data collection technology based on DTE3216 and USB20D， the operation interface， and the design progress of software， etc. This device can play the role of actual torpedo exercise system in torpedo testing and debugging， and can realize on-line condition monitoring， reduce equipment loss， and improve work efficiency.

torpedo exercise system； equivalent simulation； real-time monitoring； general platform

TJ630.6； E925.23

A

1673-1948（2015）03-0222-05

2015-03-06；

2015-03-18.

李偉（1967-）， 男， 副教授， 博士， 研究方向為潛用武器作戰(zhàn)使用及保障.