導彈火工品通用化自動測試儀設計與實現(xiàn)

徐學文，盛 沛，任建存

（海軍航空大學，山東煙臺 264001）

戰(zhàn)術導彈火工品測試是導彈定期進行測試維護的1項重要內(nèi)容，目的是對裝彈后火工品及導彈綜合測試中未測到的火工品電阻值及絕緣性進行測量，以此來判斷彈上火工品的有效性及相關電纜連接的正確性，從而確保備彈質(zhì)量。當前，導彈火工品測試所采用的測試設備主要有電雷管測試儀、專用測試儀等手動或半自動化測試設備。這些設備由于測試用時長、測試精度低，故無法消除測量通道系統(tǒng)誤差和參數(shù)漂移對測量精度的影響，且缺乏通用性和靈活性。為適應現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對導彈技術保障提出的快速準確、安全可靠的要求，集自動化、通用化和安全性于一體的新型火工品測試設備的研發(fā)應用，已成為導彈保障裝備的發(fā)展趨勢。

1 系統(tǒng)測試原理

導彈火工品在線測量具有高風險性。根據(jù)當前火工品測量要求，以應用火工品測量成熟技術來保證火工品測量過程中的絕對安全性，研究采用限流電阻和恒流管來限制被測火工品測量電流大小，力求在電路設計中，以保證恒流源輸出在10 mA 以內(nèi)。同時加強對各種特殊情況的處理，例如，在回路中串聯(lián)多個電阻，在單個保護電阻失效時，仍可使基準恒流源短路電流較小，以此來保護被測產(chǎn)品。通過微控制器的電路檢測功能，保證系統(tǒng)工作正常，當發(fā)現(xiàn)測試電流異常時立即切斷與被測產(chǎn)品之間的聯(lián)通，以保證測試安全。

如圖1 所示，測試系統(tǒng)主要由測試部分和電源部分組成。電源部分為整機提供所需的±5 V、+50 V等各類電能；提供測試部分各模塊所需電能。測試部分是完成測試和數(shù)據(jù)的計算、判斷、顯示等主體功能：由恒流源提供1 個可調(diào)節(jié)大小的穩(wěn)定電流，通道轉換模塊將該電流加至被測電阻，得到電壓信號，通過A/D轉換器將該電壓信號轉換為數(shù)字量，經(jīng)單片機處理后得出被測電阻阻值，將所得測量值與計算機系統(tǒng)內(nèi)設參數(shù)進行比較判斷，得出合格與否的結論，并將測量值和判斷結果送達顯示存儲。

圖1 系統(tǒng)測試原理圖Fig.1 Schematic diagram of system test

1.1 小電阻測量原理

系統(tǒng)采用精密恒流源加電取樣測電阻的方法，小電阻測試原理，如圖2所示。5 V 電源經(jīng)過穩(wěn)壓產(chǎn)生標準2.5 V 電壓，經(jīng)過限流電阻

R

（提高安全性）輸出10 mA 恒流管提供小電阻測試時測試電流，經(jīng)過繼電器轉換電路將被測火工品電阻接入測量回路，即測試電流流過被測電阻

R

，再流經(jīng)標準取樣電阻

R

，

R

和

R

兩端的電壓經(jīng)模擬開關分時選通，程控放大，送入A/D 轉換器，轉換后的數(shù)字量經(jīng)單片機處理后得出被測電阻值

R

：

圖2 小電阻測量原理圖Fig.2 Schematic diagram of small resistance measurement

1.2 大（絕緣）電阻測試原理

大（絕緣）電阻測試原理，如圖3 所示。 +50 V高內(nèi)阻電源經(jīng)限流電阻

R

（提高安全性）后，其中，1路經(jīng)過

R

、

R

分壓后在電阻

R

上得到與絕緣測試電壓成正比的電壓，另1 路經(jīng)過繼電器轉換電路后接到被測絕緣電阻

R

，即測試電流流過被測電阻

R

，再流經(jīng)標準取樣電阻

R

，取樣電阻兩端的電壓

V

和

V

經(jīng)模擬開關分時選通，程控放大，送入A/D轉換器，轉換后的數(shù)字量經(jīng)單片機處理后得出被測絕緣電阻值

R

：

圖3 大（絕緣）電阻測量原理圖Fig.3 Schematic diagram of large resistance measurement

2 硬件系統(tǒng)設計

在硬件設計上，導彈火工品通用化自動測試儀采用微控制器作為核心控制部件，采用精密恒流源加電取樣測量電阻，增加了測試通道選擇開關數(shù)量，實現(xiàn)了儀器測試通用化。其他硬件采用當前商業(yè)化成熟的模塊或設備：顯示模塊采用低功耗的TPC080TCL 平板電腦；供電模塊采用12 V/10 Ah 容量的磷酸鐵鋰電池；充電模塊采用TI 公司生產(chǎn)的BQ20xx 系列充電系統(tǒng)。

2.1 A/D采集電路設計

根據(jù)測試技術要求，測試儀顯示測試精度為0.02 Ω，滿量程是20 Ω，所以A/D 轉換器的二進制編碼數(shù)至少要達到1 000 個。本系統(tǒng)選用的微控制器有24 位A/D 轉換器，具體參數(shù)，如表1 所示。按16 位為其實際處理，滿量程為1.25 V，分辨率約為0.03 mV，若恒流源為5 mA，則0.01 Ω 的壓降為0.06 mV，經(jīng)過外部10倍放大，壓降為0.6 mV，精度值約為最小分辨率的20倍，滿足設計要求。經(jīng)A/D轉換后的讀數(shù)可達4 LSB。若采用內(nèi)部增益放大電路，還可以進一步提高其LSB 表達數(shù)。

表1 微控制器主要特性Tab.1 Main features of microcontroller

按照測試要求，系統(tǒng)選用了8路差分A/D器件，A/D采樣模塊電路原理，如圖4所示。小電阻測試采用恒流源供電，并限流小于10 mA；大電阻測試采用50 V 供電，并限流小于2 mA。電路中,小電阻測試和大（絕緣）電阻測試分別采用2路差分采樣。為了保證測量精度，將10次采樣的平均值作為采樣結果，降低了噪聲產(chǎn)生的誤差。

圖4 A/D采樣模塊電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of A/D sampling module circuit

2.2 測試通路開關設計

測試通道（即繼電器模塊）選擇有40 路開關。為了保證所有通道都能夠切換到A/D轉換輸入端，需要設計80 路進行差分切換通道。在繼電器切換工作過程中，設計了安全保護電路。當某1 組繼電器工作后，安全保護電路將切斷所有其他繼電器的電源，此時，只有1 組繼電器工作。因而不會出現(xiàn)通道短路現(xiàn)象。多路開關控制原理，如圖5所示。

圖5 多路開關控制原理圖Fig.5 Schematic diagram of multiplex switch control

2.3 恒流源電路設計

恒流源電路原理，如圖6所示。OP為低漂移運算放大器，用以保證壓差，吸收工作時的電流波動干擾；RA1 作為輸入限流電阻，使穩(wěn)壓器元件達到正常工作電流。在回路中串接RA2～RA5 多個等比值電阻，減少了恒流源工作過程中因自身產(chǎn)熱導致的溫度變化，在一定程度上分散了元器件工作過程中的熱能損失分布，抵消溫度漂移。RA6 為滑動變阻器，其作用是為實現(xiàn)恒流源電流輸出微調(diào)。此外，在恒流源中加入濾波電路，可以去除芯片噪聲，使輸出紋波系數(shù)降低，保證小電流輸出精度。

圖6 恒流源電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of constant current source circuit

3 系統(tǒng)軟件設計

考慮系統(tǒng)功能擴展及測試通用化，系統(tǒng)軟件采用模塊設計思想與方法，軟件功能模塊主要包括：數(shù)據(jù)采集、測量通道選擇、液晶顯示驅(qū)動、故障檢測及報警、自校準和測量結果管理及輸出。其中，測量通道選擇模塊的控制采用CPLD 可編程器件，該器件采用Quartus 軟件，VHDL 語言編程；A/D 采集模塊選用C8051F310 混合信號處理器進行控制，采用C51 或匯編語言編程；其他功能模塊采用VB6.0軟件編程，實現(xiàn)測試主流程及人機界面交互控制及顯示。

測試軟件流程，如圖7所示。軟件設計中，為方便用戶對產(chǎn)品進行檢查和調(diào)試，除自動測試外，還增加了手動測試方式。系統(tǒng)啟動后，通過導彈彈型及校準功能選擇相應界面進入測試主界面，如圖8 所示。通過通道選擇完成相應火工品自動測試。

圖7 測試儀軟件流程圖Fig.7 Flow chart of tester software

圖8 測試通道選擇界面Fig.8 Channel selection interface

4 結束語

導彈火工品通用化自動測試儀采用精密恒流源加電取樣的電阻測量原理，設計了導彈火工品電阻數(shù)字量采集電路、多路開關切換保護電路、高精度恒流源電路。實現(xiàn)了導彈火工品通用化測試。經(jīng)相關單位試用表明，該產(chǎn)品能夠快速準確、安全地完成導彈彈上火工品的測量。