孫學(xué)聰，許姣，杜寶強(qiáng)，程鵬，馬曉東，李景須

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854；2.中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100000)

通用無(wú)源檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)*

孫學(xué)聰1，許姣1，杜寶強(qiáng)2，程鵬1，馬曉東1，李景須1

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854；2.中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100000)

導(dǎo)彈綜合測(cè)試需要對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行無(wú)源阻抗測(cè)試。為提高導(dǎo)彈無(wú)源測(cè)試的性能，針對(duì)導(dǎo)彈無(wú)源測(cè)試的目的，進(jìn)行了通用無(wú)源檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。該裝置可適用于其他不同型號(hào)的無(wú)源測(cè)試，具有良好的可靠性、通用性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

導(dǎo)彈；綜合測(cè)試；無(wú)源檢測(cè)；通用；設(shè)計(jì)

0 引言

導(dǎo)彈在總裝測(cè)試過(guò)程中，為了保證彈上各設(shè)備之間接口的正確和可靠連接，確保彈上設(shè)備加電安全，檢查信號(hào)傳輸是否正確，必須通過(guò)導(dǎo)彈綜合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)彈上設(shè)備之間進(jìn)行接口檢查與性能測(cè)試[1]。

通常對(duì)導(dǎo)彈接口進(jìn)行無(wú)源檢測(cè)，即導(dǎo)彈的導(dǎo)通電阻和絕緣電阻測(cè)試，是導(dǎo)彈測(cè)試的重要項(xiàng)目之一，導(dǎo)通電阻反映出電路兩點(diǎn)之間的通斷關(guān)系，絕緣電阻則反映電路獨(dú)立回路之間的絕緣程度，它們量值的合格與否直接影響到導(dǎo)彈的可靠性及導(dǎo)彈發(fā)射的成敗[2-3]。一方面，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)被測(cè)導(dǎo)彈阻抗表現(xiàn)的異常情況，尤其是測(cè)試端口對(duì)信號(hào)地的異常短路或開路，從而避免因端口異常對(duì)測(cè)試或被測(cè)設(shè)備及測(cè)試人員造成危害；另一方面，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)防空導(dǎo)彈測(cè)試端口阻抗的異常偏離，為故障診斷提供故障征兆[4-5]。但是目前多數(shù)防空導(dǎo)彈無(wú)源測(cè)試設(shè)備多為專測(cè)設(shè)備，系統(tǒng)資源較少，通用性和擴(kuò)展性較差，很難滿足導(dǎo)彈無(wú)源測(cè)試的要求，也不能實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)化測(cè)試[6-7]。

另外，由于導(dǎo)彈對(duì)可靠性、安全性的要求較高，在測(cè)量時(shí)，對(duì)其施加的激勵(lì)源強(qiáng)度不能太大，否則可能對(duì)其內(nèi)部電路造成損傷。因此必須在低強(qiáng)度激勵(lì)源下精準(zhǔn)測(cè)量其對(duì)外接口特性[8]。

本文為提高導(dǎo)彈無(wú)源檢測(cè)的性能，針對(duì)導(dǎo)彈無(wú)源測(cè)試的目的，進(jìn)行了無(wú)源檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。該設(shè)備經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單外部電纜轉(zhuǎn)接可以適用于其他不同型號(hào)導(dǎo)彈的無(wú)源測(cè)試。

1 總體方案

無(wú)源檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電氣方面的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)。

1.1 電氣設(shè)計(jì)方案

無(wú)源檢測(cè)裝置總體功能見圖1。無(wú)源檢測(cè)裝置具有導(dǎo)通電阻測(cè)量功能、斷路測(cè)量功能以及自檢和校準(zhǔn)功能，具有本地和遙控兩種控制方式，通道數(shù)量測(cè)量點(diǎn)具有160點(diǎn)，任意兩點(diǎn)之間均能進(jìn)行通路和斷路測(cè)量。

圖1 無(wú)源檢測(cè)裝置總體功能框圖Fig.1 Principle of the passive detection device

通路和斷路測(cè)量方案采取V-I模式，即采用R=U/I的方式。工作原理是通過(guò)把電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，使得電阻的測(cè)量歸結(jié)為電壓的測(cè)量[9]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

無(wú)源檢測(cè)裝置在結(jié)構(gòu)上采用4U高度的19 in(1 in=2.54 cm)機(jī)箱，結(jié)構(gòu)形式為框架式，主體框架采用焊接或者鑄造加工方式，機(jī)箱采用整體屏蔽設(shè)計(jì)。機(jī)箱整體結(jié)構(gòu)形式如圖2，3所示。機(jī)箱采用前面板開門設(shè)計(jì)，向右開啟，可開啟的前面板通過(guò)M5不脫落螺釘固定。機(jī)箱采用直角導(dǎo)軌安裝到機(jī)柜上，在機(jī)箱底部與導(dǎo)軌接觸位置設(shè)計(jì)不銹鋼防磨條，機(jī)箱后面板上設(shè)計(jì)定位套，配合導(dǎo)軌上的定位銷可防止機(jī)箱在運(yùn)輸過(guò)程中跳動(dòng)。

機(jī)箱內(nèi)固定無(wú)源檢測(cè)裝置插箱、電源等設(shè)備。無(wú)源檢測(cè)裝置插箱在結(jié)構(gòu)固定上采用上下、前后可調(diào)形式，上下可按5 mm為單位進(jìn)行調(diào)整，前后可按10 mm為單位進(jìn)行調(diào)整。

圖2 機(jī)箱整體外形圖示意圖Fig.2 Outlook of the passive detection device

圖3 機(jī)箱整體透視圖示意圖Fig.3 Perspective of the passive detection device

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主板模塊

主板模塊是無(wú)源檢測(cè)裝置的核心。它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)無(wú)源檢測(cè)裝置的工作時(shí)序，檢查工作狀態(tài)，并可以對(duì)無(wú)源檢測(cè)裝置進(jìn)行系統(tǒng)的自檢，并將自檢結(jié)果顯示于測(cè)試程序中。

主板模塊采用SPI總線與電阻測(cè)量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使用控制線對(duì)電阻測(cè)量模塊進(jìn)行控制。首先，主模塊使用4根模式控制線TD[3∶0]進(jìn)行測(cè)量模式的設(shè)置，分別包括：自檢模式、導(dǎo)通測(cè)試模式和絕緣測(cè)試模式，導(dǎo)通測(cè)試模式下使用不同的激勵(lì)方式進(jìn)行測(cè)量[10]。

2.2 繼電器選通模塊

繼電器選通模塊主要由繼電器陣列、控制模塊構(gòu)成。

控制模塊主要由可編程邏輯電路和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成?？删幊踢壿嬰娐凡捎肁LTERA公司生產(chǎn)的CPLD(EPM570TQFP144)，該芯片最多可具有114路通用IO。驅(qū)動(dòng)繼電器陣列芯片采用ULN2003，該芯片具有7路驅(qū)動(dòng)輸出，每路驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)500 mA?？刂颇K在與底板的接口上加上10 nF的電容，對(duì)底板上過(guò)來(lái)的命令信號(hào)進(jìn)行硬件濾波，同時(shí)在CPLD內(nèi)部進(jìn)行軟件去抖處理。

2.3 電阻測(cè)量模塊

電阻測(cè)量模塊功能包括導(dǎo)通電阻測(cè)量功能和絕緣電阻測(cè)量功能。導(dǎo)通電阻測(cè)量施加的激勵(lì)源為恒流源，最大為3.3 mA，絕緣電阻測(cè)量施加的激勵(lì)源為恒壓源，最大不超過(guò)5 V，確保對(duì)導(dǎo)彈不造成損傷。

2.3.1 導(dǎo)通電阻測(cè)量模塊

導(dǎo)通電阻測(cè)量模塊由控制電路和信號(hào)采集電路構(gòu)成。

導(dǎo)通電阻測(cè)量電路原理如圖4所示。

控制電路主要完成選通信號(hào)的輸入，并進(jìn)行AD數(shù)據(jù)采集的控制，同時(shí)按照預(yù)先的協(xié)議將數(shù)據(jù)采集的結(jié)果通過(guò)底板發(fā)送給主模塊。

信號(hào)采集電路AD芯片采用AD公司的12位高精度AD轉(zhuǎn)換芯片AD7476，該芯片自帶基準(zhǔn)源，低噪聲，最高采樣率可達(dá)1MSPS，SPI接口輸出。

圖4 導(dǎo)通電阻測(cè)量電路示意圖Fig.4 Principle of the passive impedance test

由于測(cè)試阻抗范圍較大，為了提高精度，分別采用微安級(jí)高性能恒流源和毫安級(jí)高性能恒流源作為激勵(lì)，分別參見圖5,6。恒流源采用3種模式：對(duì)應(yīng)電阻范圍0～1 kΩ為3.3 mA；對(duì)應(yīng)電阻范圍1～10 kΩ為333 μA；對(duì)應(yīng)電阻范圍10～100 kΩ為22.2 μA。

本裝置采用的毫安級(jí)恒流源見圖6。微安級(jí)恒流源由兩只運(yùn)算放大器構(gòu)成。所選用INA118為儀表用放大器，儀表放大器源于集成運(yùn)算放大器，但性能又優(yōu)于集成運(yùn)算放大器。儀表放大器的基本用途是在噪聲環(huán)境下對(duì)傳感器的弱信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大，因其極好的性能和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集、醫(yī)用儀器、音頻電路、高速信號(hào)調(diào)節(jié)等領(lǐng)域。儀表放大器除了應(yīng)具有很高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗、很高的共模抑制比、很低的輸入失調(diào)和熱漂移、充裕的帶寬之外，還具有很低的噪聲、很低的線性誤差和很穩(wěn)定的性能[11]。

圖5 毫安級(jí)高性能恒流源Fig.5 Constant current source of milliampere

圖6 微安級(jí)高性能恒流源Fig.6 Constant current source of microampere

2.3.2 斷路電阻測(cè)量模塊

斷路測(cè)量電路原理如圖7所示，其中Rx是待測(cè)電阻，AD采集是對(duì)串接的高精度電阻Rc進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)Vx+Vc=恒壓源電壓，從而可以得到待測(cè)電阻上的電壓Vx。

圖7 斷路測(cè)量電路示意圖Fig.7 Principle of the open circuit test

控制電路主要完成選通信號(hào)的輸入，并進(jìn)行AD數(shù)據(jù)采集的控制，同時(shí)按照預(yù)先的協(xié)議將數(shù)據(jù)采集的結(jié)果通過(guò)底板發(fā)送給主機(jī)。恒壓源設(shè)計(jì)本方案采取精密穩(wěn)壓源芯片ADR445加外圍電路組成，如圖8所示。

為了保護(hù)被測(cè)設(shè)備，斷路測(cè)量方案采用+5 V的恒壓源，在電路中串接的高精度電阻R11為100 kΩ。

2.4 自檢及校準(zhǔn)模塊

無(wú)源檢測(cè)裝置接口中留有自檢準(zhǔn)接口，通過(guò)選通對(duì)應(yīng)的功能，可以方便的進(jìn)行自檢操作。自檢模塊電路和電阻測(cè)量模塊設(shè)計(jì)在同一塊電路板中，通過(guò)控制4只干簧繼電器來(lái)進(jìn)行選擇量程，打開對(duì)應(yīng)的開關(guān)即可進(jìn)行選通。

當(dāng)選中自檢功能時(shí)，通過(guò)對(duì)精密電阻100 Ω，100 Ω，10 kΩ和1 MΩ電阻的測(cè)量，進(jìn)行顯示，同時(shí)通過(guò)RS232總線接收數(shù)據(jù)，可以分別對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行自檢。

設(shè)備留有校準(zhǔn)接口，可以通過(guò)外界校準(zhǔn)設(shè)備對(duì)本設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。精度校準(zhǔn)同自檢流程一樣，同時(shí)需要將結(jié)果和精密電阻進(jìn)行比對(duì)，調(diào)節(jié)變換系數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

無(wú)源檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)主要分為2個(gè)部分：①基于PC104總線的底層驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)；②頂層應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

圖8 恒壓源電路示意圖Fig.8 Principle of the constant voltage circuit

3.1 硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

無(wú)源檢測(cè)裝置的控制器選用PC104嵌入式計(jì)算機(jī)模塊，支持Windows XP操作系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)良好的可操作性和人機(jī)交互功能，在開發(fā)時(shí)，選用Microsoft Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境[12]。

硬件板卡的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，采用驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具WinDriver。該軟件是由Jungo公司提供的一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序快速開發(fā)軟件，可以快速開發(fā)出基于ISA/EISA/PCI/USB等總線的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)極大的縮減開發(fā)時(shí)間。它提供了強(qiáng)大的用戶態(tài)API函數(shù)，通過(guò)對(duì)這些函數(shù)的調(diào)用，用戶可以在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的各種訪問操作[13-14]。

3.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

無(wú)源檢測(cè)裝置的應(yīng)用軟件主要分為控制程序、測(cè)試程序及數(shù)據(jù)處理程序等模塊。其中，配置程序的主要功能是給用戶提供圖形化的配置界面，輔助用戶對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)及通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)置；測(cè)試程序的主要功能是實(shí)現(xiàn)集成化、流水線式的測(cè)試過(guò)程，根據(jù)用戶的配置和選擇自動(dòng)完成某個(gè)相對(duì)完整的流程測(cè)試；數(shù)據(jù)處理程序的主要功能是對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、篩選和分析，同時(shí)根據(jù)用戶的操作完成本地保存、實(shí)時(shí)顯示和遠(yuǎn)程傳輸?shù)热蝿?wù)。測(cè)試界面如圖9所示。

控制程序的操作流程如圖10所示。程序開始運(yùn)行后，首先按照默認(rèn)的配置文件對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)和通信接口的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后，用戶可以通過(guò)菜單選擇不同的控制模式(本機(jī)模式和聯(lián)網(wǎng)模式)及測(cè)試項(xiàng)目(自檢、測(cè)試)。其中，用戶進(jìn)行的設(shè)置可以保存到配置文件中，在下一次啟動(dòng)后作為默認(rèn)設(shè)置使用。

圖9 測(cè)試界面圖Fig.9 Picture of the main test interface

圖10 控制程序的流程圖Fig.10 Flow chart of the control program

測(cè)試程序包括多種測(cè)試項(xiàng)目，可以由用戶進(jìn)行選擇，其流程如圖11所示。在控制程序中選擇了“測(cè)試”項(xiàng)目后，測(cè)試程序開始運(yùn)行。此時(shí)，用戶可以選擇具體的測(cè)試項(xiàng)目，系統(tǒng)開始按照預(yù)先定義好的流程開始測(cè)試流程。在測(cè)試流程結(jié)束之后，自動(dòng)顯示和保存測(cè)試結(jié)果。

圖11 測(cè)試程序的流程圖Fig.11 Flow chart of the test program

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著導(dǎo)彈技術(shù)的不斷進(jìn)步，適應(yīng)不同導(dǎo)彈被測(cè)對(duì)象的測(cè)試任務(wù)，提升綜合測(cè)試系統(tǒng)通用性與靈活性，提高測(cè)試效率是導(dǎo)彈測(cè)試技術(shù)關(guān)注的重要方向[15]。

為了提高導(dǎo)彈無(wú)源測(cè)試的高效性和便捷性，本文提出了一種基于恒流源和恒壓源的無(wú)源檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案。首先對(duì)導(dǎo)彈無(wú)源測(cè)試的特性進(jìn)行分析，提出無(wú)源測(cè)試的原理和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)在功能分析的前提下，進(jìn)行了無(wú)源檢測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)。本文開發(fā)的無(wú)源檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)通信、計(jì)算機(jī)控制無(wú)源檢測(cè)裝置信號(hào)的自動(dòng)測(cè)量、測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示處理等功能，自檢校準(zhǔn)易于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)大量測(cè)試數(shù)據(jù)及環(huán)境試驗(yàn)，表明無(wú)源檢測(cè)裝置具有實(shí)時(shí)性好、系統(tǒng)可靠、界面友好、易于操作以及系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)已在多個(gè)型號(hào)中成功應(yīng)用，并在某型號(hào)圓滿定型，產(chǎn)生巨大的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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Design of Universal Passive Detection Device

SUN Xue-cong1，XU Jiao1，DU Bao-qiang2，CHENG Peng1，MA Xiao-dong1，LI Jing-xu1

(1.Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China；2.China Electronics Standardization Institute,Beijing 100000,China)

It is necessary to test the missile with passive impedance during comprehensive test.In order to improve the passive test performance of the missile, a universal passive detection device is designed for the purpose of missile passive test.The device can also be used to other missile type for passive test. The test results show that it has significant reliability, versatility and economic value.

missile；comprehensive test；passive impedance test；universal；design

2016-11-01；

2016-12-17

有

孫學(xué)聰(1984-)，男，山東平度人。工程師，碩士，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)彈綜合測(cè)試技術(shù)，在軌測(cè)發(fā)控技術(shù)。

通信地址：100854 北京142信箱30分箱 E-mail：sunxuecong@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.027

TJ768.2；TP273

A

1009-086X(2017)-03-0172-07