基于GPIB總線技術(shù)的熱電池測試系統(tǒng)設(shè)計

肖志剛+柳維旗

摘 要： 首先對熱電池的測試需求進(jìn)行分析，提出基于GPIB總線技術(shù)和LabVIEW軟件平臺的測試系統(tǒng)方案。在此基礎(chǔ)上選用符合測試需求的GPIB功能模塊和外部設(shè)備，介紹各組成硬件的功能和用途。按照熱電池的測試需求采用LabVIEW編制測試軟件，利用計算機(jī)控制測試系統(tǒng)的工作。該測試系統(tǒng)具有集成度高，兼容性好，可擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 熱電池； 測試系統(tǒng)； GPIB； LabVIEW

中圖分類號： TN707?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?0160?03

Design of thermal battery test system based on GPIB technology

XIAO Zhigang1 ， LIU Weiqi2

（1. Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China； 2. Ordnance Technology Institute， Shijiazhuang 050003， China）

ABSTRACT： The testing demands of the thermal battery are analyzed firstly. A scheme of the testing system based on the GPIB technology and LabVIEW software platform is put forward. On this basis， the GPIB function module and peripheral equipment meeting the test requirements are used. The hardware components performance and applications are introduced. The testing software is programmed with LabVIEW according to the test demands of the thermal battery. The test system is controlled with computer. This test system has the characteristics of high integration， compatibility and extensibility.

Keywords： thermal battery； test system； GPIB； LabVIEW

隨著信息、智能技術(shù)的發(fā)展，新型彈藥上的電源系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，這就給電源性能測試帶來了困難。目前彈載電源普遍采用一次性熱電池作為一次電源[1]。為滿足彈上熱電池工作狀態(tài)檢測的要求，提高測試效率和精度，基于GPIB總線技術(shù)設(shè)計了彈上熱電池測試系統(tǒng)。系統(tǒng)不但效率高、測量結(jié)果準(zhǔn)確、一致性好，而且測量數(shù)據(jù)自動存檔，便于計算機(jī)自動處理，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的品質(zhì)管理。

1 熱電池的測試需求分析

熱電池是熱激活的一次性熔融鹽電池，主要由加熱系統(tǒng)和電堆等組成。它采用熔融鹽作為電解質(zhì)，在常溫下電解質(zhì)呈固態(tài)，不導(dǎo)電；使用時利用激活機(jī)構(gòu)起爆電點(diǎn)火器，點(diǎn)燃電池內(nèi)部的加熱系統(tǒng)，在很短時間內(nèi)電池電堆升溫使熔融鹽電解質(zhì)融化并導(dǎo)電，電池正負(fù)極通過導(dǎo)電的電解質(zhì)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芗纯山o外線路供電[2]。熱電池放電實(shí)驗原理圖如圖1所示。

熱電池測試的內(nèi)容主要有熱電池的激活時間、工作時間、工作電壓、工作電流及表面溫度等技術(shù)參數(shù)。由于熱電池測試系統(tǒng)有激活電路和多路輸出，需同時連接多臺儀器，在彈上熱電池工作時，還有來自導(dǎo)彈上的負(fù)載脈沖作用，不同的熱電池其負(fù)載脈沖的幅值、作用時間及負(fù)載模式也不相同[3]。因此設(shè)計一套由計算機(jī)控制的測試系統(tǒng)，使熱電池測試系統(tǒng)在測試時間序列的準(zhǔn)確性和負(fù)載的變換加載得到保證，實(shí)現(xiàn)彈上熱電池性能的系統(tǒng)測試是十分必要的。

圖1 熱電池放電實(shí)驗原理圖

測試系統(tǒng)具有如下功能：

（1） 通過計算機(jī)控制直流電源模塊，實(shí)現(xiàn)對熱電池的自動激活。

（2） 通過計算機(jī)控制電子負(fù)載，靈活地實(shí)現(xiàn)不同的負(fù)載特性。

（3） 所有測試數(shù)據(jù)自動保存到指定的數(shù)據(jù)文件中，在測試過程中，一些關(guān)鍵的輸出信號可以進(jìn)行實(shí)時采集與監(jiān)控；同時可以將測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件以作為事后研究的數(shù)據(jù)。

（4） 用戶可以將感興趣的測試信號數(shù)據(jù)導(dǎo)出到文本文件中進(jìn)行瀏覽和事后處理分析。

2 測試系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

2.1 GPIB總線

GPIB（General Purpose Interface Bus）是儀器與各種控制器（如計算機(jī)）之間的一種標(biāo)準(zhǔn)接口。一個典型的GPIB測試系統(tǒng)包括一臺測控計算機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB儀器通過標(biāo)準(zhǔn)GPIB電纜連接而成。每臺GPIB儀器有單獨(dú)的地址，通過計算機(jī)實(shí)現(xiàn)對儀器的操作和控制[4]。GPIB目前是儀器、儀表及測試系統(tǒng)與計算機(jī)互連的主流并行總線，各個儀器公司生產(chǎn)的臺式儀器中幾乎都裝備有GPIB接口。測試系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)組成圖

2.2 硬件組成

整個測試系統(tǒng)的核心是主控計算機(jī)。主控計算機(jī)控制各儀器的工作狀態(tài)，分析處理采集的數(shù)據(jù)，顯示打印結(jié)果。GPIB測試設(shè)備組合用于激勵信號的產(chǎn)生，采集被測電池的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)接適配器提供被測部件和設(shè)備連接接口，用于連接測試設(shè)備和被測對象，對信號進(jìn)行變換。系統(tǒng)連接多組電子負(fù)載和程控電源[5]，可以選擇其中的任何幾個進(jìn)行自由組合，根據(jù)不同熱電池的測試需要進(jìn)行切換或拼接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的通用型和可擴(kuò)展性。本測試系統(tǒng)主要選用的模塊包括：

（1） 可編程電源。6653A直流可編程電源主要用來提供熱電池激活所需要的電信號，具備通用接口總線GPIB，可通過計算機(jī)對該儀器進(jìn)行編程和控制。

（2） 電子負(fù)載。系統(tǒng)采用多通道可編程電子負(fù)載FT6600A，F(xiàn)T6600A具有恒壓、恒流、恒阻和恒功率的功能，接口為GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線。最多可安裝6個模塊，各模塊獨(dú)立操作。負(fù)載模塊可實(shí)現(xiàn)自動均載，多模塊可同時調(diào)用已定參數(shù)，可以模擬任何波形或?qū)嶋H負(fù)載，使負(fù)載使用配置更靈活。通過計算機(jī)控制可編程負(fù)載，在熱電池放電過程中通過計算機(jī)動態(tài)選擇和切換，實(shí)現(xiàn)容性、阻性以及函數(shù)變化等特殊的負(fù)載特性。

（3） 數(shù)據(jù)記錄儀。日圖公司生產(chǎn)的WR1000熱敏陣列記錄儀是一種高性能的多通道高速數(shù)據(jù)記錄儀，該儀器具有采樣速度快、測量范圍大、可采集電壓信號和電流信號、工作穩(wěn)定、抗干擾性好、可靠性高等特點(diǎn)[5]。使用時首先通過面板對儀器就采樣頻率、通道數(shù)等一系列參數(shù)進(jìn)行必要的設(shè)置，在采樣過程中其采樣數(shù)據(jù)可以直接記錄在記錄紙上并同時存儲在存儲器中，等采樣結(jié)束后通過記錄紙或回放數(shù)據(jù)來分析和判斷試驗結(jié)果。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件組成

軟件是系統(tǒng)的核心部分，主要通過計算機(jī)編程來完成對測量儀器的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對熱電池性能的自動測試。程序包括GPIB卡的檢測和初始化、儀器的檢測和初始化以及各類測試功能的測試程序。

熱電池測試前，需要按照熱電池測試要求編寫測試程序，一般的熱電池測試程序應(yīng)該包含下面幾個模塊[6]：

（1） 激活模塊：負(fù)責(zé)熱電池的激活任務(wù)，熱電池只有激活后才能正常工作，輸出電壓；

（2） 計時模塊：負(fù)責(zé)程序開始執(zhí)行后的計時工作；

（3） 負(fù)載器模塊：執(zhí)行為電子負(fù)載編寫的程序；

（4） 數(shù)據(jù)采樣模塊：實(shí)時地采集測試數(shù)據(jù)；

（5） 數(shù)據(jù)輸出模塊：實(shí)時地將采集數(shù)據(jù)輸出為文件。

3.2 LabVIEW環(huán)境

本系統(tǒng)基于LabVIEW平臺編程，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器面板的控制。LabVIEW是一種圖形化編程語言，它提供了一個功能強(qiáng)大的配置工具，即（Measurement & Automation Explorer，MAX），能夠幫助用戶正確地設(shè)置包括儀器接口在內(nèi)的各種測試設(shè)備。正確連接GPIB電纜和儀器后，MAX可以找到與GPIB總線相連接的儀器，各儀器的主地址編號可以在儀器中進(jìn)行配置，在運(yùn)行系統(tǒng)之前對各模塊進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)定，如圖3所示。

圖3 配置GPIB儀器地址程序框圖

在LabVIEW中采用順序結(jié)構(gòu)對帶有GPIB接口的儀器逐一進(jìn)行初始化，當(dāng)所有初始化正確完成后，進(jìn)入測試部分。其流程圖如圖4所示[7]。

主程序采用虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)（Virtual Instrumentation Software Architecture，VISA），實(shí)現(xiàn)不同獨(dú)立儀器與工業(yè)控制機(jī)之間的通信。它作為獨(dú)立于各個不同的儀器之上的標(biāo)準(zhǔn)化軟件規(guī)范，使測試系統(tǒng)具有極強(qiáng)的擴(kuò)展性和通用型。VISA庫提供初始化函數(shù)、配置函數(shù)、讀函數(shù)、關(guān)閉函數(shù)等函數(shù)，基于VISA函數(shù)編寫儀器控制程序[8]。

圖4 測試軟件流程圖

各功能模塊程序框圖編好后，將電池和測試系統(tǒng)的端口連接好，然后執(zhí)行為該電池編寫的測試程序[9]，計算機(jī)就會按照事先設(shè)定的程序?qū)犭姵厥┘迂?fù)載。同時程控電源對被測對象實(shí)施點(diǎn)火，激活熱電池工作，通過數(shù)據(jù)采集器采集熱電池的放電電壓和電流信號，整個過程完全由計算機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火激活、拉載放電、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)儲存的自動化。圖5為寫入數(shù)據(jù)的程序框圖。

4 結(jié) 語

系統(tǒng)利用計算機(jī)控制GPIB接口實(shí)現(xiàn)了對各個儀器的實(shí)時控制，協(xié)調(diào)各個儀器的動作，使他們自動完成對熱電池的各項性能指標(biāo)的測試，并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終生成測試報告。采用面向?qū)ο蟮腖abVIEW圖形語言軟件編程使系統(tǒng)功能易擴(kuò)展、維護(hù)，增強(qiáng)了它的生命力。實(shí)踐表明，以GPIB接口作為組成自動測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)總線接口形式，在通用化、智能化、便捷性和可靠性等方面都比傳統(tǒng)的測試方法有很大的提高。

圖5 寫入數(shù)據(jù)程序框圖

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