水下航行體船載發控裝置設計與實現

田 立

（昆明船舶設備試驗研究中心，昆明65000）

水下航行體船載發控裝置設計與實現

田 立

（昆明船舶設備試驗研究中心，昆明65000）

介紹了基于GPS技術的某型水下航行體船載發控裝置的硬件構成及軟件設計方法，解決了傳統方式下使用船載電羅經預熱時間長、信號抗干擾能力差等問題，同時為了提高發控裝置的測試性能、可靠性，提出適用于水下航行體船載發控裝置的PHM系統設計方案。

水下航行體；單板計算機；全球定位系統；多線程；故障檢測與健康管理

1 引 言

當前船載發控裝置大多利用船載電子羅經進行定位定向，而某型水下航行體的發射工位距離操作室遠，如果直接使用，易造成現場連線零亂，信號線易受干擾，電羅經開機預熱時間長等弊端。本文通過集成一塊具備定位定向功能的GPS板卡，有效解決了這一問題。故障預測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術的應用提高了系統的故障診斷和預測精度。

PHM技術是一種智能健康管理技術，它集可靠性估計技術與故障預測技術于一身，為復雜系統在實際應用環境下的在線可靠性評估與故障預測提供了一種新的技術手段［1－2］。

2 功能及原理

在合理繼承成熟經驗和滿足水面艦艇環境要求的基礎上，研究實現了一種基于GPS技術、具備PHM功能的發控裝置。某型水下航行體發控裝置安裝于艦船船尾，GPS雙天線平行于水下航行體導軌安裝，用于對某型航行體的光纖陀螺提供發射時刻的經緯度、航向、北京時間等信息。發控裝置主要完成對某型水下航行體的上電、自檢、參數裝訂、發射等操作。

發控裝置主要由：機箱、單板計算機、電源模塊、上電控制模塊、通訊模塊、GPS模塊、顯示屏、交流濾波器、鍵鼠和底板等九部分組成，如圖1所示。各功能模塊通過鎖死結構緊密的安裝在底板上，增強了發控裝置的抗震性。各模塊功能如下。

（1）電源模塊為單板計算機、控制通訊模塊、GPS模塊提供供電管理；

（2）控制通訊模塊通過單板計算機控制水下航行體的上電及通訊；

（3）GPS模塊以115200bit／s的速率、50Hz的頻率將接收到的經緯度、航向、時間等信息通過串口發送至單板計算機，單板計算機將這些信息數據處理后實時下發給水下航向體。

發控裝置的工作原理是單板計算機發送上電指令給控制通訊模塊，控制通訊模塊輸出高電平控制航行體的上電，上電正常后，發送各種控制指令、控制導航參數、聲學參數及經GPS模塊接收的信息到某型水下航行體，同時接收來自水下航行體回復的狀態信息。

圖1 發控裝置硬件結構圖

3 硬件設計

3.1 控制通訊模塊設計

控制通訊模塊由控制模塊和通訊模塊兩部分組成。控制部分主要用于控制水下航行體的上電，通過單板計算機的RS232串口發送上電指令給控制通訊模塊上的單片機，由單片機的I／O口輸出一路高電平控制繼電器吸合，達到給水下航行體上電的目的，如圖2所示。

圖2 控制上電模塊部分電路原理圖

通訊模塊采用以太網與水下航行體通訊，預留CAN通訊接口，便于以后擴展。將單板計算機發出的RS232串行接口信號轉換為以太網接口信號，發送至水下航行體。控制通訊模塊主控制器采用XC167CI單片機，以太網控制器采用DM9000AEP，同時采用YL18－2050S隔離芯片實現以太網接口隔離和保護，TJA1040T作為CAN收發芯片。軟件編程采用uVision Keil3集成開發環境和DAVE軟件配置器進行。采用外部快速中斷響應以太網數據幀的接收。

3.2 GPS模塊集成

GPS模塊功能是接收經緯度、航向角、UTC時間等信息，并通過RS232通訊口發送至單板計算機。通過集成一塊單板式結構的雙頻雙系統定位定向的板卡BD982，實現了厘米級的定位精度，定向精度小于1°（2m基線）。上位機發控軟件完成對GPS模塊基線長度、數據輸出格式等參數的設置［3－4］。

$GCCMD語句用于設置GPS模塊，設置參數存儲于永久存儲器中，如果設置語句無錯，則GPS會響應語句，否則返回語句將顯示當前默認值。

BD982模塊的部分設置語句如下：

設置基線長度語句：$GCCMD，set baseline，X*FF保存設置語句：$GCCMD，SAVE CONFIG*FF基線長度設置并保存成功后，立即生效。

4 軟件設計

4.1 軟件結構

為了能夠滿足軟件可靠性和可操作性要求，同時方便設計與后續的完善、修改，考慮到軟件功能的獨立性，采用模塊化設計思路，將各功能模塊封裝成不同的函數，完成各自不同的軟件功能。發控軟件包括參數設置模塊、參數裝訂模塊、通訊模塊、GPS信息接收模塊、PHM系統模塊、經緯度解算距離航行角模塊、上電模塊、自檢模塊、發射模塊、中止模塊、授時模塊、數據記錄模塊、數據顯示模塊等功能模塊。其主要軟件功能模塊框圖如圖3所示。

圖3 發控軟件功能模塊框圖

4.2 軟件功能

發控軟件的功能是完成對航行體的上、斷電操作，參數設置解算及裝訂工作。通過RS232口2將實時接收到的GPS位置信息、航向信息，通過數據分揀、打包下裝至航向體。通過軟件的主界面將輸入的兩個點的經緯度信息解算成距離和航向角的航路點信息下裝至水下航行體。

通訊模塊用于將來自兩個串口的數據進行接收、分揀和保存；經緯度解算模塊主要作用是將兩個點的經緯度信息解算成距離和航向角的航路點信息下裝至水下航行體。參數設置模塊的功能是完成GPS模塊、航行體控制系統、聲學系統等模塊的參數設置；參數裝訂模塊用于將前面設置的參數通過打包發送至GPS模塊和航行體；PHM系統實現發控儀和航行體各系統的故障診斷和預測。

5 關鍵技術

5.1 多線程處理

此發控軟件基于Windows XP操作系統，使用VC＋＋6.0作為程序設計語言進行軟件開發。由于Windows XP采用非實時操作系統，而發控裝置需要接收和處理多個模塊同時發送的狀態信息或命令響應信息，為了保證發控操作的實時性，軟件采用多線程技術［5］。在軟件初始化時，創建用戶界面主線程和2個數據接收線程。主線程用于響應用戶輸入和各種事件消息，數據接收線程主要用于串口和以太網數據的接收。通過查詢方式循環檢測各通道的FIFO，當FIFO里有數據并且不小于幀長度時接收數據。

5.2 PHM系統

發控裝置的PHM系統采用主從模式，由各個航行體PHM節點和發控裝置PHM主控制器組成。各PHM節點內嵌在各節點單機內，負責所在單機的故障自檢、健康信息采集及發控裝置PHM主控制器的信息交互。發控裝置做為PHM的主控制器，負責水下航行體各個節點的診斷工作，它可以對匯總的各節點健康信息進行融合分析，從系統層面對某個節點的異常狀態進行檢測。同時，發控裝置還負責短期的故障預測工作，對各節點健康參數的變化趨勢進行短期預測，對不利預期做出早期診斷，其體系結構如圖4所示。

6 結束語

某型水下航行體發控裝置通過集成一塊GPS板卡的方式，解決了傳統方式下使用船載電羅經帶來的諸多不便。PHM系統的構建，提高了系統故障診斷和預測精度。該發控裝置現已批產交裝部隊，運行穩定可靠。

圖4 發控裝置PHM系統結構圖

［1］Luis Trevino.Investigation of Integrated Vehicle Health Management Approaches［R］.NASA，MARSHALL SPACE FLIGHTCENTER，2004.

［2］Orsagh R F，Brown DW，et al.Prognostic health management for avionic systems［A］.Proceedings of the IEEE Aerospace Conference［C］.USA，2006：1－7.

［3］馮芳，張興忠.基于GPS／GPRS／GIS的電力搶修調度指揮系統的研究［J］.計算機測量與控制，2013，21（2）：527.

［4］求是科技.單片機典型模塊設計實例導航［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［5］趙俊巖，侯滿義.某型飛機掛架綜合檢測儀設計與實現［J］.計算機測量與控制2013，21（3）：828.

Design and Im plement of Underwater Vehicle Shipborne Launcher

TIAN Li
（Kunming Shipborne Equipment Research＆Test Center，Kunming 65000，China）

The design method of hardware and software of underwater vehicle shipborne launcher，based on Global Position System，is introduced in this paper.It solves problems such as long preheating time of shipborne electric compass and low capability of signal anti－jamming.The Prognostics＆Health Management system，applying to underwater vehicle shipborne launcher，is provided to enhance the reliability and themaintainability of equipment.

AUV；Single board computer；GPS；Multithreading；PHM

10.3969／j.issn.1002－2279.2014.06.024

TP311.1

：A

：1002－2279（2014）06－0085－03

田立（1980－），男，甘肅鎮原人，工程師，主研方向：水下航行體控制仿真及發控技術的方向的研究。

2014－04－15