姜景偉，李國林，周鵬飛

(海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺 264001)

接口適配器的設(shè)計是綜合集成測試系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，大量測試信號匯集于此并在此完成分配，在測試資源與被測試設(shè)備之間起橋梁作用［1］。接口適配器的作用主要有以下兩個方面，一是對測試信號進(jìn)行機械連接，二是對信號信號進(jìn)行電氣連接［2］。在機械連接方面，由于被測試設(shè)備的測試接口各不相同，通過接口適配器匹配種類繁多的被測設(shè)備接口和PXI儀器接口的連接，大量的連接線路都置于適配器內(nèi)，增加了系統(tǒng)的集成度，縮短了系統(tǒng)的展開及撤收時間，提高測試效率;在電氣連接方面，激勵、控制、待測及電源信號都通過適配器內(nèi)部電路進(jìn)行傳輸，并完成各信號的調(diào)理，包括隔離、濾波、整形、限幅和多路切換等，完成各信號與測試資源的匹配。

接口適配器一般有2種設(shè)計方案［3］，一種是多適配器方案，即為每個待測組件單獨設(shè)計接口適配器，該方案雖設(shè)計方便、結(jié)構(gòu)簡單，但待測組件較多時，會增加研制周期及測試系統(tǒng)的規(guī)模;另外一種是單適配器方案，即對各待測組件的信號分類處理，設(shè)計一個接口適配器，該方案雖然設(shè)計難度較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但在多組件情況下，能很好地縮短研制周期、減小測試系統(tǒng)的規(guī)模。根據(jù)測試需求，結(jié)合部隊的實際使用情況，單適配器設(shè)計方案比較適合本設(shè)計。

1 接口適配器的總體設(shè)計

某型引信系統(tǒng)由9個功能模塊組成，測試時需對每個功能模塊單獨進(jìn)行測試，經(jīng)過測試需求分析，決定設(shè)計基于PXI總線的自動測試系統(tǒng)，所需的測試資源包括1臺PXI機箱、9塊PXI板卡、1塊集成電源模塊，為實現(xiàn)測試信號的可靠交聯(lián)，設(shè)計如圖1所示的接口適配器方案。

圖1 接口適配器總體設(shè)計

適配器的設(shè)計采用測試信號集中互聯(lián)的思想［4］，共設(shè)計了3種測試連接接口，包括測試資源接口、電源接口和待測組件接口。其中測試資源接口位于接口適配器的前面板上，通過電纜連接測試資源;電源接口同樣位于接口適配器的前面板上，通過電纜連接集成電源模塊;待測組件接口位于接口適配器的后面板上，通過電纜連接待測組件。測試信號由某型引信經(jīng)接口適配器輸送至測試資源共需經(jīng)過3次分配。測試信號由某型引信送至待測組件接口進(jìn)入適配器內(nèi)，實現(xiàn)測試信號的第1次分配;在適配器內(nèi)部按測試信號的類型(模擬信號、數(shù)字信號、電源信號等)進(jìn)行分類傳輸，并完成部分信號的調(diào)理，將信號分類匯集到前面板的測試資源接口及電源接口，實現(xiàn)測試信號的第2次分配;測試信號由測試資源接口輸送至測試資源模塊接口的過程中，實現(xiàn)測試信號的第3次分配。

2 信號調(diào)理電路設(shè)計

測試信號多種多樣，不是所有的測試信號都能夠很好的與測試資源的采集范圍相匹配，對于相匹配的測試信號，經(jīng)接口適配器中的連接電纜送入測試資源進(jìn)行采集;對于不匹配的測試信號，在送入測試資源進(jìn)行采集前，需要經(jīng)過接口適配器中相應(yīng)的調(diào)理電路對其進(jìn)行調(diào)理，完成采集前的匹配轉(zhuǎn)換［5］。

2.1 分壓電路設(shè)計

某型引信系統(tǒng)輸出的模擬量電壓信號需由多功能采集卡中的AD通道進(jìn)行采集，AD通道允許的輸入電壓值范圍在-10 V到+10 V之間，而引信系統(tǒng)輸出的模擬量電壓信號的幅值達(dá)到了幾十伏級甚至上百伏級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了采集卡的采集范圍，需對其進(jìn)行分壓轉(zhuǎn)換處理送至采集卡采集。

本設(shè)計使用東芝公司推出的TLP521-4型光電耦合器，通過測試資源中的數(shù)字I/O卡對相應(yīng)管腳置低電平，程控選通不同阻值的電阻接入分壓回路中，在一個電路中實現(xiàn)不同倍數(shù)的分壓，之后經(jīng)射隨器輸出，滿足不同電壓信號的分壓需求。設(shè)計的電路及電路仿真結(jié)果如圖2所示。仿真以27 V輸入電壓為例，選通R1(10 k)接入分壓電路，理論上輸出電壓為6.75 V，仿真結(jié)果為6.725 V，設(shè)計的電路具有較好的分壓效果，符合預(yù)期。

圖2 分壓電路設(shè)計及仿真

2.2 電流測量電路設(shè)計

在對某型引信系統(tǒng)的測試過程中，要對其功能模塊正常工作時消耗的電流測量，確保其消耗的電流值能夠在戰(zhàn)技指標(biāo)要求的正常范圍內(nèi)。希望設(shè)計的測試系統(tǒng)能夠在不影響系統(tǒng)組件中電路的電氣參數(shù)的前提下，完成對系統(tǒng)組件工作消耗的電流進(jìn)行高精度的測量。通過零磁通式霍爾電流傳感器可實現(xiàn)電流的“非接觸”測量［6］。設(shè)計電路如圖3所示。

圖3 電流測量電路

電路中的測量電阻Rm選用阻值為100 Ω的精密電阻，傳感器采用±15 V雙端供電。為減少電源對測量電路產(chǎn)生的干擾，電路中的供電端要設(shè)置去耦電容接地，通過0.1 μF的去耦電容濾去10 MHz以下的噪聲，通過10 μF的去耦電容濾去高頻噪聲。

2.3 濾波及放大電路設(shè)計

引信系統(tǒng)某功能模塊輸出的待測試電壓信號幅值很小(為10 mV級別)，遠(yuǎn)低于AD采集板卡的最小輸入電壓范圍，且易受外界噪聲信號干擾，如果將其直接輸入采集板卡進(jìn)行采集，將在AD轉(zhuǎn)換過程中引入很大的誤差，使測試結(jié)果的精度大大降低，得到的測試數(shù)據(jù)不能反映系統(tǒng)工作組件的真實工作狀況，因此在采集前應(yīng)進(jìn)行濾除干擾噪聲及放大處理［7］。

由于待測信號為直流信號，外界產(chǎn)生的干擾主要有高頻雜波干擾和工頻(50 Hz)干擾。本文設(shè)計的濾波電路如圖4所示，采用二級串聯(lián)形式，其中第一級設(shè)計為無源低通濾波器，主要用來濾除待測信號中的高頻雜波干擾信號;第二級設(shè)計為帶阻濾波器，主要用來濾除待測信號中的工頻干擾信號。仿真圖中通道A(藍(lán)色)是未經(jīng)過濾波處理的波形，待測信號完全淹沒在干擾噪聲中;通道B(綠色)是經(jīng)過設(shè)計的濾波器處理后的波形，信號幅值在29.4 mV到30.5 mV間波動，能很好地將干擾信號濾去并還原出待測信號，濾波電路的效果達(dá)到預(yù)期。

圖4 濾波電路設(shè)計及仿真圖

設(shè)計AD采集前端放大電路的目的是放大需要采集的待測信號，使其接近AD采集卡的轉(zhuǎn)換量程，提高測量精度。為了更好地抑制噪聲對待測信號產(chǎn)生的干擾，在設(shè)計的信號放大電路中使用德州儀器(TI)公司推出的共模抑制比的很高三運放儀表放大器INA333。電路設(shè)計如圖5所示。其中INA333的單端供電形式要求放大器輸入信號幅值要大于0.1 V，而本設(shè)計中待測信號幅值為幾十mV，因此必須采用雙端供電形式。

圖5 放大電路設(shè)計

設(shè)計電路的放大倍數(shù)為

將RG設(shè)為5 kΩ，能實現(xiàn)待測信號的21倍放大。

3 矩陣開關(guān)設(shè)計

測試資源中的源測量單元只有4路可編程電源輸出，而待測組件需要10路激勵信號，為充分利用測試資源，減小測試系統(tǒng)規(guī)模，可通過設(shè)計4×10矩陣開關(guān)，將板卡輸出的4路可編程電源信號切換到引控外源系統(tǒng)中需要激勵信號的各待測組件中。矩陣開關(guān)設(shè)計中選用松下公司推出的DSP1a-DC12V單刀單擲電磁繼電器;選用大電流傳輸比(CTR)的達(dá)林頓型光電耦合器TLP523-4作為繼電器的前端選通，起到隔離數(shù)字I/O卡和提高電流驅(qū)動能力的作用;選用達(dá)林頓管ULN2003D選通繼電器后端，并起吸收電流作用。通過數(shù)字I/O卡對光耦及達(dá)林頓管相應(yīng)管腳置高低電平，即可選通相應(yīng)行和列，矩陣開關(guān)及驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6 矩陣開關(guān)及其控制電路

對圖6電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。仿真中由于元器件庫的限制，使用TLP521替代TLP523，由于TLP521的CTR較低(50% ～100%)，需要適當(dāng)提高IF，通過開關(guān)J1、J2對光耦和達(dá)林頓管置高低電平，控制繼電器K1的通斷。從仿真結(jié)果中得知，當(dāng)分別對光耦和達(dá)林頓管的相應(yīng)管腳置高電平時，即可接通相應(yīng)行、列的繼電器，因此，設(shè)計的電路符合要求。

4 抗干擾設(shè)計

接口適配器中接線復(fù)雜，匯集著大量的測試信號，設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮連接電纜信號傳輸質(zhì)量及信號間的干擾問題。

4.1 接地設(shè)計［8］

測試信號的接地方式有單點接地和多點接地［9］，單點接地適用與低頻信號，可消除公共阻抗耦合和地環(huán)路對測試信號的影響，多點接地適用于高頻信號，可消除共模電壓對測試信號的影響。測試信號的頻率在1 MHz以下時，要采用單點接地設(shè)計;測試信號頻率在1～10 MHz之間且接地線較短時(小于波長的二十分之一)要采用單點接地設(shè)計，否則采用多點接地設(shè)計;測試信號頻率超過10 MHz時，采用多點接地設(shè)計。

為減少外界電場在測試信號輸送過程中的對測試信號產(chǎn)生干擾，系統(tǒng)中的信號輸送電纜應(yīng)使用經(jīng)過接地處理的金屬屏蔽體屏蔽［10］。整個系統(tǒng)選擇測試資源的接地點為參考接地點，適配器接地點及待測組件接地點應(yīng)與其相連。

圖7 矩陣開關(guān)及其控制電路仿真圖

4.2 測試信號分類傳輸

為減少各不同類型的測試信號之間的相互干擾，在適配器內(nèi)部將測試信號按其類型(模擬信號、數(shù)字信號、電源信號等)進(jìn)行分類傳輸，對每類信號設(shè)計專用傳輸通道。

4.3 測試資源分時靜默，減少干擾

測試過程中，在同一時刻，只會使用測試資源中的1個或其中的幾個，這時未被使用的測試資源的輸出就會對正在使用的測試資源產(chǎn)成干擾，通過軟件設(shè)計使未被使用的測試資源靜默(不產(chǎn)生輸出)，從而減少干擾。

5 結(jié)束語

接口適配器設(shè)計是自動測試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文依托于某型引信自動測試系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計了適合該引信自動測試系統(tǒng)的接口適配器。首先介紹了接口適配器的總體設(shè)計及工作過程，著重介紹了適配器內(nèi)部信號調(diào)理電路的設(shè)計，給出設(shè)計電路并進(jìn)行仿真驗證，之后設(shè)計了矩陣開關(guān)及其驅(qū)動電路，說明其工作工程，并完成仿真驗證，最后提出接口適配器的抗干擾設(shè)計。

［1］王勇.某型雷達(dá)自動測試系統(tǒng)適配器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機測量與控制，2009，17(4):711-714.

［2］胡林.自動測試系統(tǒng)通用接口適配器設(shè)計［J］.四川兵工學(xué)報，2013，34(3):86-88.

［3］于進(jìn)勇.自動測試系統(tǒng)通用適配器研究［J］.儀表技術(shù)，2012，21(2):5-8.

［4］李行善，于勁松.自動測試技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［5］潘逢群.基于LABVIEW的虛擬示波器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子測量技術(shù)，2012，35(3):78-81.

［6］王敬苗.用于無線能量傳輸?shù)母哳l電流測量技術(shù)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［7］趙亮.微弱信號調(diào)理電路的設(shè)計及研究［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報，2010，25(1):64-67.

［8］安捷倫科技有限公司.儀器接地及測量技術(shù)探討［J］.國外電子測量技術(shù)，2002(5):35-37.

［9］郭銀景.電磁兼容原理及應(yīng)用教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［10］唐俊.基于DSP的交流電量采集及其電磁兼容性能研究［J］.電子電力技術(shù)，2009，43(5):65-67.