面向通用开发平台的操雷系统等效模拟及实时监控装置

李　伟，邓　鹏，汪洪升

（1. 海军潜艇学院 导弹兵器系， 山东 青岛， 266042； 2. 中国人民解放军92196部队， 山东 青岛， 266012）

面向通用开发平台的操雷系统等效模拟及实时监控装置

李伟1，邓鹏1，汪洪升2

（1. 海军潜艇学院 导弹兵器系， 山东 青岛， 266042； 2. 中国人民解放军92196部队， 山东 青岛， 266012）

针对通用化操雷系统的使用需求， 开发了操雷系统等效模拟及实时监控装置， 阐述了其系统组成及工作流程， 基于可扩展通用开发平台的设计思路， 从Visual Basic（VB）的技术特点及运用、嵌入式工控机技术、基于DTE3216和USB20D的多通道高速数据采集技术以及操作界面和软件流程设计等方面阐述了技术对策及实现方法。这一装置可替代实际操雷系统参与鱼雷检测调试， 实现状态在线监控， 减少装备损耗， 提高工作效率。

操雷系统； 等效模拟； 实时监控； 通用平台

0　引言

在鱼雷的教学、训练和维修中， 需要经常使用操雷系统， 进行系统调试和全雷联调。目前，各型操雷系统不能通用， 操作方法各异， 使用效率较低， 给使用方的学习和掌握带来不便。

在鱼雷技术准备中， 需要记录调试过程中的很多重要参数， 以便分析鱼雷的技术状态， 判断鱼雷是否工作正常。有些型号采用记录后数据回放的方式， 需要在整个鱼雷检测过程结束后卸下记录微机， 与专门的设备连接后导出数据进行分析。这样， 在鱼雷调试过程中， 难以实时了解鱼雷的工作参数并快速做出技术判断。另外， 在操雷技术准备现场教学中， 需要将检测过程中的重要参数和关键节点同步直观显示出来， 一旦出现异常或误操， 能够立即提示告警， 便于分析解决。虽然有些新型操雷能够进行实时数据的传送和显示， 但由于其显示界面过于工程化， 从培训要求看还不够直观形象。

基于上述需求， 提出面向通用开发平台的操雷系统等效模拟及实时监控装置的技术设想， 替代实际操雷系统参与鱼雷检测调试， 实现状态在线监控， 减少装备损耗， 提高工作效率。

1　功能组成及工作流程

操雷系统等效模拟及实时监控装置主要由上位机、下位机、系统专用软件和可扩展标准机柜等组成， 可以等效模拟实际操雷系统的电路及工作特性（含负载、通路、激励、响应及接口等）， 完成系统调试（段调）和全雷联调， 并实现检测调试的实时在线监控。

上位机采用研华工控机， 基于Visual Basic （VB）6.0平台进行软件开发， 通过数据采集板、USB接口电路实现与下位机的高速通信（包括指令控制和信息反馈）， 原理见图1。

图1　操雷系统等效模拟及实时监控装置（上位机）原理框图Fig. 1　Block diagram of equivalent simulation and realtime monitoring device（upper computer） for torpedo exercise system

下位机（即操雷系统等效模拟器）由监控电路、电源电路、模拟压力（水深）电路、控制电路、信号转接处理电路、模拟雷位指示器1（信号弹示位）、模拟雷位指示器2（无线电或北斗示位）、模拟沉雷指示器（音响示位）、内测记录及现放/回放电路、深度传感器电路、专用电缆及信号电缆、总体结构等组成。对外接口设有前端专用连接器、后端专用连接器、检查端口、回放端口等。

下位机组成原理框图见图2。雷上控制系统正常停车、超浅信号、超深信号、深度信号和由全雷电路提供的控制停车、供电异常等信号作为外中断送入下位机控制电路， 中断模块对中断信号进行处理和优先级排队后送入CPU， CPU响应中断后， 分别执行不同的停车流程， 停车流程中各种指令的发出及时序， 都要以当前模拟航行深度为前提。上位机发出的深度信号通过下位机模拟压力电路处理后， 输出信号与超浅、超深等门限信号进行比对判断， 从而发出相应的指令。CPU发出的停车、操舵及各种雷位指示指令经过驱动电路后， 输出相应电压信号， 经信号转接处理电路执行停车、操舵、启动雷位指示等流程。

下位机的工作参数和状态节点， 通过USB总线同步传送到上位机， 便于实时监控和处置； 同时， 控制电路的深度采样模块和数据存储器完成模拟航深的采样和记录， 记录各种停车信号、动作信号以及发生时间， 为故障分析提供依据。

图2　操雷系统等效模拟及实时监控装置（下位机）原理框图Fig. 2　Block diagram of equivalent simulation and realtime monitoring device（lower computer） for torpedo exercise system

2　开发平台及技术应用

通过对国内比较有代表性的几种开发技术进行了研究和比较［1-2］， 并结合通用操雷系统的功能需求和使用特点， 力图找到技术可行、性能可靠、易于操作的实现方法。

2.1VB的技术特点及运用

实时监控的显示操作界面是整个上位机的设计核心， 控制和管理整个系统。通过划分相应的功能模块， 实现模块化设计， 使系统软件易于调试、维护和升级。

界面设计使用VB6.0程序设计语言。VB 6.0是基于Basic的可视化程序设计语言， 具有简单易用的特点， 在其编程系统中采用了面向对象、事件驱动的编程机制， 把Windows的编程复杂性封装起来， 提供了一种所见即所得的可视化程序设计方法。

由于VB6.0具有支持多种数据库系统的访问和支持动态数据交换（dynamic data exchange，DDE）、动态链接库（dynamic link library， DLL）和对象的链接与嵌入（object linking and embeding，OLE）功能， 因此， 其作为一种面向对象的可视化编程工具， 越来越多地用作数据库应用程序的前端开发工具。

2.2基于通用平台的上位机选型及开发

上位机采用功能较为先进的研华酷睿双核嵌入式工控机ARK-3420［3］， 该产品支持Intel Core2 Duo处理器并且拥有内置Intel GME965芯片组，具有功能强大的处理器和显示性能， 能够满足本项目开发的多种应用， 包括图像处理、监控系统、交互系统、自动化以及嵌入式控制应用等。

该装置在“通用开发平台”设计中充分运用了ARK-3420的以下功能：

1） 丰富的I/O扩展接口， 可以选择5种扩展插槽和6个USB接口；

2） 6个可编程功能键， 经过编程可实现管理升级、联网、维护、显示和报告功能；

3） 支持9～34 V的宽范围直流电源（direct current， DC）输入， 满足操雷测试的不同电源环境；

4） 支持2个2.5英寸SATA HDD（HardDisk-Drive）（超大容量）和1个CF（Compact Flash）卡， 提供充裕的可扩展存储空间；

5） 支持宽屏高分辨率双显示， 特别适用于教学中操作者和受训者的同步观察和互动分析；

6） 防护等级IP40， 抗冲击、抗震动和防尘性良好， 适应不同的操雷测试环境。

2.3多通道高速数据采集及通信技术

该装置采用DTE3216多通道高速数据采集板［4］， 结合先进的现场可编程门阵列（field-programmable gate array， FPGA）和USB2.0接口技术， 能够进行100 kHz的连续数据采集， 并对采集数据快速存储和读取。

USB20D是专门开发的通用接口模块［5］， 它隐藏了通过USB总线进行数据传输所需的繁琐技术细节。应用程序通过调用模块提供的函数，可以把相应的功能转变成模块硬件接口上的一系列脉冲和电平， 发送到外围逻辑， 进行指定的数据传输， 从而简化USB设备的研发工作。

数据采集电路功能单元组成如图3所示。其中： 前端信号调理单元用于下位机32路模拟量输入信号的阻抗匹配及滤波处理； 多选器由2个16通道的32路选择器组成， 其输出进入程控放大单元； 程控放大器单元由FPGA控制动态实现1～16倍的放大； A/D转换单元完成16位100 kHz模数转化， 采取FPGA控制方式； D/A转换单元完成12 bit数模转化及信号输出调理。

图3　采集板的组成单元及布局图Fig. 3　Component units and layout of data collectionboard

该项目搭建的操雷模拟系统通用开发平台，可以实现全雷参数的256个通道自动组合扫描、鱼雷各系统不同信号的高精度模数（A/D）转换、现场硬件可编程逻辑、全雷海量数据的缓存、大容量静态随机存取存储器（static random access memory， SRAM）的先进先出（first in first out， FIFO）功能以及高级语言（VB/VC/Delphi）的实时控制。

USB20D高速模块完成外围器件互联（peripheral component interconnect， PCI）到USB的总线制式转换， 实现数据采集板采集数据的打包传送及工控机模拟的压力信号实时传递。通过动态链接库调用接口函数实现数据通信， 完成系统工作的节点控制。

3　软硬件构建及设计

综合运用电子传感技术、负载模拟技术、工控机技术和信号传输技术等， 进行软硬件开发。

3.1下位机电路

下位机即操雷系统模拟器， 其各电路模块直接安装在插入式标准机箱内。由于标准机箱空间狭小， 各功能模块尽量小型化。

1） 电源电路

电源电路选用集成一体化线性电源模块， 通过外围控制， 输入220 V交流电， 按控制电路时序要求， 依次提供6路输出电压： 2路12 V、1路15 V、1路30 V、1路5～5.5 V。

2） 压力模拟电路

模拟压力电路由1个15 V电源供电， 采用2路精密电压控制， 分别模拟浅水和深水传感器的直流输出， 形成0～5 V标准电压。

3） 控制电路

控制电路主要由集成芯片、定时电路、中断模块、多通道深度采样模块、停车控制电路、操舵电路及雷位指示驱动电路等组成。

4） 信号转接处理电路

由隔离电路板、输入输出电路、电平转换电路及检查插座和电缆等组成。

5） 模拟雷位指示器电路

模拟雷位指示器1（信号弹）和模拟雷位指示器2（无线电信标）由印制板、连接器、控制模块组成， 通过发光二极管指示运行状态。

6） 模拟沉雷指示器

模拟沉雷指示器设计有振荡电路、开关电路、功放电路和换能器， 当收到启动信号后， 振荡电路产生具有正弦脉冲信号， 输出人耳能听到的发射声音。

7） 数据记录及传输电路

该电路由记录模块、信号适配组件及专用电缆组成。记录模块负责对雷上需测信号的采集、记录和存储； 信号适配组件为记录装置和其他系统之间的接口， 负责将被测信号进行转换和匹配。

3.2操作界面及软件流程

软件设计包括构成操作界面和达成网络通信协议。根据装置运行要求， 系统软件需在超深、超浅、超安全等不同设置下， 完成操雷和控制压力计的模拟压力信号输出［6］、数据信号的类型判断及时序输出。全系统的软件功能模块如图4所示。

各模块实现的功能如下。

1） 系统登录： 实现授权用户的登录。

图4　软件系统功能模块设计Fig. 4　Design of function modules in software

2） 雷型选择： 选择需要测试的操雷型号。开放平台为各型操雷系统留有接口模块， 可以实现硬件的扩展搭建和软件的快速开发。

3） 测试单元： 完成适时监控的参数设置和等效模拟的功能测试， 测试单元模块又分为测试参数设置、压力信号输出、信号通道检测、信号时序显示和可扩展接口等单元。

上位机操作界面的参数设置模块见图5， 可通过界面左侧“参数设置”区域对超深、超浅、超安全、航行时间等参数进行设置， 并通过数据采集板输入输出（input/output， IO）口将参数信息传递给下位机； 操雷和控制2路模拟压力计的输出可以通过调整图5中对应的上、下（“加”、“减”）按钮键来调整数值大小， 随着压力计数值的变化，图中压力计对应曲线发生变化， 同时数据采集板D/A口输出相应的电压值； 信号通道检测与信号时序检测配合使用， 将实时采集到的操雷启动、异常、停车及内测等所有信号类型和时序显示在相应的窗体中， 并将测试结果以红、黄、绿状态灯显示。

图5　参数设置及调节界面Fig. 5　Interface of parameter setting and adjustment

系统软件主要完成2方面的任务［5］： 与数据采集板进行通信， 以获得测试数据； 将参数设置与模拟压力计的信号发送给数据采集板及下位机。系统软件在同一界面进行开发， 通过“信号清零”实现系统变量的初始化， 同时将模拟操雷压力计和模拟控制压力计清零。压力计数值的变化反映鱼雷航深的变化， 系统工作时模拟和监控鱼雷实际航行中的各种可能情况。软件工作流程见图6。

图6　系统软件流程图Fig. 6　Flow chart of system software

3.3技术难点及解决方法

1） 研制的等效模拟及监控装置接入鱼雷后，必须与其前部的头段、其后部的中后段以及与总体检查台等实装设备完全适配， 包括电器接口、通信协议和负载特性等， 上位机（工控机）的信号采集和指令控制不能影响原来的全雷技术准备流程和信号传输关系。

在样机试验中， 全雷联调中出现过异常报警情况， 显示各种错误信息。经研究分析， 应该是模拟传感器电路带载能力不够（与实际传感器相比）， 接入全雷电路后电压下降太多， 不能满足实装检测台的判据条件， 出现错报。在后期改进中，增加了专门的功率放大电路， 提高带载能力， 解决了这一问题。

2） 鱼雷原有的操雷段检测台工作过程中存在较强静电， 开发中重点解决电磁兼容问题， 使得该装置能够抑制操雷段检测台的电磁干扰， 保证正常工作。设计中， 除了采用光电隔离、射级跟随等技术， 还专门设计了隔离继电器板， 通过自动触点断开措施将可能的互扰进行物理隔离。

4　结束语

为了能够更好的满足操雷系统在实际使用中的各种需求， 文中构建了一种可覆盖多型操雷系统的通用化开放式模拟测试平台， 其具有功能全面， 扩展性强的特点。基于FPGA和USB2.0的多通道高速信号采集和数据打包快送技术， 实现了鱼雷工作状态的外测同步显示和实时监控， 对鱼雷航深（水压）的数字化模拟和高精度控制起到很好效果， 可以简化鱼雷技术准备操作内容。

［1］杨小瑞， 张盛兵， 王党辉. 基于FPGA的DSP总线实时监控系统设计［J］. 计算机测量与控制， 2009， 17（6）：1116-1117.

Yang Xiao-rui， Zhang Sheng-bing， Wang Dang-hui. Design of DSP Bus Real-time Monitoring System Based on FPGA［J］. Computer Measuremeng&Concrol， 2009，17（6）： 1116-1117.

［2］乔立岩， 吴江伟， 徐红伟. 数据采集卡USB2.0接口设计［J］. 电子测量技术， 2010， 33（1）： 57-60.

Qiao Li-yan， Wu Jiang-wei， Xu Hong-wei. Designs of USB2.0 Interface of Data Acquisition Card［J］. Electronic Measurement Technology， 2010， 33（1）： 57-60.

［3］Advantech Co.， Ltd. ARK-3420 Compact Embedded IPC User Manual［M］. Taiwan： Advantech Co.， Ltd， 2011.

［4］西安达泰电子有限责任公司. 32通道16位A/D实时连续USB2.0接口采集板［EB/OL］. ［2015-03-06］http：//www. Pc 01.cn/shop/Shop044/u217111/products_show_498739.html.

［5］柯艳， 李杰， 孔祥雷， 等. 基于USB2.0的多路数据采集系统上位机软件设计［J］. 测试技术学报， 2010， 24（4）：351-354.

Ke Yan， Li Jie， Kong Xiang-lei， et al. Software Design of Host Computer of Multi-channel Data Acquisition System Based on USB2.0［J］. Journal of Test and Measurement Technology， 2010， 24（4）： 351-354.

［6］赵钰， 高天柱， 陈静， 等. 基于数字PID控制的鱼雷深度模拟系统研究［J］. 鱼雷技术， 2014， 22（6）： 461-464.

Zhao yu， Gao tian-zhu， Chen jing， et al. A Digital PID Control System for Torpedo Depth Simulator［J］. Torpedo Technology， 2014， 22（6）： 461-464.

（责任编辑： 许妍）

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.

李伟（1967-）， 男， 副教授， 博士， 研究方向为潜用武器作战使用及保障.