水声探测器测试系统设计与实现

赵 昕，白志科，朱 健

(西安精密机械研究所，西安 710075)

0 引言

近些年，水声探测有针对体积小、动态、活动海域广的目标需求，这样带来了探测时间短、目标回波信号强度明显下降，海平面反射信号等情况更为复杂，以上情况使得水声探测难度加大，最终导致水声探测器的接收机组件、数字机组件、发射机组件在性能和功能上均需要大幅提升，从而整个水声探测器的复杂度有了明显增加，此时再利用标准台式仪器对其进行测试，需要使用中高端的示波器，信号源，经核算所需以上仪器总成本高昂，同时在测试的过程中，由于测试的项目众多，指标分析更深入，操作繁琐，检测周期过长。

针对上述问题，文章利用虚拟仪器技术开发了一套自动化测试系统，系统硬件由基于PXIe总线的机箱、零槽、采集卡、CAN卡、多路复用开关、单刀双掷开关、以及衰减器和适配箱组成，上位机测试软件利用Labwindows/CVI[1-2]开发，其中引入了自功率谱函数，实现了对信号幅度和频率的快捷计算；利用Database Editor机制回避了用代码创建CAN会话句柄的繁琐方式，以及采用stream模式，提高了CAN帧数据接收效率；采用多线程结合通道触发的方法，实现了对短调制脉冲信号准确测试；通过以上设计开发，很理想的完成了水声探测器的自动化测试。

1 系统原理设计

水声探测器测试系统主要是对接收机组件,数字机组件,发射机组件进行测试,它需要D/A、A/D、DI/O、多路复用开关，单刀双掷开关，CAN通信接口，衰减器等功能设备，原理框图如图1所示。

图1 水声探测器测试系统原理

D/A设备一方面用于模拟目标回波信号，产生不同频率、不同幅度、不同回波延时和不同脉宽的目标反射回波，另一方面模拟不同频率和不同幅度的目标辐射噪声，经衰减后分别输出给接收机组件的输入通道；CAN通信设备用于收发命令数据，模拟水下航行体中探测与各个系统之间的信息交互；DI/O设备主要采集数字机组件输出的指示信号，以及输出数字控制信号作为接收机的数字激励信号；A/D设备用于采集接收机组件输出的输出信号、数字机组件输出的指示信号、XOUT信号、混频信号、发射机组件输出的发射信号；多路复用开关用于切换被采集的通道；单刀双掷开关实现控制两种电源供电。

2 系统硬件设计

在硬件设计方面,主要是选用机箱、零槽、采集卡、CAN卡、多路复用开关卡、单刀双掷开关卡。目前PXIe总线相比PXI总线在传输带宽和兼容性方面具有明显优势，因此以上均选用基于PXIe总线的设备。采集卡的选择主要是依据：生成模拟信号的频率范围、幅度范围、输出通道数；被采集模拟信号的频率范围、幅度范围、采集通道数、采样率、采样精度；数字信号输入输出的通道数以及是否需要同步采集。本设计采用了2块4个差分采集通道、16 bit分辨率、单通道最高4 MS/s、输入量程±10 V、24通道DI/O、可支持56 MB板载存储器的采集卡。在CAN卡方面，按照标准配置即可,因此选用了1块1 M bit/s的CAN接口卡。在多路复用开关方面，因为处理的是微弱信号，要求多路复用开关具有尽量低的阻抗，另外参考每个采集通道要切换的被测通道数，选择了具有24x1 线制多路复用，完整通路阻抗<1 Ω的多路复用卡。在单刀双掷开关卡方面，由于需要能支持40 V供电，以及需要为3个组件和整个装置供电，采用了独立4路且最高120 VDC，120 VAC的单刀双掷开关。在机箱零槽方面，根据选用的板卡数量及考虑后期的可扩展性，选择了8槽机箱；根据处理速度和存储需求，采用了具有2.3 GHz双核Intel Core i7-3610QE处理器、8 GB (2×4 GB) DDR31600 MHz RAM、1 TB的嵌入式零槽。

由于生成模拟信号的板卡最小输出信号幅度为5.64 mVpp，不满足激励的要求，所以需要对输出信号进行衰减，这里采用了常用的π型电阻衰减网络对信号进行分压衰减，同时衰减器要与探测器具有相同的检测通道，各通道的衰减系数相同。另外设计了信号适配箱,目地是将测试系统中各板卡的接线端子集成为电缆，便于测试系统与探测器的连接；同时可将模拟负载集成在内,方便管理。

3 系统软件设计

水声探测器的测试软件设计是分别对接收机组件、数字机组件、发射机组件进行设计，利用labwindows/CVI平台完成开发。

3.1 接收机组件测试软件设计

接收机测试软件流程如图2所示，根据模拟回波参数,编辑模拟回波数据，对接收机组建上的增益用控制码进行设定，并加载混频信号进行模拟回波信号调制[3]，前期工作准备好后，闭合第一通道开关，加载模拟回波信号，采集接收机输出信号，在计算信号幅度和频率方面，由于自功率谱函数[4]，可同时直接得到所有信号幅度的有效值以及频谱上的频率间隔，因有用信号幅度有效值最大，所以只要再利用寻找最值函数,便可得到有用信号幅度有效值及其在所有信号中的序号，序号乘以频率间隔既是频率，因此采用自功率谱函数，来计算输出信号幅度和频率参数比较简便，测完一个通道后,切换多路复用开关，直到接收机输出通道全部测完为止。

图2 接收机组件测试软件流程

3.2 数字机组件测试软件设计

数字机组件测试软件流程与接收机组件测试软件流程一致，只是加载的激励信号为接收机输出信号和激励命令，测试的信号是XOUT信号，指示信号、混频信号，发射输入信号，然后计算出各信号的幅度的峰值和频率，对于模拟信号的输出，开关切换，模拟信号采集及计算与上节编程思路一致，不再做赘述，对于激励命令输出是通过CAN[6-7]接口卡来实现。

在CAN通信前，需要创建CAN会话句柄[8]，传统的创建首先要用nxdbOpenDatabase函数创建Database标识符，然后将其传给nxdbCreatObject函数创建Cluster标识符，再将Cluster标识符传给nxdbCreatObject创建CAN Frame标识符，最后还要调用nxdbSetPropertyp函数配置CAN帧格式、帧ID、数据段长度，这些完成后，才能调用nxCreateSession函数来创建CAN会话，因此这种用代码编写创建相对麻烦，为了简化创建过程，应用了Database Edior的方法，具体实现方法是: 利用Database Editor创建一个Database文件，然后直接利用菜单按钮继续创建Cluster和CAN Frame，便得到了图3所示界面，CAN帧格式、帧ID、数据段长度等参数可直接配置，配置完成后，点击保存该文件，创建CAN会话时，直接将该文件名赋给nxCreateSession函数，便可得到CAN会话句柄。

图3 Database Editor创建CAN会话句柄

在CAN通信时，采用了stream模式。因Stream模式不是只读最近时刻且希望获取类型的CAN帧，它不检测总线上是什么类型的CAN帧，只检测总线上在某一时刻所有的CAN帧，然后一次性取回，后期用户再根据自身需求处理各类CAN帧，由于本测试系统模拟水下航行体中探测与各个系统之间的信息交互，所以对各系统发来的CAN帧数据都关心，这样采用stream模式，减少读取次数，提高了接收效率。具体实现方法是:在nxCreateSession函数中设置成nxMode_FrameInStream模式，并将帧类型参数设置为NULL，按照CAN协议设置一个结构体类型struct can_frame，其成员包括：时间戳、ID、帧类型、标志位、状态信息、数据段长度，数据缓冲区。开辟一个该类型的结构体数组，将创建的CAN会话句柄，结构体数组首地址赋给nxReadFrame，调用此函数进行数据读取。

3.3 发射机组件测试软件设计

发射机组件测试主要是检测负载箱输出，由于此输出为一段短调制脉冲信号，激励信号加载后，立即输出，然后结束。为了能够准确测试此信号的参数，需要在调制脉冲信号内采集一段小于该信号脉宽的数据，所以将采集状态用线程的方式先启动起来，并当信号输出时，再触发采集，即通道触发采集[9]。发射机组件激励信号为方波信号，因为负载箱输出有固定的判断正常与否的标准，所以计算出负载箱输出信号的频率和幅度与判据比较，得出信号输出正常与否。软件设计流程如图4所示。

图4 发射机组件测试软件流程图

利用DAQmxCfgAnlgEdgeStartTrig函数配置通道触发，将其触发源参数设置成本通道，触发沿参数设置成上升沿，触发电平根据输出幅度范围设置，这样通道有信号并超过触发电平便开始采集。利用CmtScheduleThreadPoolFunction函数创建线程，然后定义一个函数，由此函数完成具体操作，将该函数的指针赋给CmtScheduleThreadPoolFunction函数的参数，因此要将DAQmxReadAnalogF64函数和计算输出信号的频率和幅度置于自定义的函数中。对于多线程编程[10]，线程管理需考虑全面，在整个发射机组件检测完毕后，需要关闭线程，释放相关资源，但有时操作异常，也导致程序即将退出，因此要在启动线程后设置线程启动标识，测试程序结束前，如果判断出线程真实启动，再进行线程关闭，首先需要调用CmtWaitForThreadPoolFunctionCompletion函数等待线程结束，然后调用函数CmtReleaseThreadPoolFunctionID将线程关闭。

4 测试验证与分析

将各板卡的接线盒附件安装到板卡上，板卡另一端用电缆将信号引出，接到适配箱后面板上，将电源也连接到后面板上，前面板通过电缆与水声探测器相连，运行上位机测试软件，测试软件由接收机检查、数字机检查，发射机检查3部分组成，每部分有配置区域和显示区域，显示通过表格形式完成，在水声探测增加了图形显示。配置区域有测试手自一体功能，在接收机测试和发射机测试中，手动是各通道单独测试，自动是各通道一次测完，对于数字机测试，手动是针对单项输出信号测试，自动是所有项输出信号测试，另外配置成自动模式，配置区及其他各项检测为不可操作模式，防止错误操作。将各组件测试配置成自动，分别点击接收机按钮、自动按钮，负载箱输出按钮，便完成了水声探测器各项指标的测试。

对以上测试进行分析，利用文章提出的设计方案及开发方法，能够精准地实现水声探测器所有指标测试，同时大幅缩短了测试周期，从过去需要近50分钟下降到仅需几分钟；测试操作得到简化了，并且具有误操作防止功能；测试结果显示更加直观，并更方便比较各通道的性能指标情况；后期在外场工作中，温度、湿度等环境因素变化的情况下，多次利用本测试系统对水声探测器进行测试，测试系统功能良好，运行可靠，无故障发生。工程应用效果相比基于传统的标准台式仪器明显更具优势。

5 结束语

应用虚拟仪器技术，开发了一套自动化测试系统，实现了高效且快捷地对水声探测器的测试，本文引入了自功率谱函数实现信号频率和幅度快速计算，在CAN通信开发方面；提出了应用Database Editor机制，简化了CAN会话句柄的创建过程，采用了Stream读取模式，提升了CAN数据接收效率；为了能够准确测试短调制脉冲信号，提出了多线程结合通道触发的方法；同时涵盖了模拟信号激励和采集、数字信号激励和采集、各类开关切换等测试测量领域里常用功能单元设计，为利用Labwindows/CVI开发自动化测试系统提供了有价值的参考。