基于虛擬儀器的某彈藥電性能檢測(cè)儀設(shè)計(jì)*

范志鋒，齊杏林，劉加凱，于春華

(解放軍軍械工程學(xué)院，石家莊 0 50003)

0 引言

某彈藥是近年來列裝部隊(duì)的一種含有電子部件的復(fù)雜彈藥系統(tǒng)[1]。電子部件是該彈藥的核心部件，電子部件性能的好壞是決定該彈藥能否完成預(yù)定功能的關(guān)鍵所在。目前，部隊(duì)缺乏具備定量檢測(cè)和故障定位功能的檢測(cè)儀。虛擬儀器技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理功能，突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲(chǔ)等方面的限制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、一機(jī)多用、測(cè)量精度高、用戶可自行開發(fā)軟件等特點(diǎn)，適宜于構(gòu)建層次體系明晰、功能強(qiáng)大且人機(jī)界面友好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和便捷高效的控制系統(tǒng)[2－3]。

文中的某彈藥電性能檢測(cè)儀以虛擬儀器技術(shù)為核心，以 Lab VIEW[4]為開發(fā)工具，采用 PXI總線[5]，基于單片機(jī)設(shè)計(jì)適配電路，完成了該彈藥電性能的定量檢測(cè)，滿足了檢測(cè)的安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性、測(cè)量精度和擴(kuò)展性等要求。

1 檢測(cè)儀總體設(shè)計(jì)

某彈藥電性能檢測(cè)儀由硬件和軟件兩部分組成。檢測(cè)時(shí)，將被測(cè)彈藥放置在檢測(cè)臺(tái)架上，檢測(cè)儀通過檢測(cè)電纜與被測(cè)彈藥的檢測(cè)接口相連。彈藥電子部件的整個(gè)檢測(cè)過程，包括輸入的直流工作電壓、控制指令、輸出耗電電流、控制電壓均由檢測(cè)儀通過檢測(cè)電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。為保證檢測(cè)過程中彈藥意外發(fā)火情況下的安全，應(yīng)保證人彈隔離，即操作檢測(cè)儀的人員與被測(cè)彈藥通過檢測(cè)電纜實(shí)現(xiàn)隔離。在有檢測(cè)工房的條件下，人員和檢測(cè)儀位于操作間，被測(cè)彈藥位于測(cè)試間。檢測(cè)原理如圖1所示。

2 檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，由PXI機(jī)箱(含控制器)、采集卡、適配電路、UPS電源、電源模塊1及相應(yīng)的連接電纜等組成，檢測(cè)儀原理框圖見圖2。檢測(cè)儀所有的功能模塊均組裝在一個(gè)箱體內(nèi)。

圖1 某彈藥電性能檢測(cè)原理圖

檢測(cè)儀的電源為 AC220V、50Hz，采用UPS電源進(jìn)行供電。AC220V電壓給電源模塊1供電。電源模塊1是AC/DC模塊，用于將AC220V、50Hz交流電變化成直流電，為電源模塊2供電。電源模塊1的輸出電壓是DC24V。

PXI機(jī)箱(含控制器)是整個(gè)檢測(cè)儀的控制器。通過運(yùn)行自檢程序，對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行自檢;通過運(yùn)行檢測(cè)程序，用來管理檢測(cè)過程，按時(shí)序檢測(cè)彈藥的電參數(shù)，進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，并將結(jié)果送到顯示器或打印機(jī)。本檢測(cè)儀選用了PXIS-2630機(jī)箱，具有8個(gè)PXI插槽，滿足了某彈藥檢測(cè)和未來功能擴(kuò)展的要求?？刂破鬟x用 PXI-3950 控制器[6]，具有主頻 2.2GHz，內(nèi)存4G，硬盤160G，滿足運(yùn)行速度和檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。

圖2 檢測(cè)儀原理框圖

采集卡主要完成彈藥電子部件靜態(tài)耗電電流、功率放大器之間4個(gè)電壓值和電位器狀態(tài)、3種指令控制信號(hào)下電子儀器組件輸出電壓等參數(shù)的采集，同時(shí)也可對(duì)適配電路產(chǎn)生的3種指令信號(hào)、電源模塊2的輸出電壓進(jìn)行采集。根據(jù)信號(hào)采集頻率的要求，選用NI PXI6254多功能數(shù)據(jù)采集卡[6]，其采樣頻率為1.25MHz，滿足指令信號(hào)最大頻率21kHz的采樣要求，單端32路、差分16路模擬輸入，滿足多路信號(hào)同步采集和未來功能擴(kuò)展要求。

適配電路由單片機(jī)、繼電器、調(diào)理電路、信號(hào)發(fā)生器、自檢電路和電源模塊2組成。適配電路主要完成向彈藥電路的供電，向功率放大器輸入控制指令信號(hào)，產(chǎn)生3種指令控制信號(hào)，被測(cè)彈藥輸入輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，自檢與檢測(cè)功能切換等功能。整個(gè)適配電路的工作是在其內(nèi)部的單片機(jī)的控制下完成的。適配電路與PXI機(jī)箱之間的通訊通過RS232接口完成。繼電器主要用于自檢和檢測(cè)功能的切換。調(diào)理電路主要用于給彈藥電子部件中的功率放大器輸入控制指令，以及對(duì)彈藥電子部件的靜態(tài)電流，功率放大器之間4個(gè)電壓值和電位器狀態(tài)，3種指令控制信號(hào)下電子儀器組件輸出電壓以及電源模塊2的輸出電壓等諸多信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生3種指令控制信號(hào)。自檢電路用于產(chǎn)生等效的正確信息和超出標(biāo)注公差的信息。電源模塊2是DC/DC模塊，用于適配電路自身的供電以及為被檢彈藥提供電壓。電源模塊2的輸出電壓有4路，其中有兩路電壓為被測(cè)彈藥的電路供電，另外兩路電壓為適配電路供電。

3 檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)檢測(cè)過程(含自檢)由PXI計(jì)算機(jī)中的測(cè)試軟件進(jìn)行控制。測(cè)試軟件采用NI公司的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境Lab VIEW開發(fā)。整個(gè)檢測(cè)軟件包括自檢、檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析和處理以及參數(shù)標(biāo)定等功能模塊。檢測(cè)軟件的功能選擇界面如圖3所示。

圖3 檢測(cè)軟件的功能選擇界面

自檢包括“自檢1”和“自檢2”。“自檢1”時(shí)，檢測(cè)儀內(nèi)部產(chǎn)生在公差范圍之內(nèi)的正確的信息電壓，然后與標(biāo)注公差進(jìn)行比較，最后在面板上顯示結(jié)果;“自檢2”時(shí)，檢測(cè)儀內(nèi)部產(chǎn)生超出公差范圍的信息電壓，最后在面板上顯示結(jié)果?！皺z測(cè)參數(shù)設(shè)置”用來設(shè)置被測(cè)彈藥的編號(hào)、測(cè)試時(shí)環(huán)境溫濕度以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)路徑?！斑B續(xù)檢測(cè)”用來對(duì)被測(cè)彈藥的靜態(tài)電流、功率放大器之間4個(gè)電壓值和電位器狀態(tài)、3種指令控制信號(hào)下電子儀器組件輸出電壓進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，并顯示每項(xiàng)檢測(cè)值和結(jié)果，對(duì)不合格值給出故障部位。為保證檢測(cè)的安全性，對(duì)彈藥實(shí)施檢測(cè)前，要求輸入合格的電阻值，即在登錄“連續(xù)檢測(cè)”界面時(shí)，設(shè)置了“安全檢測(cè)登錄”界面?！胺植綑z測(cè)”是在“連續(xù)檢測(cè)”中某項(xiàng)參數(shù)出現(xiàn)不合格值時(shí)，對(duì)該項(xiàng)參數(shù)可以進(jìn)行單獨(dú)重復(fù)測(cè)試?！爱?dāng)前數(shù)據(jù)分析”可以查看檢測(cè)數(shù)據(jù)的波形和具體檢測(cè)結(jié)果的EXCEL報(bào)表，并自動(dòng)儲(chǔ)存檢測(cè)結(jié)果。“歷史數(shù)據(jù)分析”可以查看以往被測(cè)彈藥的檢測(cè)結(jié)果。“設(shè)置標(biāo)定參數(shù)”用于輸入電流系數(shù)、電壓系數(shù)的標(biāo)定值。

4 檢測(cè)儀關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)

該檢測(cè)儀研制成功后，進(jìn)行了精度標(biāo)定，用1發(fā)檢測(cè)彈進(jìn)行了20次測(cè)試，檢測(cè)數(shù)據(jù)一致性較好。同時(shí)檢測(cè)了5發(fā)實(shí)彈，檢測(cè)結(jié)果均正常。該檢測(cè)儀完成了某彈藥電子部件定量檢測(cè)功能，能夠顯示輸入信號(hào)的波形和特征值，并有一定的故障定位功能，重點(diǎn)解決了含有炸藥的實(shí)彈檢測(cè)過程中的安全性、抗干擾性問題，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效管理，同時(shí)滿足了未來某彈藥部件分解后進(jìn)行檢測(cè)功能擴(kuò)展的要求。

4.1 安全性

檢測(cè)過程中的安全性主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì):

1)在對(duì)實(shí)彈進(jìn)行檢測(cè)前，軟件中設(shè)置了“安全檢測(cè)登錄”界面，檢測(cè)人員只有輸入合格的電阻值才能進(jìn)行電性能檢測(cè)，從源頭上保證了實(shí)彈檢測(cè)的安全性;

2)對(duì)彈藥電子部件供電電路進(jìn)行了多重防護(hù)。在檢測(cè)過程中，由于彈藥自身攜帶的電池不工作，需要利用檢測(cè)儀向被測(cè)彈藥供電。供電電壓或輸入電流過高，會(huì)導(dǎo)致彈藥意外發(fā)火，造成安全事故。采用的主要防護(hù)措施有:電源模塊1和電源模塊2為軍品電源，均具有過壓和過流保護(hù)功能;給彈藥供電的電路中設(shè)置有電壓瞬態(tài)抑制二極管[7]，電壓超過一定值能夠?qū)㈦妷恒Q制住，防止輸入彈藥的電壓過高;給彈藥供電的電路上設(shè)置有保險(xiǎn)管，過流時(shí)能夠自動(dòng)切斷供電電路;檢測(cè)過程中，實(shí)現(xiàn)了人彈隔離，保證彈藥意外發(fā)火人員的安全。

4.2 抗干擾

干擾問題是影響測(cè)試精度的重要原因。檢測(cè)過程中的抗干擾問題主要從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行解決。

1)硬件方面解決抗干擾的措施主要有:為防止外界的電磁干擾，在電源模塊1中設(shè)置了電源濾波器;為防止適配電路中單片機(jī)控制信號(hào)對(duì)被測(cè)彈藥輸入信號(hào)產(chǎn)生干擾，適配電路中設(shè)置了光電耦合器;為實(shí)現(xiàn)被測(cè)彈藥輸入高頻指令信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸，對(duì)檢測(cè)電纜進(jìn)行了雙層屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)。

2)軟件方面解決抗干擾的的措施主要有:利用延時(shí)采集，避免了多功采集卡中多路開關(guān)切換信號(hào)時(shí)抖動(dòng)現(xiàn)象;采用軟件濾波技術(shù)，對(duì)獲得的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，提高了檢測(cè)儀的抗干擾和噪聲能力。

5 結(jié)論

文中基于虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建了一臺(tái)某彈藥電性能檢測(cè)儀，在保證完成實(shí)彈電子部件定量檢測(cè)的同時(shí)，重點(diǎn)解決了檢測(cè)過程中的安全性、抗干擾性等問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)儀完全能夠滿足部隊(duì)彈藥質(zhì)量檢測(cè)和修理機(jī)構(gòu)對(duì)某彈藥電性能定量檢測(cè)的要求，為該彈的質(zhì)量監(jiān)測(cè)和修理提供了條件，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]總裝備部通用裝備保障部.新型通用彈藥(2001年～2007年)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2009.

[2]陳非凡，吳燕瑞，杜建軍.基于虛擬儀器的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的研究[J].裝備制造技術(shù)，2011(6):40－42.

[3]喬運(yùn)英，郭曉松，朱智，等.基于虛擬儀器的起豎實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(9):2125－ 2129.

[4]白云，高育鵬，胡小江，等.基于Lab VIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[5]高燕，林建輝.幾種常用測(cè)試系統(tǒng)總線的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].中國測(cè)試技術(shù)，2004，30(3):17 －18.

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