基于虛擬儀器的彈上點火裝置自動測試系統(tǒng)

蔡文澤，張思琪，張紅偉，謝英武

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

彈上點火裝置自動測試系統(tǒng)(以下簡稱測試系統(tǒng))通常是基于虛擬儀器技術(shù)所研發(fā)的自動測試系統(tǒng)[1-2]。

國外在該領(lǐng)域的研究較為領(lǐng)先,最突出的是美國NI公司,其生產(chǎn)的N1-PCI、NI-CompactRIO、NI-PXI等類型的數(shù)據(jù)釆集硬件具有良好的性能,開發(fā)的Labview、LabWindows軟件是虛擬儀器開發(fā)的主要編程工具,兩者組合后占領(lǐng)了大部分市場[3-6]。

國內(nèi)虛擬儀器技術(shù)的研究開展相對較晚,但經(jīng)過近年來的發(fā)展,該技術(shù)在理論研究和實際應(yīng)用方面都得到了長足的進步。如文獻[7-8]介紹了微機技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)在諧波自動測量中的應(yīng)用,該系統(tǒng)能實時動態(tài)測量電信號的各諧波含量,并能實時顯示分析的數(shù)據(jù)和波形;文獻[9-10]研究了基于虛擬儀器技術(shù)的沖擊減速度測試系統(tǒng),利用VB結(jié)合Measurement Studio開發(fā)上層應(yīng)用分析軟件并控制底層單片機,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和儲存等。

文中針對現(xiàn)有生產(chǎn)調(diào)試、試驗以及產(chǎn)品驗收過程的彈上點火裝置(以下簡稱點火裝置)自動化程度低、可靠性較差,無法適應(yīng)大批量測試的問題,進行重新設(shè)計和驗證。新研發(fā)設(shè)備能夠為點火裝置提供路數(shù)為5的點火脈沖輸入信號,可對點火裝置輸出的點火信號進行采集和處理,并具有顯示、存儲、打印測試信號及測試結(jié)果的功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

測試系統(tǒng)采用上下位機結(jié)構(gòu),系統(tǒng)組成如圖1所示,核心硬件包括數(shù)字I/O模塊、模擬輸入模塊、電源、以及電流傳感器;軟件采用Labview開發(fā),操作環(huán)境為Windows操作系統(tǒng)。

圖1 測試系統(tǒng)組成圖Fig.1 Test system composition diagram

2 工作原理

測試系統(tǒng)作為彈上點火裝置專用測試設(shè)備,需配合彈上點火裝置完成產(chǎn)品的生產(chǎn)與交驗工作。其工作原理為:通過數(shù)字I/O模塊控制繼電器,切合反相器與-13 V的通斷,實現(xiàn)模擬路數(shù)為5的點火脈沖的輸出;通過模擬輸入模塊與電流傳感器實現(xiàn)路數(shù)為5的點火信號與點火安全電流的采集;通過串行儀器控制模塊控制程控電源的輸出,實現(xiàn)測試系統(tǒng)電源輸出的拉偏功能,并通過開發(fā)的Labview專用軟件完成實時繪制測試結(jié)果曲線,顯示、存儲和打印測試信號及測試結(jié)果等功能。

3 系統(tǒng)硬件平臺構(gòu)建

3.1 電源模塊

為滿足測試系統(tǒng)點火功能的實現(xiàn),電源設(shè)計包括-13 V電源、EDI點火電源兩部分。

-13 V電源通過+13 V轉(zhuǎn)-13 V的隔離二次電源模塊實現(xiàn),選用型號為NR5D15S5B電源模塊,輸出電壓精度為±0.5 V。主要用于彈上點火裝置的輸入端,在輸入端持續(xù)輸入-13 V的低電平,實現(xiàn)切斷彈上點火裝置熱電池點火工作狀態(tài)。

EDI點火電源采用定制程控電源,輸出電壓精度為±0.01 V。主要為彈上點火裝置提供熱電池點火工作電源,按照技術(shù)指標要求,該電源需提供路數(shù)為2的點火電源。

通過在軟件中設(shè)置定時器,由軟件前面板控制開始測試時間,在軟件中記錄時刻點,并按照上電時序,控制-13 V電源、EDI點火電源輸出,下位機定時精度為1 μs,其時序控制如圖2所示。

圖2 電源上電時序控制圖Fig.2 Power supply power on sequence control diagram

3.2 數(shù)字I/O模塊

如圖3所示,測試系統(tǒng)需要向彈上點火裝置提供低電平為-13 V、高電平為+13 V的脈沖信號,通過數(shù)字I/O模塊配合反相電路、固態(tài)繼電器實現(xiàn)點火脈沖的發(fā)送。首先通過數(shù)字I/O模塊控制固態(tài)繼電器T1腳閉合,二次電源模塊提供-13 V電平給彈上點火裝置的點火信號輸入端;當需要發(fā)送點火脈沖時,由數(shù)字I/O模塊控制固態(tài)繼電器T1腳斷開,同時T2腳閉合,將二次電源模塊與反相電路相連接,通過反相電路將其輸出-13 V轉(zhuǎn)換為+13 V;當達到一定脈寬時間后再控制固態(tài)繼電器T2腳斷開,同時T1腳閉合,將+13 V轉(zhuǎn)換為-13 V,從而實現(xiàn)點火脈沖的發(fā)送。

圖3 點火脈沖原理圖Fig.3 Schematic diagram of ignition pulse

反相電路采用以運算放大器為核心的電路,通過反接實現(xiàn)-13 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為+13 V輸出電壓。其運放標準時間為23.5 ns,輸出電壓失調(diào)最大值為±1.6 V。

脈沖時序及脈沖寬度主要由數(shù)字I/O模塊控制固態(tài)繼電器來實現(xiàn)。脈沖時序及脈沖寬度的精度與數(shù)字I/O模塊控制固態(tài)繼電器的響應(yīng)時間以及反相器轉(zhuǎn)換電壓時間相關(guān),cRIO實時系統(tǒng)中響應(yīng)速度為μs級,繼電器的閉合速度為ms級,從軟件控制定時開始響應(yīng)時間能達到0.5 ms以內(nèi)的精度;反相電路的電壓轉(zhuǎn)換時間能控制在ns級。

3.3 模擬輸入模塊

選用NI-9205模擬輸入模塊采集彈上點火裝置輸出端負載兩端的電壓值,采集方式為在點火狀態(tài)下全程采集,采樣率可達10 ksps。

3.4 電流傳感器模塊

通過在點火輸出端與點火地回路上串聯(lián)電流傳感器可將點火安全電流信號按比例轉(zhuǎn)換為電壓值,由模擬采集模塊采集該電壓值,并按比例換算為電流值,從而實現(xiàn)安全電流的采集。

由于點火裝置在非點火狀態(tài)下所產(chǎn)生的漏電流一般為1～30 μA[11],因此在設(shè)計的過程中需要考慮以下問題:

1)小電流的高精度采集;

2)對噪聲、輸入到輸出信號失真的控制;

3)采集電流信號的放大、降噪等預(yù)處理。

綜合考慮后,系統(tǒng)選用WPEO-DI/T01型光電隔離式交直流電流傳感器,通過光電耦合器實現(xiàn)電流信號的采集,其采集精度可達到±0.04 mA[12]。通過輸入的電信號驅(qū)動LED發(fā)光,被光探測器接收而產(chǎn)生光電流,再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換,從而起到輸入、輸出隔離的作用。

點火信號以及點火安全電流的采集設(shè)計電路如圖4所示,通過單刀雙擲繼電器實現(xiàn)點火信號采集電路與安全電流采集電路的隔離。由數(shù)字I/O模塊控制固態(tài)繼電器實現(xiàn)兩種采集狀態(tài)的切換。

圖4 采集設(shè)計電路圖Fig.4 Circuit of acquisition and design

4 測試軟件設(shè)計

4.1 軟件組成

使用Labview進行測試系統(tǒng)的軟件開發(fā),采用封裝模塊化設(shè)計,具有良好的開放式設(shè)計模式。系統(tǒng)分上位機、RT實時采集、FPGA底層程序三層開發(fā)。其中,上位機主控子系統(tǒng)用于實現(xiàn)主控單元、標準判定單元、數(shù)據(jù)處理、顯示以及報表的顯示功能;RT層實時采集通訊子系統(tǒng)主要實現(xiàn)硬件自檢、記錄采集、輸出控制、通訊控制等功能。

4.2 測試流程

測試軟件流程圖如圖5所示,除裝真、更換測試產(chǎn)品外,采用自動測試方式,操作人員只需首次測試時,在配置界面輸入測試人員,測試項目等相關(guān)測試信息,點擊開始測試按鈕,測試系統(tǒng)軟件能夠自動進行測試,并在測試結(jié)束后自動生成并保存報表,然后根據(jù)需要,操作人員更換產(chǎn)品并自動開始下一產(chǎn)品的測試。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow chart

5 驗證分析

5.1 電源輸出精度驗證

控制測試系統(tǒng)電源分別輸出-13.00 V,-10.26 V,-10.80 V,-11.00 V電壓,通過Fluke45數(shù)字多用表進行電壓采集,以此作為實測電壓值,得到測試系統(tǒng)電壓輸出精度。試驗驗證結(jié)果如表1所示?？梢钥吹?13 V電源輸出精度能夠達到±88 mV,EDI點火電源輸出精度能夠達到±2 mV,高于所要求的數(shù)值。

表1 電源電壓控制精度表Table 1 The control accuracy of power supply V

5.2 點火信號輸出精度驗證

控制測試系統(tǒng)發(fā)出點火脈沖信號,通過示波器測試信號特征,以此作為實測值,得到測試系統(tǒng)點火信號輸出精度。試驗結(jié)果如表2所示。此外,由輸出波形可以看出對于點火信號的模擬,時序的控制精度符合要求,點火脈沖信號的特征也能滿足要求。

表2 點火信號輸出精度表Table 2 The accuracy of ignition signal

5.3 電流采集精度驗證

通過將直流穩(wěn)壓電源與1 kΩ標準電阻串聯(lián),控制直流穩(wěn)壓電源輸出電壓5 V,在測試電纜對應(yīng)的路數(shù)為5的點火輸出端與點火地之間輸入5 mA的電流值,通過Fluke45數(shù)字多用表進行電流采集,以此作為實測值,再通過測試系統(tǒng)分別采集上述電流,以此作為回采值,對比實測值與回采值,得到測試系統(tǒng)電流采集精度。試驗驗證結(jié)果如表3所示,可以看出測試系統(tǒng)對于點火電流的采集誤差最大為0.020 mA,高于所要求的采集精度±1.000 mA。

表3 電流采集精度表Table 3 The accuracy of current collection mA

5.4 自動化程度驗證

在線測試時,測試人員只需打開測試軟件,點擊“開始”按鈕后,測試系統(tǒng)便能自動進行彈上點火裝置各信號的測試,測試結(jié)束后自動顯示合格判據(jù),并自動保存及輸出測試報表。除需手動更新測試樣品外,單具產(chǎn)品測試的自動化程度能夠達到100%。

6 結(jié)論

基于Labview虛擬儀器技術(shù)研制出了彈上點火裝置自動測試系統(tǒng),其點火電源輸出精度為±2 mV,點火信號時序控制精度為±0.2 ms,點火電流采集精度為20 μA,單具產(chǎn)品測試自動化程度為100%,具有自動化程度高、用戶界面友好、操作簡便、易于維護、擴展性強的特點,實現(xiàn)了彈上點火裝置生產(chǎn)調(diào)試、交驗過程的模塊化、快速化和自動化測試,測試效率也得到了大幅提升。