水聲探測器測試系統設計與實現

趙 昕，白志科，朱 健

(西安精密機械研究所，西安 710075)

0 引言

近些年，水聲探測有針對體積小、動態、活動海域廣的目標需求，這樣帶來了探測時間短、目標回波信號強度明顯下降，海平面反射信號等情況更為復雜，以上情況使得水聲探測難度加大，最終導致水聲探測器的接收機組件、數字機組件、發射機組件在性能和功能上均需要大幅提升，從而整個水聲探測器的復雜度有了明顯增加，此時再利用標準臺式儀器對其進行測試，需要使用中高端的示波器，信號源，經核算所需以上儀器總成本高昂，同時在測試的過程中，由于測試的項目眾多，指標分析更深入，操作繁瑣，檢測周期過長。

針對上述問題，文章利用虛擬儀器技術開發了一套自動化測試系統，系統硬件由基于PXIe總線的機箱、零槽、采集卡、CAN卡、多路復用開關、單刀雙擲開關、以及衰減器和適配箱組成，上位機測試軟件利用Labwindows/CVI[1-2]開發，其中引入了自功率譜函數，實現了對信號幅度和頻率的快捷計算；利用Database Editor機制回避了用代碼創建CAN會話句柄的繁瑣方式，以及采用stream模式，提高了CAN幀數據接收效率；采用多線程結合通道觸發的方法，實現了對短調制脈沖信號準確測試；通過以上設計開發，很理想的完成了水聲探測器的自動化測試。

1 系統原理設計

水聲探測器測試系統主要是對接收機組件,數字機組件,發射機組件進行測試,它需要D/A、A/D、DI/O、多路復用開關，單刀雙擲開關，CAN通信接口，衰減器等功能設備，原理框圖如圖1所示。

圖1 水聲探測器測試系統原理

D/A設備一方面用于模擬目標回波信號，產生不同頻率、不同幅度、不同回波延時和不同脈寬的目標反射回波，另一方面模擬不同頻率和不同幅度的目標輻射噪聲，經衰減后分別輸出給接收機組件的輸入通道；CAN通信設備用于收發命令數據，模擬水下航行體中探測與各個系統之間的信息交互；DI/O設備主要采集數字機組件輸出的指示信號，以及輸出數字控制信號作為接收機的數字激勵信號；A/D設備用于采集接收機組件輸出的輸出信號、數字機組件輸出的指示信號、XOUT信號、混頻信號、發射機組件輸出的發射信號；多路復用開關用于切換被采集的通道；單刀雙擲開關實現控制兩種電源供電。

2 系統硬件設計

在硬件設計方面,主要是選用機箱、零槽、采集卡、CAN卡、多路復用開關卡、單刀雙擲開關卡。目前PXIe總線相比PXI總線在傳輸帶寬和兼容性方面具有明顯優勢，因此以上均選用基于PXIe總線的設備。采集卡的選擇主要是依據：生成模擬信號的頻率范圍、幅度范圍、輸出通道數；被采集模擬信號的頻率范圍、幅度范圍、采集通道數、采樣率、采樣精度；數字信號輸入輸出的通道數以及是否需要同步采集。本設計采用了2塊4個差分采集通道、16 bit分辨率、單通道最高4 MS/s、輸入量程±10 V、24通道DI/O、可支持56 MB板載存儲器的采集卡。在CAN卡方面，按照標準配置即可,因此選用了1塊1 M bit/s的CAN接口卡。在多路復用開關方面，因為處理的是微弱信號，要求多路復用開關具有盡量低的阻抗，另外參考每個采集通道要切換的被測通道數，選擇了具有24x1 線制多路復用，完整通路阻抗<1 Ω的多路復用卡。在單刀雙擲開關卡方面，由于需要能支持40 V供電，以及需要為3個組件和整個裝置供電，采用了獨立4路且最高120 VDC，120 VAC的單刀雙擲開關。在機箱零槽方面，根據選用的板卡數量及考慮后期的可擴展性，選擇了8槽機箱；根據處理速度和存儲需求，采用了具有2.3 GHz雙核Intel Core i7-3610QE處理器、8 GB (2×4 GB) DDR31600 MHz RAM、1 TB的嵌入式零槽。

由于生成模擬信號的板卡最小輸出信號幅度為5.64 mVpp，不滿足激勵的要求，所以需要對輸出信號進行衰減，這里采用了常用的π型電阻衰減網絡對信號進行分壓衰減，同時衰減器要與探測器具有相同的檢測通道，各通道的衰減系數相同。另外設計了信號適配箱,目地是將測試系統中各板卡的接線端子集成為電纜，便于測試系統與探測器的連接；同時可將模擬負載集成在內,方便管理。

3 系統軟件設計

水聲探測器的測試軟件設計是分別對接收機組件、數字機組件、發射機組件進行設計，利用labwindows/CVI平臺完成開發。

3.1 接收機組件測試軟件設計

接收機測試軟件流程如圖2所示，根據模擬回波參數,編輯模擬回波數據，對接收機組建上的增益用控制碼進行設定，并加載混頻信號進行模擬回波信號調制[3]，前期工作準備好后，閉合第一通道開關，加載模擬回波信號，采集接收機輸出信號，在計算信號幅度和頻率方面，由于自功率譜函數[4]，可同時直接得到所有信號幅度的有效值以及頻譜上的頻率間隔，因有用信號幅度有效值最大，所以只要再利用尋找最值函數,便可得到有用信號幅度有效值及其在所有信號中的序號，序號乘以頻率間隔既是頻率，因此采用自功率譜函數，來計算輸出信號幅度和頻率參數比較簡便，測完一個通道后,切換多路復用開關，直到接收機輸出通道全部測完為止。

圖2 接收機組件測試軟件流程

3.2 數字機組件測試軟件設計

數字機組件測試軟件流程與接收機組件測試軟件流程一致，只是加載的激勵信號為接收機輸出信號和激勵命令，測試的信號是XOUT信號，指示信號、混頻信號，發射輸入信號，然后計算出各信號的幅度的峰值和頻率，對于模擬信號的輸出，開關切換，模擬信號采集及計算與上節編程思路一致，不再做贅述，對于激勵命令輸出是通過CAN[6-7]接口卡來實現。

在CAN通信前，需要創建CAN會話句柄[8]，傳統的創建首先要用nxdbOpenDatabase函數創建Database標識符，然后將其傳給nxdbCreatObject函數創建Cluster標識符，再將Cluster標識符傳給nxdbCreatObject創建CAN Frame標識符，最后還要調用nxdbSetPropertyp函數配置CAN幀格式、幀ID、數據段長度，這些完成后，才能調用nxCreateSession函數來創建CAN會話，因此這種用代碼編寫創建相對麻煩，為了簡化創建過程，應用了Database Edior的方法，具體實現方法是: 利用Database Editor創建一個Database文件，然后直接利用菜單按鈕繼續創建Cluster和CAN Frame，便得到了圖3所示界面，CAN幀格式、幀ID、數據段長度等參數可直接配置，配置完成后，點擊保存該文件，創建CAN會話時，直接將該文件名賦給nxCreateSession函數，便可得到CAN會話句柄。

圖3 Database Editor創建CAN會話句柄

在CAN通信時，采用了stream模式。因Stream模式不是只讀最近時刻且希望獲取類型的CAN幀，它不檢測總線上是什么類型的CAN幀，只檢測總線上在某一時刻所有的CAN幀，然后一次性取回，后期用戶再根據自身需求處理各類CAN幀，由于本測試系統模擬水下航行體中探測與各個系統之間的信息交互，所以對各系統發來的CAN幀數據都關心，這樣采用stream模式，減少讀取次數，提高了接收效率。具體實現方法是:在nxCreateSession函數中設置成nxMode_FrameInStream模式，并將幀類型參數設置為NULL，按照CAN協議設置一個結構體類型struct can_frame，其成員包括：時間戳、ID、幀類型、標志位、狀態信息、數據段長度，數據緩沖區。開辟一個該類型的結構體數組，將創建的CAN會話句柄，結構體數組首地址賦給nxReadFrame，調用此函數進行數據讀取。

3.3 發射機組件測試軟件設計

發射機組件測試主要是檢測負載箱輸出，由于此輸出為一段短調制脈沖信號，激勵信號加載后，立即輸出，然后結束。為了能夠準確測試此信號的參數，需要在調制脈沖信號內采集一段小于該信號脈寬的數據，所以將采集狀態用線程的方式先啟動起來，并當信號輸出時，再觸發采集，即通道觸發采集[9]。發射機組件激勵信號為方波信號，因為負載箱輸出有固定的判斷正常與否的標準，所以計算出負載箱輸出信號的頻率和幅度與判據比較，得出信號輸出正常與否。軟件設計流程如圖4所示。

圖4 發射機組件測試軟件流程圖

利用DAQmxCfgAnlgEdgeStartTrig函數配置通道觸發，將其觸發源參數設置成本通道，觸發沿參數設置成上升沿，觸發電平根據輸出幅度范圍設置，這樣通道有信號并超過觸發電平便開始采集。利用CmtScheduleThreadPoolFunction函數創建線程，然后定義一個函數，由此函數完成具體操作，將該函數的指針賦給CmtScheduleThreadPoolFunction函數的參數，因此要將DAQmxReadAnalogF64函數和計算輸出信號的頻率和幅度置于自定義的函數中。對于多線程編程[10]，線程管理需考慮全面，在整個發射機組件檢測完畢后，需要關閉線程，釋放相關資源，但有時操作異常，也導致程序即將退出，因此要在啟動線程后設置線程啟動標識，測試程序結束前，如果判斷出線程真實啟動，再進行線程關閉，首先需要調用CmtWaitForThreadPoolFunctionCompletion函數等待線程結束，然后調用函數CmtReleaseThreadPoolFunctionID將線程關閉。

4 測試驗證與分析

將各板卡的接線盒附件安裝到板卡上，板卡另一端用電纜將信號引出，接到適配箱后面板上，將電源也連接到后面板上，前面板通過電纜與水聲探測器相連，運行上位機測試軟件，測試軟件由接收機檢查、數字機檢查，發射機檢查3部分組成，每部分有配置區域和顯示區域，顯示通過表格形式完成，在水聲探測增加了圖形顯示。配置區域有測試手自一體功能，在接收機測試和發射機測試中，手動是各通道單獨測試，自動是各通道一次測完，對于數字機測試，手動是針對單項輸出信號測試，自動是所有項輸出信號測試，另外配置成自動模式，配置區及其他各項檢測為不可操作模式，防止錯誤操作。將各組件測試配置成自動，分別點擊接收機按鈕、自動按鈕，負載箱輸出按鈕，便完成了水聲探測器各項指標的測試。

對以上測試進行分析，利用文章提出的設計方案及開發方法，能夠精準地實現水聲探測器所有指標測試，同時大幅縮短了測試周期，從過去需要近50分鐘下降到僅需幾分鐘；測試操作得到簡化了，并且具有誤操作防止功能；測試結果顯示更加直觀，并更方便比較各通道的性能指標情況；后期在外場工作中，溫度、濕度等環境因素變化的情況下，多次利用本測試系統對水聲探測器進行測試，測試系統功能良好，運行可靠，無故障發生。工程應用效果相比基于傳統的標準臺式儀器明顯更具優勢。

5 結束語

應用虛擬儀器技術，開發了一套自動化測試系統，實現了高效且快捷地對水聲探測器的測試，本文引入了自功率譜函數實現信號頻率和幅度快速計算，在CAN通信開發方面；提出了應用Database Editor機制，簡化了CAN會話句柄的創建過程，采用了Stream讀取模式，提升了CAN數據接收效率；為了能夠準確測試短調制脈沖信號，提出了多線程結合通道觸發的方法；同時涵蓋了模擬信號激勵和采集、數字信號激勵和采集、各類開關切換等測試測量領域里常用功能單元設計，為利用Labwindows/CVI開發自動化測試系統提供了有價值的參考。