摘要：提出了基于ATE技術的魚雷聲制導頭自動測試系統(tǒng)設計思想和總體設計方案。在硬件設計中介紹了聲制導頭各部件的測試原理、方法、信號隔離電路設計。軟件部分采用面向對象、可視化設計的快速應用開發(fā)軟件平臺Labview完成編輯、編譯、連接、調試等開發(fā)。
關鍵詞：自動測試系統(tǒng)；自導魚雷；聲制導頭；PXI總線

O 引言
    當代武器系統(tǒng)的戰(zhàn)斗性能，不僅依賴于武器系統(tǒng)的高技術、高性能，還需通過可靠性、維修性和保障性達到武器系統(tǒng)的最佳戰(zhàn)斗性能。隨著科技的進步，在以電子技術和信息技術為主要推動力，數字化技術為核心的新軍事革命背景下，最初作為測量器具的儀器已發(fā)展成一門較為完整的學科。并在當今科技發(fā)展和國防建設中發(fā)揮著日益重要的作用。自動測試系統(tǒng)包括具有計算、處理能力的計算機，在測試過程中各種復雜的分析、統(tǒng)計、判斷、處理的結果可以通過多種方式輸出。自動測試系統(tǒng)避免了人為因素的誤差，可獲得十分良好的測試性。通過進行大量的測量、判斷和分析，可以在很大程度上削弱隨機誤差和系統(tǒng)誤差，從而獲得較高的測量精確度。
    本文主要設計了用于某型反潛自導魚雷聲制導頭的自動測試系統(tǒng)。首先對自動測試系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、組成以及被測試聲制導頭的組成和工作原理作了介紹。然后對測試方法和原理進行了研究，在結合研制某型聲制導頭自動測試系統(tǒng)的目的和要求基礎上，提出了測試系統(tǒng)的總體設計方案。

1 聲制導頭簡介
    聲納是利用水聲傳播特性對水中目標進行傳感探測的技術設備，用于搜索、測定、識別和跟蹤潛艇和其他水中目標，進行水聲對抗，水下戰(zhàn)術通信、導航和武器制導、保障艦艇、反潛飛機的戰(zhàn)術機動和水中武器的使用等。聲納的工作原理是回聲探測法。
    某型反潛自導魚雷聲制導頭采用的是主／被動聯(lián)合聲自導方式，其自導系統(tǒng)采用的是主被動聯(lián)合聲自導方式，其自導系統(tǒng)主要完成形成波束，發(fā)射探測脈沖，接收回波信號并進行信號處理，產生控制命令，同時記憶飛機上傳來的導彈預設定信號。基陣組成為：水聲換能器發(fā)射基陣陣元、接收基陣陣元，目標傳感器的收／發(fā)共用的聲引信基陣陣元、入水傳感器、目標傳感器的觸發(fā)傳感器。

2 測試系統(tǒng)總體設計
2．1 測試系統(tǒng)組成
    聲制導頭測試系統(tǒng)由測試臺、換能器測試裝置和電纜組成，測試系統(tǒng)與聲制導頭的連接示意圖見圖1所示。


    (1)換能器測試裝置組成
    接陣，固定支架夾具，模擬入水電路，繼電器板，接收發(fā)射電路，入水傳感器測試電路。
    (2)測試臺的組成
    機柜，PXI主機箱，主控機，顯示器及接口板卡，AD板，電源板(27V電源)，電纜。[!--empirenews.page--]
2．2 檢測原理及方法
2．2．1 入水傳感器的測試
    入水傳感器測試，完成對自導頭的發(fā)射換能器和接收換能器的測試。利用主控機控制換能器測試裝置入水傳感器繼電器導通，分別使聲制導頭的入水傳感器兩對觸點短接，在插頭處可測量電阻值的變化。利用電阻值的變化情況可判斷自導頭測試裝置和自導頭的安裝位置是否正確。
2．2．2 聲制導頭收發(fā)陣元的測試
    (1)聲制導頭發(fā)射陣元的測試
    換能器測試裝置的接收換能器和聲制導頭的發(fā)射換能器對接，當需要自導頭發(fā)射時，由繼電器卡分時依次將規(guī)定頻率的發(fā)射功率信號接到自導頭的每個發(fā)射換能器，發(fā)射聲波，換能器測試裝置依次將對應接收通道的聲信號轉換成電信號，由A／D板把模擬量轉化為數字量。通過對采集到的數據進行處理，得出信號頻率、幅值等信息，通過與技術規(guī)范數據對比得出相應的測試結果。


    (2)自導頭接收陣元的測試
    換能器測試裝置的發(fā)射換能器和聲制導頭的接收換能器對接，由繼電器卡分時依次將規(guī)定頻率的發(fā)射功率信號接到換能器測試裝置每個發(fā)射換能器，發(fā)射聲波，聲制導頭接收換能器依次將對應接收通道的聲信號轉換成電信號，A／D板卡再把模擬量轉化為數字量。通過對采集到的數據進行處理，得出信號頻率、幅度信息，通過與技術規(guī)范數據對比得出相應的測試結果。
2．2．3 目標傳感器的測試目的
    (1)檢測目標傳感器能否正常加電；
    (2)檢測聲引信每個陣元能否正常發(fā)射聲探測信號；
    (3)檢測聲引信每個陣元能否正常接收聲回波信號；
    (4)檢測聲引信對于4種工作模式是否能夠正確響應。
    目標傳感器測試完成對目標傳感器加電和四種工作模式的測試，測試裝置接收到發(fā)射機發(fā)射的探測脈沖后，被觸發(fā)工作，模仿回波完成聲引信四種工作模式的測試。

3 測試系統(tǒng)硬件設計
3．1 硬件組成
    (1)機柜
    選用標準31U機柜，外形尺寸(600 L×600 W×1 600Hmm)。
    (2)機箱
    選用N1公司PXI-1036 6-Slot 3U標準機箱。
    (3)主控制器
    選用NI公司2GB DDR2 RAM for PXI-8101／08／10 andPXIe-8108 Controllers主控制器。
    (4)AD板
    AD板選用NI公司PXI總線6259板卡，轉換精度14位，可輸入信號電壓范圍-5 V～+5 V，提供8路I／O口。根據檢測設定，可通過繼電器卡分別選通聲制導頭7個接收通道、換能器測試裝置17個接收通道、換能器測試裝置聲引信8個接收通道，分時對每個通道接收信號進行采集，采樣率比被采樣信號頻率大3倍以上。各通道輸入信號電壓范圍-5 V～+5 V。[!--empirenews.page--]
    (5)電源板
    整個測試系統(tǒng)外部輸入電源僅為：單相220 V／50 Hz。電源電壓：+27 V±5％，供電電流不小于10 A。
3．2 信號隔離電路
3．2．1 數字信號隔離電路
    在所有被測試分機提取的數字信號中，最高速率的數字信號是來自接口分機的，達250 k／s，所以我們選用最高速率為10 M／s的6N137的高速光耦來隔離測試所需的數字信號，從而保證測試系統(tǒng)的準確性和可靠性。
    信號從腳2和腳3輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經片內通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏管光照后送到與門的一個輸入端，與門的另一個使能端，當使能端為高時與門輸出高電平，經輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當輸入信號電流小于觸發(fā)閾值或使能端為低時，輸出高電平，但這個邏輯高是集電極開路的，可針對接收電路加上拉電阻或電壓調整電路。TTL電平輸入，Vcc1為5 V時，RF可選500 Ω左右。如果不加限流電阻或阻值很小，6N137仍能工作，但發(fā)光二極管導通電流很大，對Vcc1有較大沖擊，尤其是數字波形較陡時，上升、下降沿的頻譜很寬，會造成相當大的尖峰脈沖噪聲，而通常印刷電路板的分布電感會使地線吸收不了這種噪聲，其峰一峰值可達100 mV以上，足以使模擬電路產生自激，A／D不能正常工作。所以在可能的情況下，RF應盡量取大。輸出端由模塊供電，Vcc2=4．5～5．5 V，在Vcc2(8腳)和地(5腳)之間必須接一個0．11μF高頻特性良好的電容，而且應盡量放在腳5和腳8附近。這個電容可以吸收電源線上紋波，又可以減小光電隔離器接收端開關工作時對電源的沖擊。腳7是使能端，當它在0～O．8 V時強制輸出為高(開路)；當它在2．0 V～Vcc2時允許接收端工作。腳6是
集電極開路輸出端，通常加上拉電阻RL。雖然輸出低電平時可吸收電流達13 mA，但仍應當根據后級輸入電路的需要選擇阻值。因為電阻太小會使6N137耗電增大，加大對電源的沖擊，使旁路電容無法吸收，而干擾整個模塊的電源，甚至把尖峰噪聲帶到地線上。一般可選幾百歐姆，若后級是TTL輸入電路，且只有1到2個負載，則用47 kΩ或15 kΩ也行。結合6N137光耦的工作原理，我們給出如圖3所示的數字信號隔離電路及其外圍配置。


    隔離電路的輸出端上拉電阻一般幾百歐姆到幾千歐姆。一般情況下，信號速率越高，電阻的阻值相應越低，本次設計取350 Ω。經過實驗，證實該設計能夠滿足測試的要求。
3．2．2 模擬信號隔離電路
    在模擬信號隔離電路中我們選用Texas Instruments公司的精密線性光FIL300，TIL300是一個由隔離反饋光二極管和一個輸出光二極管組成。該器件采用特殊制造技術來補償LED時間和溫度特性的非線性，使輸出信號與LED發(fā)出的伺服光通量成線性比例，它具有3 500 V的峰值隔離度和高的傳輸增益穩(wěn)定性(O．05％／℃)。圖4所示的是模擬隔離電路圖。


    TIL300應用的主要問題在工作的線性范圍內，選擇適宜的前置運放和計算該電路中的R1，R2，R3阻值。
    確立TIL300的工作狀態(tài)
    TIL300是以電流方式工作的，它的發(fā)光管LED工作電流根據該器件給出的參數表應工作在1～10 mA，在此范圍內，伺服電流增益K1即伺服電流傳輸比為O．7％～1．25％，正向電流增益K2，也即是正電流傳輸比為O．7％～1．25％，因此 TIL300的傳輸增益為1。

4 測試系統(tǒng)軟件設計
    軟件作為整個測試系統(tǒng)的重要組成部分，具有良好的人機界面，可以方便地設置測試條件、選擇測試項目等信息。如果檢測結果項目等信息，能夠提供準確的故障診斷策略，并記錄、顯示、打印測試結果。
4．1 測試系統(tǒng)軟件的功能
    (1)提供人機交互界面。
    (2)具備硬件啟動，初始化自檢，測試指令發(fā)出及硬件控制指令發(fā)出功能。
    (3)具備對測試中產品返回的各種狀態(tài)進行監(jiān)測的功能。
    (4)具備將讀取到的測試數據進行統(tǒng)計計算的功能。
    (5)具備將測試數據轉換為可視化的圖像，繪制為曲線的功能。
    (6)具備為用戶交互層提供直觀的數據結果顯示功能。
    (7)具備對測試數據的存儲，查詢，報表，打印，備份等操作的功能。[!--empirenews.page--]
4．2 軟件總流程



5 電磁兼容性
    電磁兼容性是測試系統(tǒng)的重要性能之一，測試系統(tǒng)電磁兼容設計是實現(xiàn)測試系統(tǒng)規(guī)定功能、使測試系統(tǒng)效能得到充分發(fā)揮的重要保證。在進行測試系統(tǒng)功能設計的同時進行電磁兼容設計。電磁兼容設計的目的是使所設計測試系統(tǒng)在預期的電磁兼容環(huán)境中實現(xiàn)電磁兼容。
5．1 測試系統(tǒng)電磁干擾源
    測試系統(tǒng)電磁干擾源來自兩個方面：測試系統(tǒng)外部電磁干擾；測試系統(tǒng)內部電磁干擾。
    (1)強電信號和弱電信號共存；
    (2)變壓器、繼電器、開關等部件的干擾；
    (3)組件之間的共源及共地干擾；
    (4)其他干擾。
5．2 電磁耦合途徑分析
    通過分析可以確定下列途徑為測試系統(tǒng)電磁耦合途徑：
    (1)供用電源引起的傳導干擾；
    (2)接地系統(tǒng)所產生的共阻抗干擾；
    (3)互連線間由于分布參數所引起的信號串擾；
    (4)互連線與機殼端接方式不當引起的共模發(fā)射干擾。
5．3 測試系統(tǒng)設計中采取的電磁干擾抑制措施
    (1)對敏感電路及干擾電路分別采取用不同電源進行供電，對開關電源進行濾波；
    (2)電纜敷設時盡量把電源線和信號線分開，把輸入端和輸出端分開。
    (3)把敏感電纜設到遠離電源、變壓器和其他大功率裝置的地方。
    (4)采用屏蔽、濾波和搭接等兼容性措施使感性耦合和容性耦合的干擾減小到容許程度。
    (5)根據電路特性分別設立數字地、模擬地，并采取單點接地方案。
    (6)電氣線路接插件的外殼采取適當屏蔽措施。

6 總結
    通過對某型反潛自導魚雷聲制導頭的性能分析，提出了測試設備總體設計方案。介紹了聲制導頭各部分的測試原理、方法，信號隔離電路，軟件部分采用面向對象、可視化設計的快速應用開發(fā)軟件平臺Labview完成編輯、編譯、連接、調試，最后提出了電磁兼容性設計。