發(fā)控盒電源組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 媛，谷建華，苗克堅(jiān)，王毅航

（西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710072）

現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)的功能越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)其可靠性要求越來(lái)越高，而各電子系統(tǒng)供電電源的性能對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)性能的影響巨大。因此，人們對(duì)電源組件的穩(wěn)定性、可靠性和輸出精度提出了更高的要求。

發(fā)控盒電源組件在導(dǎo)彈的發(fā)射過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用，如何準(zhǔn)確、快捷地測(cè)量其各項(xiàng)性能參數(shù)成為一個(gè)重要問(wèn)題[1]。目前多數(shù)航空電子系統(tǒng)電源的測(cè)試還停留在手工測(cè)量輸出（電壓、電流）和人工觀(guān)測(cè)波形（電源紋波特性）上，測(cè)試及記錄過(guò)程操作繁雜、易出錯(cuò)、效率低，而且誤差較大，不符合高精度發(fā)控盒電源組件的測(cè)試要求[1-3]。為解決上述問(wèn)題，提出了一種基于VISA、SCPI與串行通信技術(shù)的發(fā)控盒電源組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)方案，其采用程控自動(dòng)測(cè)試與記錄的方式，集成各測(cè)試儀器，極大提高了測(cè)試效率及測(cè)試精度[4-6]。的保持能力）。該系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，通過(guò)軟件控制示波器、交流電源、直流電源及電子負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)控盒電源組件的自動(dòng)測(cè)試。在測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)需要先模擬載機(jī)為被測(cè)電源組件提供115 V/400 Hz交流電及27 V/28 V直流電，并控制被測(cè)電源組件電子負(fù)載的接入與斷開(kāi)。而后，測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)電子負(fù)載和示波器測(cè)量電源的輸出電壓、電流及紋波，最后將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示，并生成報(bào)表，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源組件準(zhǔn)確、全面、有效地檢測(cè)和故障定位，并能對(duì)其調(diào)試過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，以確保其各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成Fig.1 System structure and component

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概述

發(fā)控盒電源組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)3種電源組件(A/B/C)的測(cè)試而設(shè)計(jì)的。其中，基本測(cè)試項(xiàng)目為電壓測(cè)試、電流測(cè)試、負(fù)載能力測(cè)試及紋波測(cè)試，B、C電源組件還需完成瞬斷測(cè)試 （用于檢測(cè)產(chǎn)品瞬時(shí)斷開(kāi)供電電源后，27 V輸出電壓

1.2 功能模塊

系統(tǒng)的主要功能模塊如下：

1)測(cè)試管理模塊：輸入被測(cè)件型號(hào)、被測(cè)件編號(hào)及測(cè)試人員等信息；

2)配置模塊：對(duì)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行配置，配置可保存為文件形式，供下次直接加載使用；

3)人機(jī)界面模塊：包含自檢程序、校準(zhǔn)程序、測(cè)試程序；

4)數(shù)據(jù)處理模塊：對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，自動(dòng)判讀電源組件性能指標(biāo)的合格與超差；

5)系統(tǒng)通訊模塊：實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)儀器之間的通訊，并采集測(cè)量數(shù)據(jù)；

6)報(bào)表模塊：形成電子版測(cè)試報(bào)告。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

電源組件測(cè)試系統(tǒng)由工控機(jī)、交流電源、直流電源、電子負(fù)載、示波器、適配單元等部分組成。其中，交流電源、直流電源和電子負(fù)載通過(guò)RS232串口與工控機(jī)相連，示波器通過(guò)USB接口與工控機(jī)相連。各部分的功能如下：

1)工控機(jī)：運(yùn)行測(cè)控軟件，程控其它儀器，是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心；

2)交流電源：模擬載機(jī)向不同的被測(cè)電源組件提供三相115 V/400 Hz或單相115 V/400 Hz交流電；

3)直流電源：模擬載機(jī)向不同的被測(cè)電源組件提供27 V/28 V直流電；

4)電子負(fù)載：作為被測(cè)電源組件的負(fù)載使用，并可同時(shí)檢測(cè)負(fù)載上的電壓值和電流值；

5)示波器：用于電源組件的紋波測(cè)試和瞬斷測(cè)試；

6)適配單元：用于轉(zhuǎn)接來(lái)自不同電源組件（A/B/C)的測(cè)試線(xiàn)纜到測(cè)試儀器。

2.2 適配單元設(shè)計(jì)

對(duì)測(cè)試系統(tǒng)而言，適配單元應(yīng)具有較高的抗干擾能力及可靠的安全性能 （指系統(tǒng)發(fā)生意外或操作人員操作不當(dāng)時(shí)，保護(hù)操作者的安全和避免測(cè)試儀器損壞的能力），。因此，適配單元內(nèi)部應(yīng)盡量采用受環(huán)境因素影響小的器件，合理分配高電壓、大電流以及高頻等信號(hào)的接地點(diǎn)，降低電磁干擾，減小測(cè)試誤差。

適配單元主要功能如下：

1)測(cè)試線(xiàn)纜識(shí)別功能。其原理是，在測(cè)試電纜插座內(nèi)留出3根線(xiàn)，其中一根接地，其余兩根拉高電平，當(dāng)測(cè)試電纜插座與被測(cè)件插頭連接后，由預(yù)先跳線(xiàn)改變兩根拉高電平的電平高低，即可通過(guò)這3根線(xiàn)的高低電平判斷當(dāng)前線(xiàn)纜是3種電源組件(A/B/C)的哪種，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)纜的自動(dòng)識(shí)別功能。

2)示波器通道切換功能。由于示波器只有兩個(gè)通道，而要觀(guān)測(cè)七路信號(hào)，所以需要輔以通道切換電路實(shí)現(xiàn)多通道測(cè)量。繼電器具有接觸電阻小，過(guò)流大的特點(diǎn)，所以選用其與示波器組成程序控制電路，實(shí)現(xiàn)通道切換功能，這不影響系統(tǒng)的測(cè)試精度。其中，切換對(duì)象有電源組件A/B/C紋波測(cè)試，三路；三相115 V自檢測(cè)試，三路；27 V直流電源，一路?？傆?jì)七路。如圖2，為適配單元框圖。

3)27 V對(duì)地短接控制。根據(jù)測(cè)試需求，電源組件輸出的27 V直流電需要控制對(duì)地短接或者懸空。系統(tǒng)通過(guò)控制大電流觸頭繼電器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 適配單元框圖Fig.2 Adapter unit block diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

發(fā)控盒電源組件測(cè)試系統(tǒng)軟件用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源組件自動(dòng)測(cè)試。該軟件使用Visual Studio 2008集成環(huán)境開(kāi)發(fā)，基于MFC框架，采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)。軟件中的波紋顯示部分基于NIMeasure Studio開(kāi)發(fā)。

3.1 軟件分層架構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)總體分為3層：交互層、邏輯層和通訊層，不同的層次完成不同的任務(wù)。如圖3所示。

交互層為圖形化程序界面，用于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與系統(tǒng)之間的交互。用戶(hù)對(duì)測(cè)試過(guò)程的監(jiān)控、狀態(tài)的查詢(xún)及數(shù)據(jù)的保存都是在交互層中實(shí)現(xiàn)的。邏輯層為交互層提供底層支持，測(cè)試功能模塊（自檢模塊、校準(zhǔn)模塊、測(cè)試模塊）的具體實(shí)現(xiàn)都是由邏輯層完成的。通訊層主要完成對(duì)底層驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行封裝并為邏輯層提供統(tǒng)一的函數(shù)接口。

圖3 軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture

3.2 交互層

系統(tǒng)的交互層使用圖形化程序界面與用戶(hù)進(jìn)行交互，操作簡(jiǎn)單、方便，同時(shí)還提供了與邏輯層進(jìn)行通訊的接口，這樣設(shè)計(jì)可以使同一界面加載不同的邏輯層，實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試項(xiàng)目。用于系統(tǒng)啟動(dòng)后，對(duì)各個(gè)儀器進(jìn)行檢測(cè)校準(zhǔn)。

3.3 邏輯層

3.3.1 自檢模塊

測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電源組件進(jìn)行測(cè)試前，必須對(duì)測(cè)試系統(tǒng)本身進(jìn)行自檢，以確保測(cè)試過(guò)程的安全可靠。自檢時(shí)，通過(guò)線(xiàn)纜識(shí)別，將測(cè)試系統(tǒng)直流27 V/28 V輸出通過(guò)測(cè)試線(xiàn)纜連接到各儀器的輸入上，實(shí)現(xiàn)對(duì)各儀器的檢測(cè)。

3.3.2 測(cè)試模塊

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)3種型號(hào)電源組件的測(cè)試，其測(cè)試流程大體相同。都可對(duì)輸出的紋波、電壓、電流進(jìn)行單步測(cè)試；也可直接選擇自動(dòng)測(cè)試流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源組件的綜合測(cè)試，最終得到完整報(bào)表數(shù)據(jù)，以供分析。如圖4所示，對(duì)發(fā)控盒電源組件A的自動(dòng)測(cè)試流程進(jìn)行了具體說(shuō)明。

圖4 A發(fā)控盒電源組件測(cè)試流程Fig.4 A power supply componentauto testing process

3.4 通訊層

在Windows XP環(huán)境下，測(cè)試系統(tǒng)利用串行通信控件MSComm進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)與儀器（直流電源、交流電源、電子負(fù)載）的通訊，通訊協(xié)議分別適應(yīng)3個(gè)儀器廠(chǎng)家自行規(guī)定的串口通訊協(xié)議與字符格式。工控機(jī)用USB接口與示波器相連，通過(guò)SCPI命令實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器的控制。

3.4.1 VISA

VISA(Virtual Instrument Software Architecture)虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)，其實(shí)質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫(kù)及相關(guān)規(guī)范的總稱(chēng)。它對(duì)于程序開(kāi)發(fā)者而言，就是一個(gè)操作函數(shù)集，提供了標(biāo)準(zhǔn)化的I/O接口軟件規(guī)范。只需了解VISA I/O函數(shù)的格式和參數(shù)，調(diào)用時(shí)將參數(shù)傳入就可以完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)，而并不用關(guān)心VISA庫(kù)與儀器間的溝通細(xì)節(jié)問(wèn)題。這樣就可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與各設(shè)備間軟件層的連接，使整個(gè)系統(tǒng)具有較好的可維護(hù)性，大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間，使開(kāi)發(fā)者不必關(guān)注底層設(shè)置，只需注重儀器本身的控制編程。

在電源組件測(cè)試系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)中，多次使用到了VISA庫(kù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)與各個(gè)儀器間的通訊。下面對(duì)軟件中常用到的VISA函數(shù)進(jìn)行說(shuō)明：

1)資源管理函數(shù) ViOpenDefaultRM()

在使用VISA函數(shù)前，首先要用函數(shù)ViOpenDefaultRM()打開(kāi)資源管理器，對(duì)VISA系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)和初始化，之后才可使用VISA的其他函數(shù)。所以說(shuō)，ViOpenDefaultRM()函數(shù)是所有VISA工作的基礎(chǔ)。

2)打開(kāi)會(huì)話(huà)函數(shù)ViOpen()

ViOpen()函數(shù)用于打開(kāi)特定資源的會(huì)話(huà)通道,建立與資源的邏輯連接，即實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與儀器的連接。

3)設(shè)置屬性函數(shù)ViSetAttribute()

ViSetAttribute()函數(shù)可用于設(shè)置資源狀態(tài)值。程序可以使用屬性確定資源或會(huì)話(huà)的狀態(tài)，也可以把資源或會(huì)話(huà)設(shè)置到指定的狀態(tài)。

4)讀/寫(xiě)函數(shù)ViRead()/ViWrite()

通過(guò)ViRead()與ViWrite()函數(shù)進(jìn)行工控機(jī)與儀器間的數(shù)據(jù)傳輸，讀寫(xiě)操作。

5)清除器件函數(shù)ViClear()ViClear()是發(fā)送清除指令。6)關(guān)閉會(huì)話(huà)函數(shù)ViClose()ViClose()關(guān)閉特定的會(huì)話(huà)通道。

3.4.2 SCPI命令

若要實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對(duì)儀器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，即實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的程控功能，就需要用到SCPI可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（Standard Commands for Programmable Instruments ，SCPI），這是程控各種儀器的基礎(chǔ)，是為解決程控儀器編程進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化而制定的標(biāo)準(zhǔn)程控語(yǔ)言，目前已經(jīng)成為重要的程控軟件標(biāo)準(zhǔn)之一。

SCPI命令是通過(guò)以太網(wǎng)[8]、USB、IEEE488.1、RS232 等接口來(lái)控制各個(gè)儀器的，但通常只應(yīng)用于與之對(duì)應(yīng)的儀器。每條命令獨(dú)立完成特定的功能，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)重設(shè)、自我測(cè)試等的操作，從事對(duì)開(kāi)關(guān)的切斷，數(shù)據(jù)的測(cè)量與讀寫(xiě)等一系列的儀器設(shè)置工作。

發(fā)控盒電源組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)選用的是Agilent公司DSOX2012A型號(hào)的示波器[9]，以下是在測(cè)試軟件編寫(xiě)中運(yùn)用到的部分SCPI命令：

1):TRIGger[:EDGE]:SOURce＜source＞ //設(shè)置通道命令

2):CHANnel＜n＞:UNITs＜units＞//設(shè)置計(jì)量單位命令

3):CHANnel＜n＞:SCALe ＜scale＞//設(shè)置垂直刻度命令

4):WAVeform:POINts ＜#points＞//設(shè)置單位格子內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)命令

5):WAVeform:PREamble//返回十項(xiàng)紋波測(cè)試參數(shù)用于計(jì)算，最終得到紋波測(cè)試圖的命令

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)測(cè)試技術(shù)綜合了測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)等多種技術(shù)于一體，在航空、航天、航海、信息、能源等領(lǐng)域，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。該發(fā)控盒電源組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，利用智能儀器構(gòu)建了以工控機(jī)為核心的測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)周期短、系統(tǒng)精度高，現(xiàn)已投入使用。系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快捷地自動(dòng)測(cè)試3種電源組件的各項(xiàng)性能參數(shù)，其軟件也具有較強(qiáng)的可移植性和可擴(kuò)充性。由此可見(jiàn)，該測(cè)試系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用和推廣使用價(jià)值。

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