田志新,吳 挺,張 振,曲志超,祖家國

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094; 2.山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺 264003)

一種飛行器電纜插接狀態(tài)自動化檢測方法

田志新1,吳 挺1,張 振2,曲志超2,祖家國1

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094; 2.山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺 264003)

新一代飛行器的電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，依靠主觀識別方法檢測電纜插接狀態(tài)，人工失誤輕則燒毀星上設(shè)備，重則導(dǎo)致任務(wù)失??；提出一種飛行器電纜插接狀態(tài)自動化檢測方法，通過插接狀態(tài)檢測編碼和信號變換設(shè)計，確保檢測電路占用盡量少的電連接器資源和背板資源；通過信號走線優(yōu)化設(shè)計，避免檢測電路增加電纜分支數(shù)，降低電纜加工和敷設(shè)成本；通過電源走線優(yōu)化設(shè)計，確保測試電路與星上電路隔離；文章方法無需飛行器加電即可自動檢測電纜插錯、漏插等問題，提高了飛行器綜合測試的安全性和可靠性。

電纜；防插錯；自動化檢測

0 引言

飛行器系統(tǒng)集成過程中，設(shè)備成熟度差異導(dǎo)致星載設(shè)備分階段、分批次安裝；用戶需求變更導(dǎo)致星上設(shè)備頻繁拆裝更新軟件；除電性能測試外，衛(wèi)星還要完成力、熱等多項大型試驗。上述原因?qū)е嘛w行器系統(tǒng)集成過程中頻繁進(jìn)行電纜插拔操作。

傳統(tǒng)研制模式下，依賴人工主觀識別的方法完成成百上千根電纜的插接狀態(tài)檢查。新一代飛行器電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，依靠主觀識別方法識別電纜插接狀態(tài)，人工失誤輕則燒毀星上設(shè)備，重則導(dǎo)致任務(wù)失敗，亟待實現(xiàn)電纜插接狀態(tài)的自動化檢測，體現(xiàn)在以下方面：

(1)電纜插接狀態(tài)確認(rèn)費時、費力，耗費了大量人力資源，延長了飛行器研制周期；

(2)飛行器尺寸越來越大，測試模式由分艙測試轉(zhuǎn)為合艙測試，電子設(shè)備布局緊湊，人工確認(rèn)過程易發(fā)生星上設(shè)備磕碰的質(zhì)量事故；

(3)電子產(chǎn)品輕小型化，飛行器普遍采用J6W型、J30JH型等小型電連接器[1]，設(shè)備插頭間距更小，除外圍插頭外，其他電纜插頭的插接狀態(tài)在視線上不可達(dá)。

近年來，國內(nèi)學(xué)者針對電纜插接狀態(tài)檢測的問題進(jìn)行了廣泛研究。趙文生等人[2]采用插件助拔器顏色、位號、防誤插編碼等多種方式配合的方法，避免印制電路板、電源、微波模塊的安裝位置錯誤。洪雷[3]提出一種檢測電路實現(xiàn)對地面供配電設(shè)備電纜插接狀態(tài)的自動化檢測。然而，上述文獻(xiàn)只針對一類器件(電纜)的插接狀態(tài)進(jìn)行檢測，但未涉及如何完成飛行器多種類型、成百上千根電纜插接狀態(tài)的自動化檢測問題。

本文分析了飛行器電纜網(wǎng)的技術(shù)特征，從檢測電路電纜網(wǎng)設(shè)計、插接狀態(tài)檢測電路設(shè)計、檢測電路供電設(shè)計、數(shù)據(jù)判讀設(shè)計等四個方面，提出一種資源消耗少、系統(tǒng)集成代價低的飛行器電纜網(wǎng)插接狀態(tài)自動化檢測方案。

1 系統(tǒng)方案

飛行器一般配置多個分系統(tǒng)和若干臺獨立設(shè)備。為方便描述，將飛行器配置的獨立設(shè)備總數(shù)記作S，分系統(tǒng)總數(shù)記作T，分系統(tǒng)j(j∈[1,T])配置的終端個數(shù)記作Kj。飛行器電纜插接狀態(tài)自動化檢測的信息流圖見圖1，包括地面檢測系統(tǒng)、獨立設(shè)備i(i∈[1,S])、分系統(tǒng)j設(shè)備kj(j∈[1,T]，kj∈[1,Kj])，分系統(tǒng)j管理器(一般大型分系統(tǒng)，如控制分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)配置分系統(tǒng)管理器)、電纜插接狀態(tài)檢測電路等。

地面檢測系統(tǒng)為檢測系統(tǒng)提供工作電源。在獨立設(shè)備i(i∈[1,S])配置電纜插接檢測電路，負(fù)責(zé)檢測該設(shè)備上電纜的插接狀態(tài)，編碼后傳輸給星-地接口電路。在分系統(tǒng)設(shè)備j設(shè)備kj(j∈[1,T]，kj∈[1,Kj])配置電纜插接檢測電路，負(fù)責(zé)檢測該設(shè)備上電纜的插接狀態(tài)，編碼后經(jīng)分系統(tǒng)管理器傳輸給星-地接口電路。星-地接口電路將S個獨立設(shè)備和T個分系統(tǒng)的電纜插接信號通過解碼模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳送到地面檢測系統(tǒng)。地面檢測系統(tǒng)自主判讀飛行器電纜接插狀態(tài)的正確性。

圖1 飛行器電纜插接狀態(tài)自動化檢測系統(tǒng)信息流圖

1.1 檢測電路電纜網(wǎng)設(shè)計

飛行器電纜網(wǎng)的有向圖模型表明[4]，如果將插接狀態(tài)檢測信號直接從設(shè)備電連接器引出到星-地接口電路，檢測電路電纜將與該設(shè)備連接器上其他信號的電纜分支連接在一起，飛行器電纜網(wǎng)的分支數(shù)可達(dá)上百個——其一，電纜網(wǎng)設(shè)計、加工、運輸、敷設(shè)的難度極大；其二，電纜插接狀態(tài)檢測電纜一般只包含兩根線纜，在多分支電纜的加工、運輸、敷設(shè)過程中，檢測電路電纜極易折斷。

因此，電纜插接狀態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計需考慮的首要問題是如何優(yōu)化檢測電路電纜網(wǎng)設(shè)計。本文采用以下設(shè)計措施降低檢測電路電纜網(wǎng)的復(fù)雜度：

(1)檢測信號簡化設(shè)計：在被檢測設(shè)備中，除了采用電纜插接狀態(tài)檢測模塊，增加一個插接狀態(tài)信號轉(zhuǎn)換模塊，將多條電纜插接狀態(tài)的數(shù)字信號編碼轉(zhuǎn)化為一個模擬信號，從而顯著減少設(shè)備檢測電纜的對外輸出信號數(shù)量。

(2)信號合路輸出設(shè)計：將檢測電路電源、電纜插接狀態(tài)檢測模擬量遙測信號、設(shè)備固有的遙測信號集中在一個電連接器上，減少被測設(shè)備的電纜分支數(shù)。

通過以上設(shè)計措施，檢測電纜沿著飛行器原有電纜分支走線，一方面，有效減少了電纜分支的數(shù)量；另一方面，檢測電路線纜與其他信號一起走線，確保檢測電纜的工藝可靠性。檢測系統(tǒng)電纜走線設(shè)計見圖2所示：

圖2 檢測電路電纜網(wǎng)設(shè)計

(1)如“電纜W001”所示，地面檢測系統(tǒng)通過“星箭電纜”為工程遙測接口單元提供一組檢測電源線纜和一組電纜插接狀態(tài)數(shù)字信號線纜。

(2)如“電纜W002”所示，獨立設(shè)備i(i∈[1,S)采用遙測信號插頭接收檢測電源電壓、檢測電路回線，并將該單機(jī)內(nèi)部的插頭檢測模擬信號輸出給工程遙測接口單元；在獨立設(shè)備i與工程遙測接口單元之間僅增加3根信號線，但不增加電纜分支數(shù)；

(3)如“電纜W003”所示，分系統(tǒng)j管理器采用遙測輸出插頭接收工程遙測接口單元的自檢電源、回線，并將該分系統(tǒng)的Kj個設(shè)備的接插件插接狀態(tài)模擬信號、1個該分系統(tǒng)管理器的插頭插接狀態(tài)模擬信號送至工程遙測接口單元；分系統(tǒng)j管理器與工程遙測接口單元之間僅增加3+Kj根信號線，但不增加電纜分支數(shù)；

(4)如“電纜W004”和“電纜W005”所示，分系統(tǒng)j設(shè)備kj(j∈[1,T]，kj∈[1,Kj])采用遙測信號插頭接收來自分系統(tǒng)j管理器的檢測電源電壓、回線，并將該單機(jī)內(nèi)部的插頭檢測模擬信號輸出給工程遙測接口單元；在分系統(tǒng)j設(shè)備kj與分系統(tǒng)j管理器之間僅增加3個信號線，但不增加電纜分支數(shù)。

1.2 插接狀態(tài)檢測電路設(shè)計

電纜插接狀態(tài)檢測電路設(shè)計見圖3，包括插頭插接狀態(tài)檢測邏輯設(shè)計、檢測信息編碼設(shè)計、檢測信號輸出設(shè)計等。

插頭插接狀態(tài)檢測邏輯設(shè)計如圖3“模塊1”所示，每個設(shè)備插頭預(yù)留兩個檢測接點，與該插頭連接的電纜端對應(yīng)的兩個信號線纜短接。當(dāng)電纜采用正確的方式連接在設(shè)備插頭上時，接插邏輯導(dǎo)通；當(dāng)電纜未插接，或者將不匹配的電纜插接在設(shè)備插頭上時，接插邏輯不導(dǎo)通。

為了避免同種類型接插件錯位插接，在選取接插件接點進(jìn)行通斷狀態(tài)檢測時，采用以下設(shè)計原則：

(1)信號分配設(shè)計：在每臺單機(jī)的同型接插件上，用于檢測電纜插接狀態(tài)的兩個接點必須不同。例如，插頭1、插頭2均為J36A-52TJ接插件，插頭3為J36A-38TK接插件，插頭4為J36A-9TK接插件，則插頭1選擇接點2,51，插頭2選擇點13,39，插頭3選擇接點2,37，插頭5選擇接點2,8。為了檢測接插不到位的現(xiàn)象，盡量選擇位于接插件對角線上的接點作為電纜插接狀態(tài)的檢測信號。

(2)保護(hù)電路設(shè)計：單機(jī)接口電路采取限流、限壓保護(hù)設(shè)計。當(dāng)同一臺單機(jī)相同類型的接插件互換時，單機(jī)不因過流、過壓、極性差錯導(dǎo)致受損。電路保護(hù)設(shè)計見參考文獻(xiàn)[5]。對于極性敏感的信號，在信號分配時，按照插針編號將設(shè)備接插件信號分為兩個部分，前一半接插件接點分配正極性信號，后一半接插件接點分配負(fù)極性信號。

檢測信息編碼設(shè)計如圖3“模塊2”所示。以設(shè)備上兩個接插件上的電纜插接狀態(tài)檢測為例，通過R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)[6]該設(shè)備上兩個插頭上的電纜插接狀態(tài)轉(zhuǎn)化為一個模擬電壓量?！安孱^插接狀態(tài)檢測邏輯”反映各種電纜插接狀態(tài)組合，由此導(dǎo)致檢測信號電壓存在顯著差異：當(dāng)全部電纜都正確插接時，檢測信號為0.25 Vdd(Vdd代表檢測電源電壓)；當(dāng)其中某個插頭未插接時，檢測電源通過圖中的虛線分支提升檢測點電壓，例如，當(dāng)插頭1未插時，則檢測信號電壓為0.36 Vdd。

檢測信號輸出設(shè)計：如圖3“模塊3”所示，每臺設(shè)備將代表該設(shè)備全部插頭插接狀態(tài)的模擬電壓量和該設(shè)備其他的模擬量遙測信號集中在遙測采集插頭上輸出。檢測電路電源占用接點1，檢測電路地占用最后一個接點，另外選擇一個信號線作為檢測信號線。

圖3 設(shè)備電纜插接狀態(tài)檢測設(shè)計

1.3 檢測電路供電設(shè)計

檢測系統(tǒng)供電設(shè)計如圖4所示。檢測電路采用干電池供電，電壓不超過飛行器設(shè)備安全保護(hù)電路所允許的最高保護(hù)電壓。星箭電纜經(jīng)遙測插頭Y01為工程遙測接口單元提供檢測電源。工程遙測接口單元通過底板總線將檢測電源分路成若干路，經(jīng)遙測插頭X02為分系統(tǒng)j管理器提供檢測電源，經(jīng)遙測插頭X03為獨立設(shè)備i提供檢測電源。分系統(tǒng)管理器經(jīng)遙測插頭Y04接收檢測電源，通過底板總線進(jìn)一步分路成若干路，經(jīng)遙測插頭X05為分系統(tǒng)j設(shè)備1提供檢測電源，經(jīng)遙測插頭X06為分系統(tǒng)j設(shè)備kj提供檢測電源。分系統(tǒng)設(shè)備1、分系統(tǒng)設(shè)備kj、獨立設(shè)備i分別通過遙測插頭Y07、Y08、Y09接收檢測電源。檢查電源、回線分別使用遙測插頭第一個和最后一個接點——檢測電源與飛行器其它信號完全物理隔離，在飛行器不加電的條件下即可實現(xiàn)插頭狀態(tài)自動化檢測。

1.4 數(shù)據(jù)判讀設(shè)計

采用Perl語言生成各種電纜插接組合狀態(tài)下的電阻網(wǎng)表文件，采用Hspice電路仿真軟件計算各種電纜插接組合狀態(tài)下的檢測信號電壓值[7]，通過電子系統(tǒng)自動化軟件生成各種電纜插接狀態(tài)下的電壓判讀策略。將自動生成的判讀策略部署在地面測試系統(tǒng)，地面測試系統(tǒng)根據(jù)檢測電壓即可自動判讀星上電纜插接狀態(tài)的正確性。

2 試驗結(jié)果及分析

飛行器電纜網(wǎng)包括低頻電纜網(wǎng)、總線電纜網(wǎng)、載荷數(shù)據(jù)電纜網(wǎng)、火工品電纜網(wǎng)、高頻電纜網(wǎng)。通常，總線電纜、載荷數(shù)據(jù)電纜、火工品電纜、高頻電纜占電纜總數(shù)不足20%，這幾類電纜采用專用電連接器，沒有多余接點用于插接狀態(tài)檢測；衛(wèi)星80%以上的電纜屬于低頻電纜網(wǎng)，采用J6W、Airborn、J14A、J36A、J30JH、J599等電連接器，定義電連接器上尚未定義的接點作為插接狀態(tài)檢測信號，采用本文方法可實現(xiàn)該類電纜插接狀態(tài)的自動化檢測。

本文方法已應(yīng)用于某高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭載一臺高分辨率可見光相機(jī)，配置高速數(shù)傳、測控、供配電、數(shù)管、環(huán)境監(jiān)測、控制與推進(jìn)等分系統(tǒng)。整星共有297根電纜、807個電纜分支，其中低頻電纜網(wǎng)191根665個分支，1553B總線和Spacewire總線電纜28根64個分支，TLK2711載荷數(shù)據(jù)電纜48根(單分支)、火工品電纜7根(單分支)、高頻電纜23根(單分支)。采用本文方法后，根據(jù)衛(wèi)星測試計劃和產(chǎn)品投產(chǎn)矩陣，自動生成衛(wèi)星各個測試階段的電纜插接狀態(tài)判讀策略，在衛(wèi)星加電前，3秒鐘可實現(xiàn)665個電纜分支插接狀態(tài)的自動化檢測，電纜插接狀態(tài)自動化檢測率達(dá)82%。此外，1553B總線電纜、Spacewire總線電纜、TLK2711電纜的同型插頭的接點信號定義均相同，即使插接錯誤也不會導(dǎo)致設(shè)備損壞，衛(wèi)星加電后通過應(yīng)用數(shù)據(jù)判讀即可確認(rèn)這三類電纜是否插接正確。因此，該高分辨率光學(xué)衛(wèi)星僅需要人工檢查火工品電纜、高頻電纜總計30個電纜分支，即可避免電纜插接錯誤導(dǎo)致的設(shè)備損壞事故。與傳統(tǒng)方法相比，該衛(wèi)星人工確認(rèn)電纜插接狀態(tài)的工作量減少了96%。

3 結(jié)論

針對飛行器系統(tǒng)集成測試過程中電纜插接錯誤導(dǎo)致測試進(jìn)度延誤、甚至燒毀星上設(shè)備的問題，本文提出一種電纜插接狀態(tài)自動化檢測方案，徹底解決了飛行器低頻電纜的插錯問題。該方案具有以下優(yōu)點：

(1)在飛行器不上電條件下，實現(xiàn)了電纜插接狀態(tài)的自動化檢測，避免人工疏忽導(dǎo)致的測試進(jìn)度延誤，甚至燒毀飛行器設(shè)備的問題；

(2)解放了寶貴的人力資源，節(jié)約了系統(tǒng)測試的準(zhǔn)備時間；

(3)檢測電路電纜網(wǎng)基于飛行器原有的電纜網(wǎng)布線，僅在設(shè)備端增加數(shù)個電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的信號編碼電路，在電纜網(wǎng)中增加幾根電纜檢測信號線，不影響設(shè)備的原有設(shè)計，不增加新的電纜分支，檢測系統(tǒng)實現(xiàn)代價低。

本文方法適用于飛行器電纜插接狀態(tài)檢測，也可以推廣應(yīng)用于飛機(jī)、火箭、武器等大型裝備電纜插接狀態(tài)的自動化檢測。

[1] 張 磊，陳 雁. 航天器用微矩形電連接器的一種新選擇[J]. 機(jī)電元件, 2012, 32(5):50-53.

[2] 趙文生，董智鼎. 插件多組合防誤插技術(shù)研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2012, 28(6): 34-36.

[3] 洪 雷.衛(wèi)星供配電測試設(shè)備電連接器的檢測方法[J]. 計算機(jī)測量與控制,2015,23(4):1075-1076.

[4] 田志新,劉 靜，付俊明，等. 一種飛行器電纜投產(chǎn)自動化設(shè)計方法[P].中國專利: ZL201210222896,9.

[5] 倪福卿，等．非線性電子線路[M]．北京：高等教育出版社，1987．

[6] Kennedy M P. On the robustness of R-2R ladder DAC's[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems Part I:Fundamental theory and Applications, 2000, 47(2):109-116.

[7] 田志新. 深亞微米集成電路電源網(wǎng)絡(luò)分析[D].北京：清華大學(xué), 2007.

An Automatic Detection Method for Plug-in State of Spacecraft Connectors

Tian Zhixin1，Wu Ting1, Zhang Zhen2, Qu Zhichao2, Zu Jiaguo1

(1.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China；2.Shandong Aerospace Electro-Technology Institute, Yantai 264003, China)

The new generation spacecraft electronics system becomes progressively complicated. Relying on subjective identification of plug-in states of spacecraft connectors, human error may lead to the burning of equipments and even mission failures. An automatic detection method is proposed, with advantages in utility-efficiency of connectors and backplane by a novel detection-transformer circuit, reduced cost of manufacture and assembly by harness routing optimization, and enhanced safety by isolating test circuit. The proposed method can detect the misinsertion, non-insertion and dislocation of harness connection before spacecraft powered on and thus improve the security and reliability of spacecraft testing.

harness; anti-misinsertion; automatic detection

2015-12-21；

2016-02-15。

高分專項青年創(chuàng)新基金資助(GFZX04060103);中國空間技術(shù)研究院總體部創(chuàng)新基金資助。

田志新(1975-)，男，河北蔚縣人，博士，主要從事智能衛(wèi)星總體設(shè)計和自動化測試方向的研究。

1671-4598(2016)07-0052-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.015

TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A