徐小杰

(海軍702廠 上海 200434)

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某型潛艇雷達計算機組件測試儀*

徐小杰

(海軍702廠 上海 200434)

針對某型潛艇雷達計算機組件故障率高、系統(tǒng)排故效率低、配備檢測設備操作復雜度高等問題,研制潛艇雷達計算機組件檢測儀,用于計算機組件故障的高效隔離。根據(jù)雷達計算機組件的功能特點及輸入輸出關系,研究其測試原理,給出PC104架構的測試儀總體設計方案。重點研究數(shù)字I/O板卡功能模塊及偽窮舉故障診斷方法。結果表明,該設計能夠實現(xiàn)64位信號的同步輸入輸出,大幅提高檢測效率和設備運行可靠性。

測試設備; PC104; 偽窮舉故障診斷

Class Number TN818

1 引言

雷達計算機用來完成探測和跟蹤水面目標,雷達計算機由運算器、控制器、只讀存儲器、運算存儲器、信號變換器等組成,主要用于接收目標探測分類器、同步器、天線旋轉增量部件、數(shù)據(jù)變換器等部件發(fā)送的信號,并對接收信息進行運算、存儲、顯示,同時接收來自操控臺的指令信息,調用相應程序對檢測目標進行跟蹤預警處理,是雷達系統(tǒng)的重要組成部分。

潛艇的長時間服役,導致雷達計算機組件的元器件老化,組件故障多發(fā)。然而隨艇配備的計算機組件檢測設備需要專業(yè)人員逐步排故,操作復雜度高,測試效率低下。為提高排故效率及操作便捷度,本文設計了一種基于PC104總線架構[1～2]、偽窮舉測試法故障診斷[3]的計算機組件測試儀。該測試儀具備64位信號同步輸入輸出功能,可靈活配置組件輸入信號,快速讀取信號回饋,高效進行故障定位。

2 總體設計方案

雷達計算機包含23種組件,每種組件板卡包含88路管腳,對應88路信號。各組件板卡I/O屬性不同,所需檢測信號的種類、脈沖寬度、頻率也各不相同。為檢測該23種計算機組件板卡,同時考慮兼容性與靈活性,設計基于可編程邏輯器件的組件適配器,并開發(fā)23種配套管腳適配程序以及板卡檢測程序。檢測信號由PC104主板通過ISA總線發(fā)送至數(shù)字I/O板卡功能模塊,經(jīng)信號處理后到達計算機組件適配器,最終分配至被測組件。通過被測組件反饋信號與標準數(shù)據(jù)庫的比對分析,進行故障判定。計算機組件測試儀總體設計方案如圖1所示。

圖1 雷達計算機組件測試儀總體設計方案

3 硬件設計

測試設備硬件主要由PC104主板、數(shù)字I/O功能板卡、單板適配器、電源模塊和測試對接電纜等組成。

1) PC104主板。此主板作為工業(yè)控制核心模塊,功能強大,資源豐富,采用ATMEL AT91RM9200低功耗處理器(ARM9),主頻180MHZ,200MIPS,最大可支持128MByte SDRAM,通過總線支持單色屏(顯示分辨率最高為320×240),功能接口包括觸摸屏接口、10M/100M以太網(wǎng)接口、USB接口、串口、CAN總線接口、TWI接口、SPI總線接口、矩陣鍵盤接口、GPIO、實時時鐘、JTAG接口等。配置液晶顯示屏、鼠標鍵盤等設備后,可構成功能強大的嵌入式工業(yè)計算機,通過ISA總線和PCI總線對功能板進行控制,完成對23種被測組件的故障檢測。

2) 電源模塊。電源模塊的主要功能是通過線性穩(wěn)壓電路將輸入的220V/50Hz交流電轉換為多路直流電源,以供內(nèi)部功能模塊使用。

3) 數(shù)字I/O功能板卡。數(shù)字I/O功能板卡集數(shù)字信號發(fā)送、接收于一體,主要作用是發(fā)送雷達計算機組件所需不同性質及類型的數(shù)字信號,同時讀取雷達計算機組件的反饋信號,供后臺程序調用比對,主要功能如下:

圖2 信號接收/發(fā)送原理圖

(1)信號的接收/發(fā)送。待接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的地址由10位ISA總線地址經(jīng)編碼器編碼生成,各為4路。待發(fā)送數(shù)據(jù)由ISA總線提供,每路消息字為16位。每路地址對應的16位數(shù)據(jù)由鎖存器鎖存后,經(jīng)緩沖器發(fā)送至被檢測計算機組件。待接收數(shù)據(jù)(計算機組件產(chǎn)生的反饋信號)經(jīng)緩沖器-鎖存器-緩沖器以相反的方向進入ISA總線,接收到的數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)庫進行對比后,判斷計算機組件是否故障,原理圖如圖3。圖中緩沖器的作用為保護數(shù)字I/O功能板卡中的大規(guī)模集成電路FPGA免受尖峰脈沖信號的影響,大大降低功能板卡的故障發(fā)生率。

(2)時鐘及單脈沖電路。為提供計算機組件所需的不同信號源,設計16位時鐘、單脈沖電路,該電路高八位為不同頻率的時鐘信號,低八位為不同頻率的單脈沖信號,時鐘信號經(jīng)有源晶振分頻獲得。單脈沖產(chǎn)生電路如圖3所示。

圖3 單脈沖產(chǎn)生電路

4) 單板適配器。計算機組件種類多樣,且各組件I/O管腳屬性各不相同,采用人工匹配檢測的方式,不僅工作量大、操作繁瑣而且效率低下。本文設計的計算機組件檢測儀包含的單板適配器,可為23種計算機組件燒寫23種特定檢測程序,實現(xiàn)板卡匹配的準確無誤,大大提高檢測效率,降低操作復雜度。單板適配器的原理圖如圖4所示。

圖4 單板適配器原理圖

4 軟件設計

雷達計算機組件中的控制保護電路絕大多數(shù)為組合邏輯電路,因此對組合邏輯電路故障定位的準確性是計算機組件故障檢測的關鍵。對組合邏輯電路故障診斷方法通常包括窮舉測試法、測試碼生成法和偽窮舉測試法等[4～5]。窮舉測試法和測試碼生成法適用于雷達板級中的簡單組合邏輯電路診斷,單對于大型復雜的組合邏輯電路,窮舉測試法存在測試矢量多、測試工作量大、測試時間長的缺點[6],而測試碼生成法則存在計算復雜、計算量大、計算時間長的缺點[7～9]。本文選用的偽窮舉測試法,將復雜的組合邏輯電路進行分塊,對被分塊的每一部分電路進行窮舉測試,可大大減少計算工作量、測試矢量數(shù)目及測試工作量[3]。

測試儀的軟件設計是在Windows XP操作系統(tǒng)和embedded VC++4.0編程開發(fā)環(huán)境支持下完成的,測試軟件的總體邏輯流程如下圖5。

圖5 測試軟件的總體邏輯流程圖

每種計算機組件均被分為N個獨立的功能模塊,各功能模塊的反饋數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)庫進行對比判定,若數(shù)據(jù)錯誤即反饋相應的錯誤代碼,從而針對性地進行故障診斷,否則即代表組件正常。

以計算機組件某功能模塊的故障檢測為例,核心代碼如下:

for (sendDO_exern_num=0;sendDO_exern_num<1024;sendDO_exern_num++)

{

IOstart= InitI/O(0x300,0x4c5d);//初始化被檢測電路

SetPortWord(HwCtrl,0x302,i);//窮舉發(fā)送數(shù)據(jù)i(0～1024)

receive_DI=GetPortWord(HwCtrl,0x308);//數(shù)據(jù)接收

ltoa(receive_DI,ss1,10);//接收數(shù)據(jù)轉換

ltoa(Standard_DB[i],ss2,10);//標準數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)轉換

sprintf(xs1,"%-5s%-10s%-10s",ss1,ss2,i);//接收、標準數(shù)據(jù)輸出至顯示框1

if(Standard_DB[i]==receive_DI)//接收數(shù)據(jù)與標準庫數(shù)據(jù)對比

{

strcpy(xs2,"正確！")//對比正確,顯示正常

num++;

}

else

{

strcpy(xs2,"數(shù)據(jù)有誤！");//對比有誤

sprintf(xs2,"%-10s", i);//反饋錯誤代碼i到顯示框2

}

MesRopt1();//對話框數(shù)據(jù)刷新顯示

}

if(num ==1024)//所有數(shù)據(jù)正常

{

strcpy(xs2,"檢測完畢,所有數(shù)據(jù)正常！");

}

MesRopt1();//對話框數(shù)據(jù)信息刷新顯示

}

5 結語

基于PC104總線架構和偽窮舉測試法故障診斷法,開發(fā)了某型潛艇雷達計算機組件測試儀。實際應用表明,該測試儀設計合理,運行可靠穩(wěn)定,操作維護簡單方便,故障定位快速準確,完全滿足某型潛艇雷達計算機組件的測試需要。

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Test Instrument for Radar Computer Components in Certain Type Submarine

XU Xiaojie

(No. 702 Factory of Navy, Shanghai 200434)

For the problems of high error rate, low troubleshoot efficiency and high operation complexity of equipped testing equipment for radar computer components in certain type submarine, the efficient test instrument is designed to isolate fault components quickly and accurately. A design frame of test instrument based on PC104 is presented according to the characteristic and relationship with input and output. This paper focuses on digital I/O board module and fault diagnosis method based on pseudo-exhaustive test. The results demonstrate that the design can realize the 64bit test signal receiving and sending synchronous, have a substantial increase in test efficiency and reliability of instrument running.

test instrument, PC104, pseudo-exhaustive test fault diagnosis

2014年7月10日,

2014年8月29日

徐小杰,男,碩士,工程師,研究方向:專業(yè)電子工程。

TN818

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.029