某型引信自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)接口適配器的設(shè)計(jì)

姜景偉，李國(guó)林，周鵬飛

(海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001)

接口適配器的設(shè)計(jì)是綜合集成測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，大量測(cè)試信號(hào)匯集于此并在此完成分配，在測(cè)試資源與被測(cè)試設(shè)備之間起橋梁作用［1］。接口適配器的作用主要有以下兩個(gè)方面，一是對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行機(jī)械連接，二是對(duì)信號(hào)信號(hào)進(jìn)行電氣連接［2］。在機(jī)械連接方面，由于被測(cè)試設(shè)備的測(cè)試接口各不相同，通過接口適配器匹配種類繁多的被測(cè)設(shè)備接口和PXI儀器接口的連接，大量的連接線路都置于適配器內(nèi)，增加了系統(tǒng)的集成度，縮短了系統(tǒng)的展開及撤收時(shí)間，提高測(cè)試效率;在電氣連接方面，激勵(lì)、控制、待測(cè)及電源信號(hào)都通過適配器內(nèi)部電路進(jìn)行傳輸，并完成各信號(hào)的調(diào)理，包括隔離、濾波、整形、限幅和多路切換等，完成各信號(hào)與測(cè)試資源的匹配。

接口適配器一般有2種設(shè)計(jì)方案［3］，一種是多適配器方案，即為每個(gè)待測(cè)組件單獨(dú)設(shè)計(jì)接口適配器，該方案雖設(shè)計(jì)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但待測(cè)組件較多時(shí)，會(huì)增加研制周期及測(cè)試系統(tǒng)的規(guī)模;另外一種是單適配器方案，即對(duì)各待測(cè)組件的信號(hào)分類處理，設(shè)計(jì)一個(gè)接口適配器，該方案雖然設(shè)計(jì)難度較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但在多組件情況下，能很好地縮短研制周期、減小測(cè)試系統(tǒng)的規(guī)模。根據(jù)測(cè)試需求，結(jié)合部隊(duì)的實(shí)際使用情況，單適配器設(shè)計(jì)方案比較適合本設(shè)計(jì)。

1 接口適配器的總體設(shè)計(jì)

某型引信系統(tǒng)由9個(gè)功能模塊組成，測(cè)試時(shí)需對(duì)每個(gè)功能模塊單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過測(cè)試需求分析，決定設(shè)計(jì)基于PXI總線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，所需的測(cè)試資源包括1臺(tái)PXI機(jī)箱、9塊PXI板卡、1塊集成電源模塊，為實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的可靠交聯(lián)，設(shè)計(jì)如圖1所示的接口適配器方案。

圖1 接口適配器總體設(shè)計(jì)

適配器的設(shè)計(jì)采用測(cè)試信號(hào)集中互聯(lián)的思想［4］，共設(shè)計(jì)了3種測(cè)試連接接口，包括測(cè)試資源接口、電源接口和待測(cè)組件接口。其中測(cè)試資源接口位于接口適配器的前面板上，通過電纜連接測(cè)試資源;電源接口同樣位于接口適配器的前面板上，通過電纜連接集成電源模塊;待測(cè)組件接口位于接口適配器的后面板上，通過電纜連接待測(cè)組件。測(cè)試信號(hào)由某型引信經(jīng)接口適配器輸送至測(cè)試資源共需經(jīng)過3次分配。測(cè)試信號(hào)由某型引信送至待測(cè)組件接口進(jìn)入適配器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的第1次分配;在適配器內(nèi)部按測(cè)試信號(hào)的類型(模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、電源信號(hào)等)進(jìn)行分類傳輸，并完成部分信號(hào)的調(diào)理，將信號(hào)分類匯集到前面板的測(cè)試資源接口及電源接口，實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的第2次分配;測(cè)試信號(hào)由測(cè)試資源接口輸送至測(cè)試資源模塊接口的過程中，實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的第3次分配。

2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

測(cè)試信號(hào)多種多樣，不是所有的測(cè)試信號(hào)都能夠很好的與測(cè)試資源的采集范圍相匹配，對(duì)于相匹配的測(cè)試信號(hào)，經(jīng)接口適配器中的連接電纜送入測(cè)試資源進(jìn)行采集;對(duì)于不匹配的測(cè)試信號(hào)，在送入測(cè)試資源進(jìn)行采集前，需要經(jīng)過接口適配器中相應(yīng)的調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行調(diào)理，完成采集前的匹配轉(zhuǎn)換［5］。

2.1 分壓電路設(shè)計(jì)

某型引信系統(tǒng)輸出的模擬量電壓信號(hào)需由多功能采集卡中的AD通道進(jìn)行采集，AD通道允許的輸入電壓值范圍在-10 V到+10 V之間，而引信系統(tǒng)輸出的模擬量電壓信號(hào)的幅值達(dá)到了幾十伏級(jí)甚至上百伏級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了采集卡的采集范圍，需對(duì)其進(jìn)行分壓轉(zhuǎn)換處理送至采集卡采集。

本設(shè)計(jì)使用東芝公司推出的TLP521-4型光電耦合器，通過測(cè)試資源中的數(shù)字I/O卡對(duì)相應(yīng)管腳置低電平，程控選通不同阻值的電阻接入分壓回路中，在一個(gè)電路中實(shí)現(xiàn)不同倍數(shù)的分壓，之后經(jīng)射隨器輸出，滿足不同電壓信號(hào)的分壓需求。設(shè)計(jì)的電路及電路仿真結(jié)果如圖2所示。仿真以27 V輸入電壓為例，選通R1(10 k)接入分壓電路，理論上輸出電壓為6.75 V，仿真結(jié)果為6.725 V，設(shè)計(jì)的電路具有較好的分壓效果，符合預(yù)期。

圖2 分壓電路設(shè)計(jì)及仿真

2.2 電流測(cè)量電路設(shè)計(jì)

在對(duì)某型引信系統(tǒng)的測(cè)試過程中，要對(duì)其功能模塊正常工作時(shí)消耗的電流測(cè)量，確保其消耗的電流值能夠在戰(zhàn)技指標(biāo)要求的正常范圍內(nèi)。希望設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)能夠在不影響系統(tǒng)組件中電路的電氣參數(shù)的前提下，完成對(duì)系統(tǒng)組件工作消耗的電流進(jìn)行高精度的測(cè)量。通過零磁通式霍爾電流傳感器可實(shí)現(xiàn)電流的“非接觸”測(cè)量［6］。設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖3 電流測(cè)量電路

電路中的測(cè)量電阻Rm選用阻值為100 Ω的精密電阻，傳感器采用±15 V雙端供電。為減少電源對(duì)測(cè)量電路產(chǎn)生的干擾，電路中的供電端要設(shè)置去耦電容接地，通過0.1 μF的去耦電容濾去10 MHz以下的噪聲，通過10 μF的去耦電容濾去高頻噪聲。

2.3 濾波及放大電路設(shè)計(jì)

引信系統(tǒng)某功能模塊輸出的待測(cè)試電壓信號(hào)幅值很小(為10 mV級(jí)別)，遠(yuǎn)低于AD采集板卡的最小輸入電壓范圍，且易受外界噪聲信號(hào)干擾，如果將其直接輸入采集板卡進(jìn)行采集，將在AD轉(zhuǎn)換過程中引入很大的誤差，使測(cè)試結(jié)果的精度大大降低，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)不能反映系統(tǒng)工作組件的真實(shí)工作狀況，因此在采集前應(yīng)進(jìn)行濾除干擾噪聲及放大處理［7］。

由于待測(cè)信號(hào)為直流信號(hào)，外界產(chǎn)生的干擾主要有高頻雜波干擾和工頻(50 Hz)干擾。本文設(shè)計(jì)的濾波電路如圖4所示，采用二級(jí)串聯(lián)形式，其中第一級(jí)設(shè)計(jì)為無源低通濾波器，主要用來濾除待測(cè)信號(hào)中的高頻雜波干擾信號(hào);第二級(jí)設(shè)計(jì)為帶阻濾波器，主要用來濾除待測(cè)信號(hào)中的工頻干擾信號(hào)。仿真圖中通道A(藍(lán)色)是未經(jīng)過濾波處理的波形，待測(cè)信號(hào)完全淹沒在干擾噪聲中;通道B(綠色)是經(jīng)過設(shè)計(jì)的濾波器處理后的波形，信號(hào)幅值在29.4 mV到30.5 mV間波動(dòng)，能很好地將干擾信號(hào)濾去并還原出待測(cè)信號(hào)，濾波電路的效果達(dá)到預(yù)期。

圖4 濾波電路設(shè)計(jì)及仿真圖

設(shè)計(jì)AD采集前端放大電路的目的是放大需要采集的待測(cè)信號(hào)，使其接近AD采集卡的轉(zhuǎn)換量程，提高測(cè)量精度。為了更好地抑制噪聲對(duì)待測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的干擾，在設(shè)計(jì)的信號(hào)放大電路中使用德州儀器(TI)公司推出的共模抑制比的很高三運(yùn)放儀表放大器INA333。電路設(shè)計(jì)如圖5所示。其中INA333的單端供電形式要求放大器輸入信號(hào)幅值要大于0.1 V，而本設(shè)計(jì)中待測(cè)信號(hào)幅值為幾十mV，因此必須采用雙端供電形式。

圖5 放大電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電路的放大倍數(shù)為

將RG設(shè)為5 kΩ，能實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)的21倍放大。

3 矩陣開關(guān)設(shè)計(jì)

測(cè)試資源中的源測(cè)量單元只有4路可編程電源輸出，而待測(cè)組件需要10路激勵(lì)信號(hào)，為充分利用測(cè)試資源，減小測(cè)試系統(tǒng)規(guī)模，可通過設(shè)計(jì)4×10矩陣開關(guān)，將板卡輸出的4路可編程電源信號(hào)切換到引控外源系統(tǒng)中需要激勵(lì)信號(hào)的各待測(cè)組件中。矩陣開關(guān)設(shè)計(jì)中選用松下公司推出的DSP1a-DC12V單刀單擲電磁繼電器;選用大電流傳輸比(CTR)的達(dá)林頓型光電耦合器TLP523-4作為繼電器的前端選通，起到隔離數(shù)字I/O卡和提高電流驅(qū)動(dòng)能力的作用;選用達(dá)林頓管ULN2003D選通繼電器后端，并起吸收電流作用。通過數(shù)字I/O卡對(duì)光耦及達(dá)林頓管相應(yīng)管腳置高低電平，即可選通相應(yīng)行和列，矩陣開關(guān)及驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 矩陣開關(guān)及其控制電路

對(duì)圖6電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。仿真中由于元器件庫(kù)的限制，使用TLP521替代TLP523，由于TLP521的CTR較低(50% ～100%)，需要適當(dāng)提高IF，通過開關(guān)J1、J2對(duì)光耦和達(dá)林頓管置高低電平，控制繼電器K1的通斷。從仿真結(jié)果中得知，當(dāng)分別對(duì)光耦和達(dá)林頓管的相應(yīng)管腳置高電平時(shí)，即可接通相應(yīng)行、列的繼電器，因此，設(shè)計(jì)的電路符合要求。

4 抗干擾設(shè)計(jì)

接口適配器中接線復(fù)雜，匯集著大量的測(cè)試信號(hào)，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮連接電纜信號(hào)傳輸質(zhì)量及信號(hào)間的干擾問題。

4.1 接地設(shè)計(jì)［8］

測(cè)試信號(hào)的接地方式有單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地［9］，單點(diǎn)接地適用與低頻信號(hào)，可消除公共阻抗耦合和地環(huán)路對(duì)測(cè)試信號(hào)的影響，多點(diǎn)接地適用于高頻信號(hào)，可消除共模電壓對(duì)測(cè)試信號(hào)的影響。測(cè)試信號(hào)的頻率在1 MHz以下時(shí)，要采用單點(diǎn)接地設(shè)計(jì);測(cè)試信號(hào)頻率在1～10 MHz之間且接地線較短時(shí)(小于波長(zhǎng)的二十分之一)要采用單點(diǎn)接地設(shè)計(jì)，否則采用多點(diǎn)接地設(shè)計(jì);測(cè)試信號(hào)頻率超過10 MHz時(shí)，采用多點(diǎn)接地設(shè)計(jì)。

為減少外界電場(chǎng)在測(cè)試信號(hào)輸送過程中的對(duì)測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生干擾，系統(tǒng)中的信號(hào)輸送電纜應(yīng)使用經(jīng)過接地處理的金屬屏蔽體屏蔽［10］。整個(gè)系統(tǒng)選擇測(cè)試資源的接地點(diǎn)為參考接地點(diǎn)，適配器接地點(diǎn)及待測(cè)組件接地點(diǎn)應(yīng)與其相連。

圖7 矩陣開關(guān)及其控制電路仿真圖

4.2 測(cè)試信號(hào)分類傳輸

為減少各不同類型的測(cè)試信號(hào)之間的相互干擾，在適配器內(nèi)部將測(cè)試信號(hào)按其類型(模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、電源信號(hào)等)進(jìn)行分類傳輸，對(duì)每類信號(hào)設(shè)計(jì)專用傳輸通道。

4.3 測(cè)試資源分時(shí)靜默，減少干擾

測(cè)試過程中，在同一時(shí)刻，只會(huì)使用測(cè)試資源中的1個(gè)或其中的幾個(gè)，這時(shí)未被使用的測(cè)試資源的輸出就會(huì)對(duì)正在使用的測(cè)試資源產(chǎn)成干擾，通過軟件設(shè)計(jì)使未被使用的測(cè)試資源靜默(不產(chǎn)生輸出)，從而減少干擾。

5 結(jié)束語(yǔ)

接口適配器設(shè)計(jì)是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文依托于某型引信自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了適合該引信自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的接口適配器。首先介紹了接口適配器的總體設(shè)計(jì)及工作過程，著重介紹了適配器內(nèi)部信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，給出設(shè)計(jì)電路并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，之后設(shè)計(jì)了矩陣開關(guān)及其驅(qū)動(dòng)電路，說明其工作工程，并完成仿真驗(yàn)證，最后提出接口適配器的抗干擾設(shè)計(jì)。

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