（水声工程专业论文）航空声纳自动测试系统设计.pdf

西北上业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o m p l i c a t i o no fm o d e mc o n t r o ls y s t e m sa n de l e c t r o n i c s ，a u t o m a t i ct c s t s y s t e m ( a t s ) h a sb e c o m et h en e c e s s a r yp a r td u r i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dt e s t b e c a u s eo fv e r a c i t y ，c o m p l e x i t ya n ds e c u r i t yf o re q u i p m e n t so fd i p p i n gs o n a r ，t h e m a i n t e n a n c ea n df a i l u r ed i a g n o s e so fe q u i p m e n td e p e n do na t sg r e a t l y s oi t i s h i g h l yn e c e s s a r yt os t u d ya n dd e v e l o pt h ea t s ，w h i c hc o m b i n e st h et e c h n i q u e sa b o u t d a t am e a s u r e m e n t ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，d a t a b a s ea n de x p e rs y s t e m t h i ss u b j e c to fa t sf o ri ss u p p o s e db yt h ec o n t r a c tf r o mn a v y t h es y s t e mi s d e s i g n e df o rg r o u n ds y n t h e s i st e s t i n go fd i p p i n gs o n a r i ti su s e dt oc h e c ka l l e x t e n s i o n si no r d e r s ，a n do f f e rt h eb a s i sf o re x a m i n i n ga n dr e p a i r i n gb o a r d so r f u n c t i o nm o d u l e s f o rt h et o p i co fs t u d ya n d d e s i g nt h ea t sf o ro n es o n a rs y s t e m t h es t r u c t u r ea n d p r i n c i p l eo ft h i ss o n a rs y s t e ma r ef i r s t l yi n t r o d u c e da n dd i s c u s s e d c o m b i n i n gt ot h e p u r p o s ea n dr e q u e s tf o rt h i sa t so nd i p p i n gs o n a r , t h ed e s i g ns c h e m eo ft h ew h o l e s y s t e mi sp r e s e n t e dw i t ht h er e a l i z a t i o na n dd e b u g g i n go f t h es o f l w a r da n dh a r d w a r e s t u d y i n gt h ep e r f o r m a n c eo fp c ib u s ，b a s e do nw h i c hp r o p o s i n gb o t ht h e h a r d w a r ea n ds o f l w a r dd e s i g ns c h e m e sw i t hi n v e s t i g a t i o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s d e s i g n i n ga n dr e a l i z i n gb o t hs i g n a la d j u s t m e n ta n dp c d a qo ft h es y s t e mi ss t u d i e d i nt h eh a r d w a r es c h e m e 。w i 也t h ea p p l i c a t i o n so fs o r w a r ee n g i n e e r i n ga n d o b j e c t - o r i e n t e dd e s i g nm e t h o d ，t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e d 州t hl a b v i e w jw h i c hi s o n eo fm o s te f f i c i e n c yd e v e l o p i n gt o o l st os a t i s f yt e s t i n gr e q u i r e m e n t c o m p a r i n gt o g i v e np a r a m e t e r s ，t h es y s t e mc a na n a l y z et h es t a t u so f t h ed i p p i n gs o n a re a s i l y k e y w o r d s ：a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ；d i p p i n gs o n a r ；p c ib u s ；d a t aa c q u i r e m e n t ； l a b v i e w i i 西北i ：业大学硕+ 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 工程应用背景及研究意义 现代武器装备的战斗力和效能，不仅依赖于武器装备的高性能，还需通过高 可靠性、维修性和保障性充分体现装备的综合效能。随着科学技术的发展，在以 电子技术和信息技术为主要推动力，数字化技术为核心的新军事革命背景下，电 子测量与仪器和计算机技术密切结合便产生了高速度、多功能的自动测试系统。 自动测试系统包括了具有计算、处理能力的计算机，在测试过程中各种复杂的分 析、统计、判断、处理的结果可以通过多种方式输出。自动测试系统避免了人为 因素的误差，可获得十分良好的测试性。通过进行大量的测量、判断和分析，可 以在很大程度上削弱随机误差和系统误差，从而获得较高的测量精确度。 某型航空声纳是装载于海豚舰载直升机上的主要搜潜设备。作为一种重要的 机载反潜声纳设备，现已正式装备部队多部。由于设备数量的不断增加，使得武 器设备发生故障的概率也随之增加，严重影响了装备的使用。为了及时解决设备 发生的故障，时常要请设备研制单位派出熟练的技术人员前去修理或者采用将设 备运回生产单位进行检测维护的维修方式解决问题，有时即使耗费大量的人力物 力有的故障也难以排除，这样就给武器装备的后勤保障带来了困难和不便。由此 可见，传统的修理手段已经很难有效地完成军用武器装备的故障诊断，自动测试 也因此逐渐被人们所认识。本课题在根据某型航空声纳设备特点的基础上，提出 了研制航空声纳自动测试系统的研究。 在国防、军事领域的武器装备研发、使用、维护过程中，军用自动测试系统 技术通过改善设备测试性以此来提高军事任务的成功性，为现代化作战武器装备 最大限度地尽快发现故障部位、故障原因、排除故障提供了可靠依据，从而降低 维修、人力与保障资源费用。因此本课题的开展是十分必要的，它将声纳设备及 其各分机的测试由人工、单一地独立进行改进为由一套综合测试系统自动完成， 从而有效地缩短了产品维护周期，降低了维修费用。某型航空声纳自动测试系统 是航空声纳设备地面测试维修训练中关键的部分，该系统可以完整地测量声纳整 机设备和各分机的工作性能、工作状态；完成对整机设备和各分机的二级维护， 是使用单位排故维修的重要手段。利用该系统可以将故障定位到分机内部板卡或 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 j _ _ _ _ _ l _ l e l e ! j = ! ! e = = = = = 日= l j 目z _ _ _ _ l _ j 日l = j e 目e e e = l l = # = = e l 目_ = _ _ _ _ i _ _ _ 1 1 1 i 功能模块，并由此判断出是采取换备件或返厂修理的措施，从而基本评估声纳设 备的工作状态和性能变化，保证训练和战斗任务的完成。 1 2 论文的结构安排 本文在深入研究航空声纳设备综合性能和自动测试系统相关检测理论技术 的基础上，提出了某型航空声纳自动测试系统的总体设计思想及方案，详尽地给 出了软硬件结构框架，并初步实现部分测试功能。本论文的具体结构安排如下： 第一章绪论，阐述了研制某型航空声纳自动测试系统的工程研究背景、意义 和本论文的结构安排。 第二章详细介绍了自动测试系统。分别从概念、组成以及系统各部分组成的 发展状况进行了阐述。 第三章深入地了解了声纳设备的一般结构和工作原理，并结合某型航空声纳 自动测试系统的设计目的和要求提出了本课题的总体设计方案。最后分别从技术 性、经济性、稳定性和操作性这四个方面进行了可行性分析。 第四章是测试系统的硬件设计部分。本章首先提出了测试系统硬件设计方 案；接着结合硬件工作流程，对系统p c i 测试总线、前端隔离信号调理电路和数 据采集模块的结构设计做了较为详细的说明；最后对硬件结构特点进行了分析。 第五章主要介绍了测试系统的软件设计部分。本章首先提出了测试系统软件 设计方案：接着介绍了软件开发环境一l a b v i e w ，并结合基于数据采集系统的总 体结构和l a b v i e w 在自动测试系统中的应用特点给出了使用l a b v i e w 实现数 据采集的工作流程；随后利用l a b v i e w 实现数据的采集与存储，并完成测试系 统界面前面板和程序框图的开发设计，最后分析了软件结构设计的特点。 第六章航空声纳自动测试系统设计调试结果。本章以接口分机为例详细给出 测试系统软硬件调试过程及测试结果。 第七章对全文的研究工作进行了总结，并提出了本课题今后需要迸一步研究 的方向。 两北工业大学硕士学位论文第二章自动测试系统概述 第二章自动测试系统概述 2 。1 自动测试系统( a t s ) 概念1 1 通常我们把人工最少参与，以计算机为核心，在程控指令的指挥下，能自动 完成某种测试任务，如激励、测量、数据处理并输出测试结果，而组合起来的测 量仪器和其它设备的有机整体称为自动测试系统，即a t s 似u t o m a t e dt e s t s y s t e m ) 。a t s 通常是在标准的测控系统或仪器总线的基础上组建而成的，整个 测试过程是在预先编制好的测试程序统一指挥下自动完成的。 自动测试系统是用标准接口总线将可程控设备与测试计算机连接起来的一 套多功能自动测试设备。采用这种系统进行测试时，可在硬件尽量简化的情况下 达到多参数、多功能的测试效果。在测试过程中，自动测试系统能够做出各种复 杂的分析、统计、判断、处理。并以多种方式输出测试结果；此外还能实现自 校准和自检功能。 工程上的自动测试系统往往针对一定的应用领域和被测对象，并且常按应用 对象命名，因此就有飞机自动测试系统、导弹自动测试系统、发动机自动测试系 统、雷达自动测试系统、印制电路板自动测试系统、大规模集成自动测试系统等。 2 2 自动测试系统( a t s ) 组成 a t s 一般由三大部分，即：自动测试设备( a t e ) 、测试程序集( t p s ) 和 t p s 软件开发工具所组成。 a t e 是指用来完成测试任务的全部硬件和相应的操作系统软件。a t e 硬件本 身可以像便携式设备那样小，也可以是由多个机柜组成，总重量达千公斤的设备。 t p s 也是a t s 的一个重要组成部分，它与被测试对象及测试要求密切相关。 典型的测试程序集由三部分组成，即：测试程序软件( t p ) ，测试接e l 适配 器( t u a ) ，包括接口装置、保持紧固件及电缆，被测对象测试所需的各种文 件。 开发测试软件要求一系列的工具，这些工具统称为t p s 软件开发工具，它包 括：a t e 和被测设备( u u t ) 仿真器，a t e 和u u t 描述语言，编程工具， 如各种编译器等。 两北工业大学硕士学位论文第二章自动测试系统概述 2 。2 1 自动测试设备( a t e ) 1 2 - 7 1 在a t s 中，a t e 是对系统中用来完成测试任务的全部硬件和软件所构成的 设备的统称，它是a t s 中最具代表性意义的组成部分。采用自动测试设备最直 接的目的是将产品测试过程自动化，实现这一目的的基本做法是将实现产品测试 所需的资源集成到一个统一的系统之中，测试过程由系统中的控制计算机通过执 行测试软件来控制。a t e 的基本组成如图2 1 所示。 i 舅坩量 i u 【丌) 图2 - 1 自动测试设备的基本组成 系统中，信号源提供测试u u t 所需的各种激励信号；测试仪器用来测量u u t 各测量点在施加激励后的响应；开关系统按照控制器的命令将信号切换到所要求 的路径；控制器通常为通用微型计算机或嵌入式微型计算机，用来控制整个测试 过程并处理所得的数据；人一机接口是操作员与a t e 进行交互的工具，主要包 括显示器、键盘、打印机等；测试夹具及适配电路是u u t 与a t e 的接口，它保 证了u u t 与a t e 之间可靠的机械、电气连接与匹配。 2 2 1 1a t e 技术在军事上的发展现状与趋势 在以电子技术和信息技术为主要推动力，数字化技术为核心的新军事革命的 背景下，国防、军事领域是自动测试系统应用最多，发展最迅速的领域。在武器 装备的研发、使用、维护的过程中对自动测试系统众多的需求是推动自动测试系 统和自动测试设备技术发展的强大动力。军用自动测试设备技术成为军用电子设 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章自动测试系统概述 备、武器装备、现代化指挥系统安全运行和准确操作所必需的重要支撑技术，是 使武器装备处于良好战备状态的重要保证。从国内外军用a t e 的发展过程可以 看出，军方的需求不仅促成了新的测试系统总线和新一代自动测试系统的诞生， 并促使a t e 的设计思想、开发策略发生了重大变化。 1 、国外军用a t e 发展现状 西方发达国家对军用a t e 系统的研制和应用十分重视，并制定了严格的维修 制度和完善的发展规划。美国早在2 0 世纪5 0 年代就开始a t e 的开发研制，其发 展水平在很大程度上代表了世界先进水平。 美国空军在1 9 8 5 年提出a t e 的研制要求，即研制体积小、成本低、性能高、 可移动、模块化、多用途和标准化a t e 的要求。这促使了将高性能计算机技术、 数据接口技术、仪器测量等多项技术有效地融为一体，研制生产出可在世界范围 内开放的模块化仪器总线系统。同时新测试标准的制定、新的测试开发环境、局 部网络技术等多项新测试技术的推广应用，使军用a t e 的发展跨入一个不断自我 完善阶段。 美国在8 0 年代中期开始制订“通用自动测试设备( g p a t e ) ”计划，以便在军 用领域建立标准化、系列化和模块化a t e 的硬件和软件测试平台。g p a t e 计划 分别由美陆、海、空三军组织实施。目前该三军均有自己完善的测试设备与技术 发展规划：陆军的“综合测试设备系列( i f t e ) ”标准，发展计划是积极研究将人 工智能应用于战场装备的维修；海军的“联合自动化支持系统( c a s s ) ”标准， 发展计划致力于加强海军a t e 的可测性工作和为海军的飞机、舰艇及卫星上的 电子设备、导航、通信及电子战系统等提供一种先进的综合自动支援系统；空军 的“模块化自动测试设备( v l a t e ) ”标准，发展计划的目标是强化系统功能、提 高系统的通用性，为a t e 设备的研制、生产和使用建立协调发展的条件。这些标 准均体现了开放系统的设计思想，并采用了较为成熟和先进的商用标准及技术。 目前，根据这些标准研制的a t e 已广泛应用在美国三军武器系统上，它们在保障 作战系统战备完好性、出勤率等方面发挥着重要作用。 2 、国内a t e 发展现状 在国内，由于众多的需求推动，自动测试技术也有极大发展，但总体上落后 于西方发达国家，在技术性能、制造工艺等方面与国际先进水平还存在很大差距。 目前正处于从专用自动测试系统向通用自动测试系统转变的过程中。近年来，国 内科研院所研制了一些测试系统，但检测设备大部分是针对一种或两种装备，造 成了品种繁多、功能单一、通用性差的局面，不利于大型武器装备如飞机、导弹 西北工业大学硕士学位论文 第二章自动测试系统概述 等的检测与维修。为使我国的国防科技在2 l 世纪处于世界前列，确保我军在未来 高技术条件的信息化战争中立于不败之地，我国就需要紧密跟踪世界先进水平， 借鉴国外的先进经验与技术来发展国产电子测试仪器产业，尽快开发标准化、模 块化、通用化、开放式的自动测试系统，进一步推进测试系统所要求的仪器互换 性、t p s 开发技术和基于测试信息共享的集成诊断技术的研究。 2 2 1 2a t e 技术的发展趋势 为适应现代化高新技术武器装备日益增长的维修保障要求，军用a t e 技术将 继续沿着模块化、系列化、标准化方向不断发展，同时将加大采用各种新技术( 如 新型系统总线技术、高性能计算机技术、人工智能与专家系统技术等) 的力度， 进一步改善军用a t e 的技术性能。未来军用a t e 技术将向以下几个方面发展： ( 1 ) 进一步向小型化、便携化和通用化方向发展。采用一台小型、可方便携 带、通用化的高性能测试仪器系统来完成对作战飞机、导弹、雷达、火控系统、 声纳、通信等各种电子装备的检测与维修任务，这可以节省大量人力、物力和才 力，是军用a t e 技术所追求的目标和发展方向。 ( 2 ) 注重综合诊断支持系统设计思想，向诊断测试系统的开放式结构发展。综 合诊断支持系统设计思想是充分综合武器装备诊断能力的所有相关要素( 如可测 试性、可靠性、诊断测试软硬件等) ，并在武器装备和各级维修测试系统设计与管 理的整个过程中进行贯彻执行。而开放式系统结构，可以将不同单位研制的测试 模块组合成一个测试系统，允许不同的测试诊断软件和测试数据兼容操作，并能 够对多个测试系统和设备的多种诊断信息源进行融合处理。 ( 3 ) 向设计验证、生产检测、诊断维修一体化、标准化发展。为了适应军用 测试设备的高可靠性要求，开发部门的设计验证、可测试性分析及改进，实际应用 部门的现场实时诊断和维护等工作，须统一标准实现一体化，从而从根本上提高 军用产品的完好性。 ( 4 ) 测试软件工程化技术将得到进一步发展。测试软件的工程化技术是指将 装备管理规划机构，a t e 研制生产单位，软件设计、维修与使用等有关技术人员 组织起来，用软件工程思想方法指导测试软件生产周期全过程，以便共同开发性 能优异的诊断测试软件和标准。它可最大限度地减少a t e 研制过程中测试软件 成本费用，缩短研制周期，提高a t e 的通用性，并适应多级维修体制和多种测试 对象的应用要求。 ( 5 ) 由物理仪器向虚拟仪器发展。这将是a t e 发展的一个新阶段。虚拟仪器 6 西北工业大学硕士学位论文第二章自动测试系统概述 是源于硬件结构又区别于它的新结构设计思想，其核心是利用较少的硬件，完全 依靠高速计算机的软件设计方法实现a t e 的功能。这种设计能够进一步缩小a t e 的体积，减少其重量，增强其实用性和灵活性，并可以产生许多物理设备难以产 生的激励信号和检测处理难以捕捉的信号( 如滤波信号) 。这样不仅可以降低采购 价格还能够减少备件保障库存。虽然每一个虚拟仪器都极为复杂，但这代表了 a t e 发展的新境界，是a t e 发展的必然趋势。 2 2 2 测试程序集( t p s ) 及开发工具o l l 、测试程序集( t p s ) t p s 是与被测对象及其测试要求密切有关的硬件与软件的集合。在t p s 中， 测试程序( t p ) 是运行在a t e 的计算机上，用于控制a t e 资源测试指定的被测 对象的软件总称。它不仅仅包含对测试过程的控制( 如对a t e 激励、开关、测 量仪器的选择与控制、对激励信号及测量点的选择与控制等) ，还包含将激励信 号加到需要加入的地方，并且在合适的点测量被测对象的响应信号，然后再由测 试软件对所测得的响应信号进行处理，完成对被测对象是“正常”还是“故障” 的判断。在“故障”时，还应能隔离故障，找出故障源( 比如指出故障的板卡或 功能模块) ，进而采取维修措施。 接口适配器( t u a ) 是连接a t e 与u u t 的设备，接口适配器的一例可通过 接卡器的接口连接器组件与接口适配器模块的配对插接，完成接口适配器与a t e 的连接。另一侧配置一组连接器插座，再经由若干专用的测试电缆，连接到相应 的u u t 上。 2 、t p s 软件开发工具 t p s 的开发工作可划分为两个主要方面：一是建立t p s 的开发环境，二是 t p s 的工程实现。前者包括制定开发策略，选择必需的开发工具等。工程实现的 内容包括针对各个u u t 分析测试需求并编写需求文件，确定u u t 的测试策略和 诊断方法，完成t p s 硬件和软件的设计与集成等。 2 3 自动测试系统( a t s ) 的发展【1 1 1 6 】 a t s 于上世纪6 0 年代始于工业，其发展大体上可以分为三个阶段： 1 、第一代自动测试系统专用型 第一代自动测试多为专用系统，是针对某项具体测试任务而设计的。它主要 西北工业大学硕士学位论文第二章自动测试系统概述 用于测试工作量很大的重复测试，要求可靠性高的复杂测试，或是为了提高测试 速度及工作于测试人员难以进入的恶劣环境。常见的有数据采集系统、自动分析 系统、产品自动检验系统和自动监测系统等。尽管他们比较简单，但已经采用了 计算机或其它逻辑、定时电路进行控制，在测试性能和设备功能等方面都比以前 的仪器有较大的改善。然而，由于尚未解决系统内各设备间连接用的接口标准化 问题，系统组建者在设计和组建第一代自动测试系统时，必须自行解决各器件之 间的接口和有关问题。 2 、第二代自动测试系统台式仪器积木型 第二代自动测试系统的特点是各设备都采用标准化的接口和母线按积木的 形式连接起来。除被测对象和电源部分外，自动测试系统主要由计算机系统、测 量控制系统( 包括传感器、测量仪器、控制执行系统、a i d 与d a 转换器等) 和接 口总线系统三大部分组成。这种系统组建方便，组建者不需自己设计接口电路， 更改、增减测试内容也很灵活，并且设备资源的复用性好，显示出了很大的优越 性，因此受到了广泛的应用。 3 、第三代自动测试系统模块化仪器集成型 第三代自动测试系统是基于v x i 、p x i 等测试总线，主要由模块化的仪器所 组成的自动测试系统。该种类型的自动测试系统具有数据传输速率高、数据吞吐 量大、体积小、重量轻，系统组建灵活，扩展容易，资源复用性好，标准化程度 高等众多优点。采用了强有力的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，用人的智 力资源代替了很多物质资源。特别是，在这种系统中用计算机直接产生测试信号 和测试功能。这样，仪器中的一些硬件甚至整件仪器都从系统中“消失”了，而 用计算机及其软件来完成它们的功能，形成了一种所谓“虚拟仪器”( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) 的开发环境，是当前先进的自动测试系统特别是军用自动测试系统的 主流组建方案。 目前，国内外测试系统的发展具有以下几个菇同特点： ( 1 ) 军事电子技术是现代测试技术发展的主要动力之一。以雷达、综合电子 战为代表的军事电子技术，以预警机和卫星通讯为代表的航空、航天技术以及以 导弹精密制导为代表的兵器技术等都离不开测试技术。军事技术为测试技术提供 了难得的发展机遇和广阔的市场前景。 ( 2 ) 测试技术与计算机技术同步发展。计算机技术与测试技术相结合，测试 仪器进入智能化时代，使采用误差修正的高精度测量、实时测量和自动测量成为 可能。从而形成了两种设计思想：一是以测试技术为核心进行仪器设计，根据测 西北工业人学硕士学位论文 第二二章自动测试系统概述 试的需要，采用一个或多个微处理器来完成仪器的测量控制、数据采集、数据处 理和图形显示等功能；二是以通用p c 为基础，增加测试功能、数字接口和控制 接1 ：2 ，充分利用了计算机的图形显示、数据处理、外设接i m i 和软件功能，通常的 仪器用户界面就是计算机界面。 ( 3 ) 测试技术的发展超前于应用对象。测试仪器采用最新技术不断改进性能， 增加功能和推出新产品，打破了传统仪器的分界线，为用户提供了新型测试仪器 和测试技术。 ( 4 ) 集成化测试系统的发展受到普遍重视。现代电子系统的复杂程度越来越 大，需要检测的性能指标也越来越多，有些功能指标已达到或超过仪器的检测范 围，仅用单台测试仪器不能充分发挥仪器的潜力和群体优势，因此系统化和集成 化是电子测试仪器的一个发展方向。 2 4 本章小结 本章综合论述了自动测试系统，概要介绍了自动测试系统的概念、基本组成 和自动测试系统在国内外军事上的发展现状及今后的发展趋势。通过本章的内容 使我们对自动测试系统有一个较为全面的了解，这些概述性知识内容的介绍为本 论文研究工作的开展奠定了基础。 9 艏北工业大学硕士学位论文第三章测试系统设计理论分析及设计方案 第三章测试系统设计理论分析及设计方案 航空声纳自动测试系统是航空声纳设各地面测试维护所需的配套系统，要研 究设计航空声纳自动测试系统，合理规范的总体设计是关键步骤。因此就必须搞 懂航空声纳系统的组成及其工作原理等理论知识，清楚地了解某型航空声纳自动 测试系统的设计目的、要求和主要的实现功能。本章将在对以上知识的了解、掌 握基础上，提出测试系统的总体设计方案。 3 1 航空声纳的组成及其工作原理【1 7 。2 0 】 3 1 1 航空声纳的基本组成 某型航空声纳是由液压绞车、水下分机和电子架组成，其基本组成如图3 1 所示。 图3 - 1 某型航空声纳的基本组成 一液压绞车：它的主要部件是缠绕吊放电缆的鼓轮、液压马达和传动与控 制机构。主要用于收、放水下分机，并保证与水下分机间的电气和机械连接。 水下分机：由换能器、辅助传感器、预处理电路和结构件组成。它在发 射状态时，将电缆上的大功率电信号传递给换能器阵，并将电能转换成声能，形 o 两北工业大学硕士学位论文第三章测试系统设计理论分析及设计方案 成要求的发射指向性，向水中辐射声波；在接收状态时，将声信号转换为电信号， 并对1 2 个水听器输出的微弱信号进行放大、滤波、单比特量化和采样。同时也 对磁罗盘、水温、水压( 水深) 传感器的输出进行a d 转换等。 一电子架：它装有7 个电子分机，包括接口分机、发射机、信号处理机、 绞车控制及偏移校正盒、显示器、操纵台和接线盒。这些分机通过互连电缆连接。 具体各个分机实现功能如下： ( 1 ) 接口分机提供水下分机与其他分机包括发射机、处理机、显示器、接线 盒之间的信号接口，并对1 2 路声信号进行变频滤波处理。 ( 2 ) 发射分机产生相应的功率信号，通过匹配电路和吊放电缆把功率加到换 能器上，并通过程序软件实现频率、脉宽、周期的控制，提供必要的信号输出。 ( 3 ) 信号处理机用来处理来自接口分机的声数据，以便协同显控分机检测目 标和确定目标信息。 ( 4 ) 绞车控制盒与偏移校正盒一起控制绞车各种状态和控制飞机修正姿态。 ( 5 ) 显示器用来在显示屏上显示目标回波或噪声源，以便使操作员能够从中 提取目标要素。同时，显示器还能显示温深盐线、探测结果以及声纳的工作方式 和参数设定。 ( 6 ) 操纵台用于完成对操作键盘、按键指示灯的控制，并产生系统同步脉冲。 ( 7 ) 接线盒用来将吊放声纳探测到的目标参数送往鱼雷发控系统等。 3 1 2 航空声纳的工作原理 为设计航空声纳自动测试系统，我们就需了解航空声纳的工作原理。现以某 型航空声纳为例简单介绍航空声纳的工作原理。其工作原理图如图3 2 所示。 挈鳃q 释 种媾声 辩洋 环境 图3 - 2 某型航空声纳工作原理图 l l 两北工业大学硕士学位论文第三章测试系统设计理论分析及设计方案 航空吊放声纳由两部分组成，分别为水上部分和水下部分。水上部分安装在 直升飞机上，水下部分通过吊放电缆投放到海里。工作时直升机低飞至预定点悬 停后，通过电缆将水下分机吊入水中逐点进行探测，然后把探测到的数据传送到 直升机上进行分析处理，最终判断出目标的方位、距离等信息，指导反潜武器的 工作。吊放声纳的主要功能是完成目标检测、参数定位、跟踪识别以及海洋环境 特性的测量。在主动工作方式下，声纳发射机通过发射换能器基阵发射声波，声 波遇到目标后反射形成回波，接收基阵在接收回波的同时还接收混响和环境噪 声。接收阵接收到的信号和传感器信号经过信号预处理分系统处理。主要是放大、 滤波、限幅、采样、格式化编码、调制、收发转换等。然后通过吊缆将处理过的 信号发送给机上的解调单元。解调单元完成信号的解调、频移与再采样等工作。 其后的信号处理机进一步处理信号( 例如：波束形成、频谱分析、脉冲压缩等) ， 将处理的结果送到数据缓冲区或实时送至声频处理板。显控台显示声纳图像，完 成目标获取和参数( 方位、距离、多普勒) 的计算。声纳锁定后的目标参数送给 鱼雷火控系统，提供目标信息。在被动工作方式下，声纳本身不发射信号，目标 辐射的噪声被声纳接收阵接收，其后的信号处理过程基本与主动方式相一致。 3 2 自动测试系统的设计过程 设计开发一个测试系统的设计流程如图3 3 所示，涉及开发过程通常包括以 下几个阶段1 1j ： l 、需求分析 需求分析阶段研究的对象是测试系统的用户要求，只有经过确切描述的需求 爿能成为测试系统设计的基础。 2 、确定设计任务 茸先根据测试系统最终要实现的设计目标，编写设计任务书，明确测试系统 应具有的功能和应达到的目标。 3 、拟定总体设计方案 把测试系统划分为若干个便于实现的功能模块，并分别绘制相应的硬件和软 件工作框图。 4 、硬件电路的设计与调试 先根据测试系统硬件框图按模块分别对单元电路进行电路设计；然后再进行 硬件合成，即将各单元电路按硬件框图组合在一起构成一个完整的整机硬件电路 西北业大学硕士学位论文 第三章测试系统设计理论分析及设计方案 图。在完成电路设计之后，即可进行绘制电路板，然后进行装配与调试。 5 、软件的设计与调试 先分析测试系统对软件的要求，然后在此基础上进行软件总体设计，包括程 序总体结构设计和对程序进行模块化设计。模块化设计即将程序划分为若干个相 对独立的模块，接着画出每个专用模块的详细流程图，再将各模块连接成一个 完整的程序。软件调试也是按模块分别调试，再连接起来进行总调。 6 、整机联调 当硬件、软件分别装配调试合格后，就要对硬件、软件进行联合调试。调试 中可能会遇到各种问题，若属于硬件故障，应修改硬件电路的设计；若属于软件 问题，应修改程序；若属于系统问题，则应对软件、硬件同时进行修改，如此往 复，直至合格为止。 图3 - 3 测试系统的设计过程 3 3 航空声纳自动测试系统设计要求及其方法选择 3 3 1 某型航空声纳a t s 的设计目的和要求 被测试对象某型航空声纳本身是一台功能强大、复杂的系统，我们测试的目 西北一r 业大学硕十学位论文第三章测试系统设计理论分析及设计方案 的是判断被测试对象的工作状态是否完好，因此可以通过查看各分机功能是否能 够完成工作任务来判断其内部板卡级或功能模块的好坏。 采用a t e 技术设计航空声纳自动测试系统是为了达到下述目的： ( 1 ) 高速、高效率的测试。由于声纳测试项目多而复杂，以往的手动检测已 经不能适应，必须采用相应的自动测试系统。 ( 2 ) 快速诊断维护，提高装备的机动性。现代声纳武器装备是十分复杂的 设备，声纳在工作任务前后都需要快速检测与诊断，遇有故障应迅速排除。为达 此目的，没有先进的自动测试系统相配合，是根本不行的。 根据对航空声纳系统综合性能的分析，本课题提出了如下测试要求：通过对 被测对象实施激励信号，采集、记录数据，对采集的数据进行分析计算，生成测 试结果报告的工作流程来完成对声纳设备和各分机的性能、技术参数、激励响应 等的综合性实时检测，判断出声纳设备及其各个分机的工作状态。利用该系统可 以基本评估声纳设备的工作状态和性能变化，保证训练和战斗任务的完成。此外 该系统可以完成对声纳设备整机和各分机的二级维护，是使用单位排故维修的重 要手段。利用该系统可以将故障定位到分机板卡或功能模块级，并由此判断出所 要采取的维修措旌。 结合系统的测试要求，某型航空声纳自动测试系统应实现的功能有：检测系 统与机上设备接口关系；加载全部分机后，可对设备性能进行初步测量，评估设 备工作状态和性能指标；对单个分机进行测量和分析，检测各分机工作状态和性 能指标；进行准确的故障定位，可将故障定位到板卡或功能模块级；测试系统自 身状态显示和功能检测。 3 3 2a t s 的测试方法及测试原理 本系统基本测试方法采用一般逻辑法。测试者在了解声纳各个被测分机内部 结构和特性的基础上，按一定的测试顺序分别执行测试，将故障定位到板卡级或 功能模块，本系统测试方法框图如3 - 4 所示。 图3 - 4 测试系统基本测试方法框图 1 4 西北工业人学硕士学位论文第三章测试系统设计理论分析及设计方案 根据以上框图简单介绍一下基本测试方法：图中a 、b 、c 分别表示航空声 纳设备中工作正常的不同分机，b 1 表示被测试对象即工作不正常且与b 相应的 分机。首先使用双头接线替换原分机a 和b 之间的接线，一头接入b 分机，使 其保持原有的工作状态并为被测试对象提供测试需用的激励信号，另一头则通过 隔离卡接入b 1 分机：其次我们将b l 的响应信号经过前端隔离调理电路后送入数 据采集模块；最后通过主控计算机内部设计的测试软件来完成检测、分析、判别 功能并输出显示对b 。分机的测试结果。 在设计中，我们将故障诊断工作根据硬件的配置在软件中完成，而不需要测 试台操作人员做判断，这样能极大地减轻操作人员的负担，同时也避免了人工操 作和判断可能带来的错误，真正实现测试系统的自动化。在选定了测试方法后， 还需考虑测试的策略。对于本系统的测试，我们采用分部由大到小法( 也称降级 法口l j ) 进行测试。首先将被测试声纳设备按分机分为几个大部分即八个分机，先 对第一个分机进行测试：若通过，则转而测试第二个分机；若第二个分机测试通 过，继而测试下一个分机，依次类推。若在某一个分机测试中发现有故障，则把 该分机再划分为几个较小的分部即分机内部板卡级，根据故障显示，所掌握的各 个板卡内部结构以及所需实现的功能，判断出故障所在的板卡级或是功能模块。 本系统的基本测试原理是暗箱理论i 捌，即在不允许打开被测试设备的情况下 又要了解被测设备内部的奥秘，因而只能通过采集、处理对输入信号产生出的输 出响应来完成对信息的分析，其测试过程示意图如图3 - 5 所示。 输 入 信 号 被 测 试 设 各 输 出 信 号 图3 - 5 测试过程示意图 由上图的测试过程可以看出测试系统要完成以下几步工作：首先向被测试对 象送入测试激励信号，随后在选定的测试点接收被测试对象在相应激励下的响应 信号，根掘激励与响应之间的关系分析并“决策”下一个激励矢量，最后根据激 励序列来确定故障的类型和位置。 根据被测对象特征和诊断的需要，本测试系统初步设置测试点的步骤如下f 2 3 】： 1 、分析被测试单元的功能和性能特点、故障特征和输入、输出关系： 2 、根据u u t 的功能与结构的划分结果，画出功能方框图，清楚表明各方框之间 ls 西北一1 ：业大学硕士学位论文第三章测试系统设计理论分析及设计方案 的输入、输出关系； 3 、在u u t 的对外输出和输入处设置检测用测试点。 3 4 某型航空声纳自动测试系统的总体设计方案 我国航空声纳设备基本上都是早期定型的老设备，对于进行自动测试来说， 最大的不利之处在于设备中各个分机的车间可更换单元s r u ( s h o pr e p l a c e a b l e u n i t ) 级基本上都不具备自检接口。因此根据某型航空声纳测试系统的设计要求 合理地设置测试点，适当地引出少量测试线，将测试线安装在各分机机箱上的插 座内，因而不用增加设备本身的模块数最。通过系统对被测对象施加输入激励信 号，检测其输出响应信号特性，经数据处理后判定被测试对象的工作状态。 本测试系统采用二级测试方式1 2 4 1 。首先，测试系统对现场可更换单元l r u ( 1 i n er e p l a c e a b l eu n i t ) 进行过滤，测试l r u 的所有外部功能，确定该l r u 是否 有问题，如果无故障则直接返回现场备用，如果有故障则进行下一步测试；其次， 通过加入不同的输入激励信号来采集相对应的输出响应信号后由测试系统判断 出导致l r u 出故障的具体板卡或模块，将故障定位到s r u 并用好的s r u 所替 换。这种测试过程不仅可以检测l r u 工作状念的正常与否，而且可以极大地缩 短l r u 维护时间，节约维修费用。值得注意的是在电路设计中要尽量考虑到各 模块之间的接口应具有相互隔离功能，避免电路硬件的损坏对模块功能的影响并 将系统的开发成本尽量降低。 根据前一章中介绍的自动测试系统的基本组成，结合某型航空声纳设备结构 特点和总体设计目的、要求以及测试方法给出了如图3 - 6 所示的某型航空声纳自 动测试系统的结构框图及其工作流程图如3 7 所示。 图3 - 6 某型航空声纳自动调试系统结构框图 1 6 西北： 业大学硕士学位论文第二章测试系统设计理论分析及设计方案 本系统由综合信息显示、键盘和鼠标( 人机接口) 、数据记录和打印、b i t e 系统自检、中央处理器、串口转p c i 转接卡、p c i 数据转接卡和信号匹配电路这 几部分组成。在实际的工作中，各个部分首先分别实现自身的功能，然后根据不 同的测试任务采集响应信号，再经过对信号的一系列处理分析，最后输出判断的 结果。下面简单介绍一下各部分主要的功能： 综合信息显示功能：主要用来显示测试系统自身状态信息、系统测试状态、 对被测试对象的测试结果。 键盘和鼠标( 人机接口) 功能：与显示器一起构成良好的人机界面，用以完 成测试命令信息的输入。 数据记录和打印功能：用于记录和打印系统测试结果。 b i t e 系统自检功能：完成系统自检并给出系统状态说明。 中央处理器：完成全部信息处理，控制各适配分机，向各适配分机传送命令， 控制并处理键盘、鼠标、显示器等部分的数据信息。 串口转p c i 转接卡：完成将串行数据转换为p c i 总线传输数据的格式化、编 码，并实现与后端设各的接口。 p c i 数据转接卡：完成p c i 总线传输数据的格式化、编码，并实现与后端设 备的接口。 信号匹配电路模块：用来完成各适配分机与主处理器的信号匹配和交联。 喀 p 兰兰 一。一 意ir i 磊翮 嘉岳 葫翮 图3 7 测试系统工作流程图 1 7 村北工业大学硕士学位论文第三章测试系统设计理论分析及设计方案 本系统的测试工作主要分为硬件工作过程和软件工作过程。在硬件工作部分 中系统主要完成对被测试设备响应信号进行采集、转换后传送给计算机进行处 理；在软件工作部分中系统主要完成对采集到的信号进行处理、分析并给出测试 结果。所涉及到的系统软硬件部分的设计方案将分别在后两章中作出详细说明。 3 5 测试系统设计可行性分析 某型航空声纳自动测试系统设计可行性分析主要从技术性、经济性、稳定性 和操作性四个方面进行： l 、技术可行性 a t e 技术：a t e 是利用计算机技术控制测试过程的测试设备，它有着自己 的操作系统，以实现内部事务的管理，如自测试、自校准等，跟踪预防维护需求 及测试过程排序，并存储和检索相应的技术手册内容。 p c i 总线：在航空声纳自动测试系统的硬件设计上，本系统采用p c i 总线 接口。p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线是近年来在工作站和个人微 机中得到广泛使用的先进的微型计算机总线。它将外围部件直接与微处理器互 连，从而提高了数据的传输速度。由于p c i 总线具有众多的优点，工业界已把它 广泛引入在测量和工业自动化控制的应用领域内。 l a b v i e w 编程语言：为实现测试软件标准化、模块化和图形化的编程方 式，本系统选用w i n d o w s 操作系统，软件开发平台采用l a b v i e w 编程语言。 l a b v i e w 是一种集数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示功能于一身，专 门为测量和自动化应用设计的图形化开发环境。使用者无需使用复杂的传统开发 环境即可享用强大的编程语言带来的灵活性，在同一环境下就可以使用广泛的采 集、分析和显示功能。 2 、经济可行性 据统计，采用先进的自动测试系统，能够使武器装备的维修测试效率提高 1 0 倍以上，故障隔离效率提高3 0 之多，并可在其全寿命周期内节省2 0 以上的 测试维修保障费用。因此自动测试系统已成为提高现代化武器装备战斗力和综合 测试保障能力的“高效率武器” 2 s i 。 3 、稳定可行性 本系统是以保持原有声纳系统的完整性为基础的思想上进行设计开发的。在 设计中尽量采用原有系统的设计电路对测试信号进行采集接收，这样就不用对原 两北工业大学硕士学位论文第三章测试系统设计理论分析及设计方案 设备进行改装，只需根据原有的通讯协议提供对系统进行检测所需的信号量即 可，故本系统具有良好的稳定性和可