莊會慧，楊 志，戴澗峰，趙 川，張桂英

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

0 引言

隨著衛(wèi)星型號的日益增多，衛(wèi)星所用電纜數(shù)量也日益增加，測試電纜的安全可靠，直接影響到整個衛(wèi)星的安全。現(xiàn)有的機柜式電纜測試設備，體積龐大，不便于攜帶和移動，滿足不了電纜現(xiàn)場測試需求，尤其在大型試驗和發(fā)射場地，目前都是通過人工手動測試電纜，電纜導通特性采用的是萬用表逐點測試方式[1]，絕緣泄露特性測試采用的轉(zhuǎn)接盒與兆歐表配合的方式測試。導通絕緣測量方式均為手工測試記錄，需要多人配合完成測試，人工記錄測試數(shù)據(jù)，測試時間長，工作效率低，測試極其不方便，費時費力[2-3]。

為提高測試效率與測試質(zhì)量，減輕人工測試壓力，研制了一套衛(wèi)星地面電纜便攜式測試系統(tǒng)，實現(xiàn)衛(wèi)星地面測試電纜的快速自動化測試，包括電纜導通測試、電纜絕緣測試。測試設備體積小，重量輕，便于攜帶，實現(xiàn)電纜快速自動測試，加快測試速度，縮短測試流程，提高測試可靠性和精度，快速生成測試報表，便于質(zhì)量分析和有效完善質(zhì)量管理閉環(huán)，極大縮短衛(wèi)星大型試驗測試前的準備時間，保障衛(wèi)星測試按預定計劃順利進行和整星的供電安全。

1 系統(tǒng)技術(shù)指標

1)計算機平臺：

a)CPU主頻：2.0 GHz雙核CPU；

b)內(nèi)存：4 GB DDR3；

c)硬盤容量：500 G固態(tài)硬盤；

d)外設接口：2路USB接口；

2)輸入電源：

a)鋰電池供電：電壓DC+12 V，連續(xù)工作時間大于2小時；

b)外部供電：AC220±22 V /50 Hz±2.5 Hz，連接電源適配器進行供電。

3)導通電阻測量指標：

電阻檔：20 Ω、200 Ω、2 kΩ、20 kΩ、200 kΩ共5個量程，精度0.1%

4)絕緣電阻測量指標：測試電壓直流250 V；測量范圍為0～300 MΩ，精度5%。

5)測量通道：100路，可實現(xiàn)被測電纜任意兩點之間導通電阻和絕緣電阻的測量。

6)正常工作條件：溫度 -15～+50 ℃，濕度 10%～90%。

7)裝置存儲條件：溫度 -20～+60 ℃，濕度 10%～95%。

8)外形尺寸：310 mm*250 mm*150 mm。

9)整機重量：小于5 kg，重量輕，具備便攜式特性。

2 系統(tǒng)組成及原理

2.1 系統(tǒng)組成

便攜式電纜測試系統(tǒng)具有小型化和便攜性的特點，體積和重量有嚴格的限制，不像大型自動測試系統(tǒng)那樣采用機柜、便攜箱或者移動方艙來組裝。衛(wèi)星地面電纜便攜式測試系統(tǒng)整體是一個便攜式平板電腦，主要組成包括系統(tǒng)主板控制器、各主要功能電路模塊、內(nèi)部電池組、電源適配器、人機接口單元、對外測試接口、配套轉(zhuǎn)接電纜以及測試軟件等，測試系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)組成圖

2.2 系統(tǒng)工作原理

測試系統(tǒng)以主板控制器為控制核心，控制各功能模塊電路，實現(xiàn)電纜的導通和絕緣測試。測試系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用便攜式一體化設計，使系統(tǒng)的集成度更高，使用操作更簡單方便。測試系統(tǒng)有兩種供電方式：內(nèi)部蓄電池供電和外部交流220 V供電，測試系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)原理框圖

1)主板控制器完成系統(tǒng)測試軟件的運行控制，通過串口RS232對各功能模塊電路進行通訊，控制功能電路并接收相應的數(shù)據(jù)，進行人機接口命令交互。

2)人機接口單元負責接收操作者的測試要求，顯示測試執(zhí)行過程及測試結(jié)果，并將測試信息和結(jié)果顯示及打印，該接口單元與主板控制器連接，實現(xiàn)相互通訊。

3)內(nèi)部直流電源(鋰電池)提供整個電路系統(tǒng)的工作電源，為高壓電源產(chǎn)生模塊提供輸入、提供恒流源電源以及其它功能電路模塊所需電源。

4)高壓電源產(chǎn)生電路產(chǎn)生250 V直流電壓，為絕緣電阻測試電路提供測試所需高壓。

5)恒流源電路提供導通電阻測試所需的恒定電流源，流經(jīng)被測電纜。

6)通道切換電路由繼電器矩陣開關(guān)陣列組成，接收來自主板控制器的測試指令，將需要測試的被測點分別切換到對應的公共測試通道上。

7)導通電阻測試電路、絕緣電阻測試電路、自檢和校準電路、通訊接口電路主要由ARM為核心器件構(gòu)成的專用模塊電路，分別實現(xiàn)導通電阻測試、絕緣電阻測試、以及與上位機通訊接口功能。

8)自檢和校準電路實現(xiàn)系統(tǒng)定期自檢和校準，保證系統(tǒng)運行的安全性、準確性和可靠性。

3 硬件設計

3.1 高壓電源產(chǎn)生電路

高壓電源產(chǎn)生電路通過上位機的測試命令控制固態(tài)繼電器(MPDCD3)的吸合，將高壓電源產(chǎn)生電路的供電電壓接通，不需要絕緣電阻測試時固態(tài)繼電器斷開，系統(tǒng)高壓電源沒有輸出，保證了測試安全性。選用定制的隔離型DC-DC電源模塊(WRH12250S-8)產(chǎn)生絕緣電阻測試的高壓電源，該電源具有功率密度大，輸出精度高等特點，電路原理圖如圖3所示。

該隔離電源模塊技術(shù)特點：效率高達80%，寬輸入電壓范圍(2:1)，高低溫特性好，過流保護，短路保護(自恢復)，隔離電壓1 500 VDC，工作溫度：-40～+85 ℃，內(nèi)部貼片化設計，金屬屏蔽封裝，MTBF>1 000 000小時等。

3.2 通道切換電路

通道切換電路采用繼電器陣列式設計[4-5]，被測電纜和測試系統(tǒng)形成閉合回路，利用繼電器開關(guān)矩陣，可實現(xiàn)被測回路任意兩點之間的通路和斷路切換測量。通道切換電路功能框圖如圖4。

圖4 通道切換電路功能框圖

通道切換模塊由干簧繼電器(HE3621A0500)組成，繼電器控制由SN74HC573ADW和MC1413D芯片組成的隔離驅(qū)動電路進行驅(qū)動控制，N74HC573ADW用于鎖存控制信號，MC1413D芯片用于驅(qū)動繼電器，提供繼電器的控制電流；控制電路核心使用STM32處理器芯片，通過進行隔離通道切換電路可以進行100路信號的任意兩個通道切換，構(gòu)成了100*2矩陣開關(guān)。

1)HE3621A0500微型單直插式簧片繼電器：

該直插式簧片繼電器可切換300 V 直流電源(10 W時)。由 SIL 封裝制成且包括 A 形(單刀單擲常開)觸點。提供帶二極管抑制線圈，具有標準 5 V 線圈，具有 5 V 二極管抑制線圈；工作溫度范圍：-40～ +85 ℃，觸點電阻150 mΩ。

2)SN74HC573ADW 8D鎖存器：

SN74HC573ADW為八個鎖存器都是透明的D型鎖存器，當使能(G)為高時，Q 輸出將隨數(shù)據(jù)(D)輸入而變。當使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當輸出被關(guān)閉時，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以驅(qū)動大電容或低阻抗負載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅(qū)動器和工作寄存器。

3)MC1413D 8D鎖存器：

MC1413是由七個硅NPN達林頓管組成，MC1413的每一對達林頓管都串聯(lián)一個2.7 K的基極電阻，在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。MC1413工作電壓高，工作電流大，灌電流可以達到500 mA,并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50 V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。

3.3 恒流源電路

恒流源電路用于導通電阻測試，提供整個測試通道電流，該系統(tǒng)選用的測試電流為5 mA；電路主要由TL431精密穩(wěn)壓芯片和N溝道增強型場效應管以及外圍電路構(gòu)成。

用 N溝道增強型場效應管場效應管的漏極電流與源極電流絕對相等，這就大大的減小了負載對恒流源的影響; TL431 的輸入端由穩(wěn)壓芯片提供5 V輸入，這樣就保證了在電源電壓變化的情況下，TL431 的輸入電壓與場效應管的VGS不變，保證了恒流源輸出的精度，根據(jù)測試需要恒流源輸出電流為5 mA。

3.4 導通電阻測試電路

測試系統(tǒng)導通電阻測試，采用四線測量法，此方法可以補償導線電阻，使得測量電阻精度更高[6]。恒定電流通過電流源切換開關(guān)以及繼電器矩陣開關(guān)后流經(jīng)被測電纜電阻R，測試電流為I，被測電纜上產(chǎn)生壓降為U，通道測量開關(guān)閉合后將產(chǎn)生的壓降經(jīng)過放大后送入AD采集芯片，完成被測電纜阻值R的測試，根據(jù)歐姆定律可得：

因此導通電阻：

R=U/I

(1)

四線電阻測量原理框圖如圖5所示。

圖5 四線電阻測量原理

四線電阻測量法是由供給額定電流的電流源端口(兩線)，和檢測電壓降的電壓采集端口所構(gòu)成的(兩線)。連接于被測電纜電阻的電壓采集端口的測試線，因為電壓采集端儀表放大器的輸入電阻很大，基本上沒有電流流過，所以不受測試線電阻以及接觸電阻等影響，可達到精確測量。

采集端輸入端由OP497GS組成的初級放大和電壓跟隨電路對采集電壓進行第一級放大，然后通過儀表放大器INA128U進行第二級放大，放大后的輸出通過ARM芯片內(nèi)部12位AD進行采集。

3.5 絕緣電阻測試電路

測試系統(tǒng)的絕緣電阻測試方法采用分壓法進行對絕緣電阻的測試[7]。通過測量標準采樣電阻上的分壓電壓來計算絕緣電阻值，精密儀表放大器對前端輸入信號進行電壓放大，后端設有分壓和保護電路，防止損壞后級采樣AD，測試采集選用ARM內(nèi)部自帶的AD進行采集[8]。標準采樣電阻分為20 K、100 K、 250 K和500 K四個檔位，測試過程中自主切換，可實現(xiàn)最大300 M絕緣電阻的測量，測試完成，高壓電源繼電器自動斷開，絕緣電阻測試原理框圖如圖6所示。

圖6 絕緣電阻測試原理框圖

圖6中，R1和R2為限流電阻，R3為已知的標準采樣電阻，R為待測絕緣電阻，U1為高壓電源電路產(chǎn)生的高壓，U2為AD采集電路經(jīng)放大器采集的分壓值，根據(jù)全電路歐姆定律可知：

(2)

因此得絕緣電阻:

(3)

被測電纜不同線芯之間的絕緣電阻值，通過由主板控制器和邏輯控制單元控制的矩陣開關(guān)單元，將被測點各個通道切換到絕緣電阻測試電路中，測試電路完成測試后，并將測試結(jié)果值通過總線上傳，最后通過人機交互單元界面顯示出來。

3.6 通訊接口電路

通訊接口電路在整個系統(tǒng)中至關(guān)重要，起到上傳下達的作用。RS232通訊接口利用ARM處理器的片上資源(UART)作為核心，結(jié)合SP3232芯片作為接口電平轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)測試系統(tǒng)所有模塊控制電路與主板控制器的總線通訊，下傳主板控制器通訊控制指令，同時將導通和絕緣測試模塊的測試數(shù)據(jù)，通過總線上傳回主板控制器，并通過人機接口單元顯示出來。RS232接口電路原理圖如圖7所示。

圖7 RS232接口電路原理圖

4 軟件設計

電纜測試系統(tǒng)軟件在WINDOWS 7操作系統(tǒng)，Microsoft Visual C++ 6.0開發(fā)環(huán)境下開發(fā)，數(shù)據(jù)庫選用Excel2007，Word2007，具有良好的人機交互界面[9]，可以方便地設置測試條件、選擇測試項目等信息。測試軟件采用模塊化設計，主要由軟件登陸界面、數(shù)據(jù)文件管理界面、系統(tǒng)維護界面、連接管理界面和測試項目管理界面等組成。軟件登錄界面設置人員操作權(quán)限，防止意外操作造成使用上的風險；數(shù)據(jù)文件管理界面完成測試報表文件的查詢、保存和刪除；系統(tǒng)維護界面完成測試系統(tǒng)的校準和自檢；連接管理界面完成被測電纜芯數(shù)的定義及連接；測試項目管理界面，實現(xiàn)與功能模塊的串口通訊，完成被測電纜的導通測試和絕緣測試。系統(tǒng)軟件功能框圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件功能框圖

軟件總體工作流程為：開機打開測試軟件后．在登陸界面輸入用戶名和密碼，程序會對設備進行初始化．在系統(tǒng)維護界面，運行系統(tǒng)自檢流程。若沒有通過自檢則立刻結(jié)束程序，查找原因，通過自檢后在連接管理界面，進行被測電纜的芯數(shù)定義和接點定義，最后在測試項目界面對被測電纜進行導通測試和絕緣測試，測試完成系統(tǒng)自動生成測試報表。

5 實物運行與結(jié)果分析

衛(wèi)星地面電纜便攜式測試系統(tǒng)，目前已在衛(wèi)星大型試驗場地開展實際應用，在測試場地不具備220 V市電的情況下，系統(tǒng)由內(nèi)部蓄電池供電，進行地面測試電纜和延長電纜的導通測試和絕緣測試。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)開機測試時間超過2小時，仍能正常工作，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測試過程單人操作就能完成測試，測試速度快，測試結(jié)果準確可靠，測試完成自動生成電子版測試報告，不再需要人工記錄，極大提高工作效率，相比傳統(tǒng)的人工測試，效率提高80%以上。由于衛(wèi)星地面測試電纜較多，選取其中一根電纜為例，電纜連接器兩端定義為A2和B2，進行電纜測試，圖9是測試軟件執(zhí)行界面圖。

圖9 測試軟件執(zhí)行界面圖

6 結(jié)束語

衛(wèi)星地面電纜便攜式測試系統(tǒng)，采用硬件和軟件模塊化設計[10]，各功能模塊相對獨立，通過不同的轉(zhuǎn)接電纜組合，可最大實現(xiàn)100芯電纜的導通和絕緣測試，并且測試通道具有可擴展性。供電方式靈活，采用交流220 V外電和內(nèi)部蓄電池兩種供電方式，內(nèi)電方式特別適用于衛(wèi)星大型試驗場地和發(fā)射場等特殊環(huán)境，系統(tǒng)體積小、重量輕、攜帶方便、適應能力強，系統(tǒng)能夠?qū)Φ孛骐娎|實現(xiàn)快速測試，高效準確，并生成測試報表，質(zhì)量形成閉環(huán)，能夠及時檢測出電纜存在的安全隱患，為整星的安全測試提供可靠保障。