艦載聲納發射機參數測試系統的設計與實現

盛成明

(702廠，上海 200434)

聲納發射機參數的測試對于主動聲納的維修具有重要的意義，比較傳統的方法是用示波器、頻率計從每路等效負載上多次取出所需測試的信號，這樣對多路發射的系統中方法需要較長時間才能完成測試，不利于應急搶修。針對上述存在的問題，結合聲納發射機的特點，采用人工智能、計算機控制等多項技術，研制發射機參數測試系統是十分必要和急需的。這套系統的研制成功，能為聲納發射機參數測試提供一種便捷的手段，對高等級修理后的聲納發射機參數進行測試評估尤為實用。

1 設計需求分析

根據某型聲納發射機及相應的換能器結構特點，設計了發射等效負載器，主要作為聲納發射機的主動測距發射換能器的等效體，在維護使用時，可等效為聲納36路收發一體負載。在測試時，能從負載上取出所需測試的信號，實現發射機的各通道功率、脈沖電壓峰峰值、載波頻率、調制脈沖寬度和周期等參數的測試，各種參數采用大屏幕液晶顯示。

2 硬件系統設計

硬件由等效負載、開關陣列、測控單元和顯示組成。等效負載在裝備維護使用時，可等效某型聲納36路收發一體負載。開關陣列組合由單片機控制，可分別選擇不同通道進入測量電路。測控單元完成測量數據的采集、處理、計算、判斷、存儲和顯示，其核心部分是測控電路。

在硬件選型和設計上，盡量采用成熟的技術，從實用出發。總體框圖如圖1所示。

聲納發射機脈沖調制信號作為輸入信號，加到測試系統的等效負載上，使得聲納工作正常，信號從負載上取出。由于負載上的信號幅度很大，因此，首先要進行電平變換，電平變換后加入開關陣列組合，開關陣列組合由單片機控制，分別選擇不同通道進入測量電路，測量電路有峰值電壓采樣保持、脈沖整形和測量電路。為保持電路穩定性，電路中采用了光電隔離，由于電壓信號變成了脈沖形式，所以，光電隔離不影響脈寬、頻率測量精度。

設備的控制測量主要由89C52單片機作為控制機，并將測量結果計算、判斷、存儲和顯示。

1)電平變換電路。

該電路主要完成當某型聲納工作時，對從等效負載上取出的36路脈沖調制信號進行電平變換。36路脈沖調制信號相同，設計中測量電路最大輸入電壓為10 V，由于負載上的信號幅度很大，信號峰值電壓最大可達450 V，因此，首先對信號進行幅度變換，裝備的等效負載為127 Ω/200 W。幅度變換后的信號輸出進行信號變換。

2)脈沖調制信號峰值電壓測量。

峰值采樣電路輸入脈沖調制信號，經分壓和半波檢波后，送至選用AD582的高精度采樣保持電路，比較器由1 MΩ和100 Ω電阻引入了少量的正反饋，以防止其輸出在臨界點的抖動。采樣保持電路輸出數值為脈沖峰值，輸出到V/F模數轉換電路，V/F模數轉換電路選用LM331精密電壓—頻率轉換器。

LM331精密電壓—頻率轉換器輸出是頻率與所加輸入電壓嚴格成正比的一串脈沖。LM331采用新的溫度補償帶隙基準電路，能在電源電壓低達4.0 V的情況下在整個工作溫度范圍內提供極高精度。內部有精密定時器電路，能達到100kHz轉換速度。其輸出能驅動3個TTL負載或者輸出高達40 V的高電壓，同時有VCC的短路保護。

3)脈沖頻率測量。

脈沖頻率測量不同于連續波頻率測量，必須選擇在有效的脈沖周期內完成測量。為測量準確頻率周期，首先對脈沖調制信號進行整形。為保證大小信號都能完整整形，輸入采用限流電阻，保證大信號不損壞放大管。由于載波頻率高，所以電路中光耦合電路選用高頻響應器件6N137。

整形后波形輸出經開關選擇器加到精密計數電路，為保證精度選用8254計數電路。

8254的工作方式設置為硬件觸發選通方式，選擇16位計數器。在觸發輸入信號的上升沿之后，計數器開始計數。在任何觸發輸入信號的上升沿之后，計數器重新開始計數。計數頻率10MHz，此信號由一組非門和10MHz晶振組成振蕩電路，加到8254時鐘輸入CLK端，計算獲得頻率。

4)脈沖寬度和脈沖周期測量。

調制脈沖信號經緩沖，進行包絡檢波，再經整形，輸出到單片機P3.4腳，單片機采用中斷方式檢測P3.4腳電平變化時間，即可獲得脈沖寬度和脈沖周期。

5)電源。

電源采用集成一體化電源，性能穩定，有過流保護。輸入220 V/50 Hz電源，可同時提供+5 V/4 A、+12 V/2.5 A、3路 ±15 V/0.2 A 電源，分別供測試電路數字部分、測試電路數字繼電器陣列部分及風扇1、2、3，測試電路模擬部分、調制信號發生器，1路作為備用。

3 軟件系統設計

軟件設計上使測試系統本身具有自檢、測試和維護功能，能顯示測試結果和故障點，開機時畫面顯示使用說明，測試畫面有操作提示，具有良好的人機交互界面。軟件結構有主程序、自檢程序、維護程序、測試程序 (見圖2)。

主程序提供系統的初始化及友好的操作界面，用于管理整個測試系統執行測試任務。自檢程序用于檢測系統是否正常及在系統運行時對硬件和軟件進行監控。維護程序用于對第1通道至第36通道的測試。測試程序根據設定對采集到的數據進行計算、判斷、存儲和顯示。

4 結語

聲納發射機參數測試系統的成功開發，為發射機修理保障提供了一種有效的保障手段，解決了修理廠和部隊的使用急需，具有較好的軍事經濟效益。雖然，參數測試系統是針對某型聲納發射機，但其技術實現不失一般性，可推廣應用到其它型號聲納發射機參數測試。

［1］王玉泉.水聲設備［M］.哈爾濱:哈爾濱船舶工程學院出版社，1993.

［2］李啟虎.數字式聲納設計原理［M］.安徽:安徽教育出版社，1990.

［3］雷伏容.51單片機常用模塊設計查詢手冊 ［M］.北京:清華大學出版社，2010.

［4］周明德.微型計算機系統原理和應用［M］.北京:清華大學出版社，2009.