徐學(xué)文，盛 沛，任建存

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái) 264001）

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈火工品測(cè)試是導(dǎo)彈定期進(jìn)行測(cè)試維護(hù)的1項(xiàng)重要內(nèi)容，目的是對(duì)裝彈后火工品及導(dǎo)彈綜合測(cè)試中未測(cè)到的火工品電阻值及絕緣性進(jìn)行測(cè)量，以此來判斷彈上火工品的有效性及相關(guān)電纜連接的正確性，從而確保備彈質(zhì)量。當(dāng)前，導(dǎo)彈火工品測(cè)試所采用的測(cè)試設(shè)備主要有電雷管測(cè)試儀、專用測(cè)試儀等手動(dòng)或半自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備。這些設(shè)備由于測(cè)試用時(shí)長、測(cè)試精度低，故無法消除測(cè)量通道系統(tǒng)誤差和參數(shù)漂移對(duì)測(cè)量精度的影響，且缺乏通用性和靈活性。為適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對(duì)導(dǎo)彈技術(shù)保障提出的快速準(zhǔn)確、安全可靠的要求，集自動(dòng)化、通用化和安全性于一體的新型火工品測(cè)試設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用，已成為導(dǎo)彈保障裝備的發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)測(cè)試原理

導(dǎo)彈火工品在線測(cè)量具有高風(fēng)險(xiǎn)性。根據(jù)當(dāng)前火工品測(cè)量要求，以應(yīng)用火工品測(cè)量成熟技術(shù)來保證火工品測(cè)量過程中的絕對(duì)安全性，研究采用限流電阻和恒流管來限制被測(cè)火工品測(cè)量電流大小，力求在電路設(shè)計(jì)中，以保證恒流源輸出在10 mA 以內(nèi)。同時(shí)加強(qiáng)對(duì)各種特殊情況的處理，例如，在回路中串聯(lián)多個(gè)電阻，在單個(gè)保護(hù)電阻失效時(shí)，仍可使基準(zhǔn)恒流源短路電流較小，以此來保護(hù)被測(cè)產(chǎn)品。通過微控制器的電路檢測(cè)功能，保證系統(tǒng)工作正常，當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)試電流異常時(shí)立即切斷與被測(cè)產(chǎn)品之間的聯(lián)通，以保證測(cè)試安全。

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

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

1.1 小電阻測(cè)量原理

系統(tǒng)采用精密恒流源加電取樣測(cè)電阻的方法，小電阻測(cè)試原理，如圖2所示。5 V 電源經(jīng)過穩(wěn)壓產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試時(shí)測(cè)試電流，經(jīng)過繼電器轉(zhuǎn)換電路將被測(cè)火工品電阻接入測(cè)量回路，即測(cè)試電流流過被測(cè)電阻

R

，再流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)取樣電阻

R

，

R

和

R

兩端的電壓經(jīng)模擬開關(guān)分時(shí)選通，程控放大，送入A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)單片機(jī)處理后得出被測(cè)電阻值

R

：

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

1.2 大（絕緣）電阻測(cè)試原理

大（絕緣）電阻測(cè)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(cè)試電壓成正比的電壓，另1 路經(jīng)過繼電器轉(zhuǎn)換電路后接到被測(cè)絕緣電阻

R

，即測(cè)試電流流過被測(cè)電阻

R

，再流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)取樣電阻

R

，取樣電阻兩端的電壓

V

和

V

經(jīng)模擬開關(guān)分時(shí)選通，程控放大，送入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)單片機(jī)處理后得出被測(cè)絕緣電阻值

R

：

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

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)上，導(dǎo)彈火工品通用化自動(dòng)測(cè)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(cè)量電阻，增加了測(cè)試通道選擇開關(guān)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了儀器測(cè)試通用化。其他硬件采用當(dāng)前商業(yè)化成熟的模塊或設(shè)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(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)試技術(shù)要求，測(cè)試儀顯示測(cè)試精度為0.02 Ω，滿量程是20 Ω，所以A/D 轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制編碼數(shù)至少要達(dá)到1 000 個(gè)。本系統(tǒng)選用的微控制器有24 位A/D 轉(zhuǎn)換器，具體參數(shù)，如表1 所示。按16 位為其實(shí)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(shè)計(jì)要求。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的讀數(shù)可達(dá)4 LSB。若采用內(nèi)部增益放大電路，還可以進(jìn)一步提高其LSB 表達(dá)數(shù)。

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

按照測(cè)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(cè)試采用恒流源供電，并限流小于10 mA；大電阻測(cè)試采用50 V 供電，并限流小于2 mA。電路中,小電阻測(cè)試和大（絕緣）電阻測(cè)試分別采用2路差分采樣。為了保證測(cè)量精度，將10次采樣的平均值作為采樣結(jié)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(cè)試通路開關(guān)設(shè)計(jì)

測(cè)試通道（即繼電器模塊）選擇有40 路開關(guān)。為了保證所有通道都能夠切換到A/D轉(zhuǎn)換輸入端，需要設(shè)計(jì)80 路進(jìn)行差分切換通道。在繼電器切換工作過程中，設(shè)計(jì)了安全保護(hù)電路。當(dāng)某1 組繼電器工作后，安全保護(hù)電路將切斷所有其他繼電器的電源，此時(shí)，只有1 組繼電器工作。因而不會(huì)出現(xiàn)通道短路現(xiàn)象。多路開關(guān)控制原理，如圖5所示。

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

2.3 恒流源電路設(shè)計(jì)

恒流源電路原理，如圖6所示。OP為低漂移運(yùn)算放大器，用以保證壓差，吸收工作時(shí)的電流波動(dòng)干擾；RA1 作為輸入限流電阻，使穩(wěn)壓器元件達(dá)到正常工作電流。在回路中串接RA2～RA5 多個(gè)等比值電阻，減少了恒流源工作過程中因自身產(chǎn)熱導(dǎo)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(dòng)變阻器，其作用是為實(shí)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(shè)計(jì)

考慮系統(tǒng)功能擴(kuò)展及測(cè)試通用化，系統(tǒng)軟件采用模塊設(shè)計(jì)思想與方法，軟件功能模塊主要包括：數(shù)據(jù)采集、測(cè)量通道選擇、液晶顯示驅(qū)動(dòng)、故障檢測(cè)及報(bào)警、自校準(zhǔn)和測(cè)量結(jié)果管理及輸出。其中，測(cè)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(hào)處理器進(jìn)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(shí)現(xiàn)測(cè)試主流程及人機(jī)界面交互控制及顯示。

測(cè)試軟件流程，如圖7所示。軟件設(shè)計(jì)中，為方便用戶對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢查和調(diào)試，除自動(dòng)測(cè)試外，還增加了手動(dòng)測(cè)試方式。系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過導(dǎo)彈彈型及校準(zhǔn)功能選擇相應(yīng)界面進(jìn)入測(cè)試主界面，如圖8 所示。通過通道選擇完成相應(yīng)火工品自動(dòng)測(cè)試。

圖7 測(cè)試儀軟件流程圖Fig.7 Flow chart of tester software

圖8 測(cè)試通道選擇界面Fig.8 Channel selection interface

4 結(jié)束語

導(dǎo)彈火工品通用化自動(dòng)測(cè)試儀采用精密恒流源加電取樣的電阻測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了導(dǎo)彈火工品電阻數(shù)字量采集電路、多路開關(guān)切換保護(hù)電路、高精度恒流源電路。實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈火工品通用化測(cè)試。經(jīng)相關(guān)單位試用表明，該產(chǎn)品能夠快速準(zhǔn)確、安全地完成導(dǎo)彈彈上火工品的測(cè)量。