通用無源檢測裝置設計*

孫學聰，許姣，杜寶強，程鵬，馬曉東，李景須

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854；2.中國電子技術標準化研究院，北京 100000)

通用無源檢測裝置設計*

孫學聰1，許姣1，杜寶強2，程鵬1，馬曉東1，李景須1

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854；2.中國電子技術標準化研究院，北京 100000)

導彈綜合測試需要對導彈進行無源阻抗測試。為提高導彈無源測試的性能，針對導彈無源測試的目的，進行了通用無源檢測裝置的設計。該裝置可適用于其他不同型號的無源測試，具有良好的可靠性、通用性和經濟價值。

導彈；綜合測試；無源檢測；通用；設計

0 引言

導彈在總裝測試過程中，為了保證彈上各設備之間接口的正確和可靠連接，確保彈上設備加電安全，檢查信號傳輸是否正確，必須通過導彈綜合測試系統對彈上設備之間進行接口檢查與性能測試[1]。

通常對導彈接口進行無源檢測，即導彈的導通電阻和絕緣電阻測試，是導彈測試的重要項目之一，導通電阻反映出電路兩點之間的通斷關系，絕緣電阻則反映電路獨立回路之間的絕緣程度，它們量值的合格與否直接影響到導彈的可靠性及導彈發射的成敗[2-3]。一方面，通過測試發現被測導彈阻抗表現的異常情況，尤其是測試端口對信號地的異常短路或開路，從而避免因端口異常對測試或被測設備及測試人員造成危害；另一方面，通過測試發現防空導彈測試端口阻抗的異常偏離，為故障診斷提供故障征兆[4-5]。但是目前多數防空導彈無源測試設備多為專測設備，系統資源較少，通用性和擴展性較差，很難滿足導彈無源測試的要求，也不能實現快速自動化測試[6-7]。

另外，由于導彈對可靠性、安全性的要求較高，在測量時，對其施加的激勵源強度不能太大，否則可能對其內部電路造成損傷。因此必須在低強度激勵源下精準測量其對外接口特性[8]。

本文為提高導彈無源檢測的性能，針對導彈無源測試的目的，進行了無源檢測裝置的設計。該設備經過簡單外部電纜轉接可以適用于其他不同型號導彈的無源測試。

1 總體方案

無源檢測裝置的設計內容包括電氣方面的設計和結構方面的設計。

1.1 電氣設計方案

無源檢測裝置總體功能見圖1。無源檢測裝置具有導通電阻測量功能、斷路測量功能以及自檢和校準功能，具有本地和遙控兩種控制方式，通道數量測量點具有160點，任意兩點之間均能進行通路和斷路測量。

圖1 無源檢測裝置總體功能框圖Fig.1 Principle of the passive detection device

通路和斷路測量方案采取V-I模式，即采用R=U/I的方式。工作原理是通過把電阻轉化為電壓信號，使得電阻的測量歸結為電壓的測量[9]。

1.2 結構設計方案

無源檢測裝置在結構上采用4U高度的19 in(1 in=2.54 cm)機箱，結構形式為框架式，主體框架采用焊接或者鑄造加工方式，機箱采用整體屏蔽設計。機箱整體結構形式如圖2，3所示。機箱采用前面板開門設計，向右開啟，可開啟的前面板通過M5不脫落螺釘固定。機箱采用直角導軌安裝到機柜上，在機箱底部與導軌接觸位置設計不銹鋼防磨條，機箱后面板上設計定位套，配合導軌上的定位銷可防止機箱在運輸過程中跳動。

機箱內固定無源檢測裝置插箱、電源等設備。無源檢測裝置插箱在結構固定上采用上下、前后可調形式，上下可按5 mm為單位進行調整，前后可按10 mm為單位進行調整。

圖2 機箱整體外形圖示意圖Fig.2 Outlook of the passive detection device

圖3 機箱整體透視圖示意圖Fig.3 Perspective of the passive detection device

2 硬件電路設計

2.1 主板模塊

主板模塊是無源檢測裝置的核心。它負責協調整個無源檢測裝置的工作時序，檢查工作狀態，并可以對無源檢測裝置進行系統的自檢，并將自檢結果顯示于測試程序中。

主板模塊采用SPI總線與電阻測量模塊進行數據交互，使用控制線對電阻測量模塊進行控制。首先，主模塊使用4根模式控制線TD[3∶0]進行測量模式的設置，分別包括：自檢模式、導通測試模式和絕緣測試模式，導通測試模式下使用不同的激勵方式進行測量[10]。

2.2 繼電器選通模塊

繼電器選通模塊主要由繼電器陣列、控制模塊構成。

控制模塊主要由可編程邏輯電路和驅動電路構成。可編程邏輯電路采用ALTERA公司生產的CPLD(EPM570TQFP144)，該芯片最多可具有114路通用IO。驅動繼電器陣列芯片采用ULN2003，該芯片具有7路驅動輸出，每路驅動電流最大可達500 mA。控制模塊在與底板的接口上加上10 nF的電容，對底板上過來的命令信號進行硬件濾波，同時在CPLD內部進行軟件去抖處理。

2.3 電阻測量模塊

電阻測量模塊功能包括導通電阻測量功能和絕緣電阻測量功能。導通電阻測量施加的激勵源為恒流源，最大為3.3 mA，絕緣電阻測量施加的激勵源為恒壓源，最大不超過5 V，確保對導彈不造成損傷。

2.3.1 導通電阻測量模塊

導通電阻測量模塊由控制電路和信號采集電路構成。

導通電阻測量電路原理如圖4所示。

控制電路主要完成選通信號的輸入，并進行AD數據采集的控制，同時按照預先的協議將數據采集的結果通過底板發送給主模塊。

信號采集電路AD芯片采用AD公司的12位高精度AD轉換芯片AD7476，該芯片自帶基準源，低噪聲，最高采樣率可達1MSPS，SPI接口輸出。

圖4 導通電阻測量電路示意圖Fig.4 Principle of the passive impedance test

由于測試阻抗范圍較大，為了提高精度，分別采用微安級高性能恒流源和毫安級高性能恒流源作為激勵，分別參見圖5,6。恒流源采用3種模式：對應電阻范圍0～1 kΩ為3.3 mA；對應電阻范圍1～10 kΩ為333 μA；對應電阻范圍10～100 kΩ為22.2 μA。

本裝置采用的毫安級恒流源見圖6。微安級恒流源由兩只運算放大器構成。所選用INA118為儀表用放大器，儀表放大器源于集成運算放大器，但性能又優于集成運算放大器。儀表放大器的基本用途是在噪聲環境下對傳感器的弱信號進行差動放大，因其極好的性能和使用方便等優點，廣泛應用在數據采集、醫用儀器、音頻電路、高速信號調節等領域。儀表放大器除了應具有很高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗、很高的共模抑制比、很低的輸入失調和熱漂移、充裕的帶寬之外，還具有很低的噪聲、很低的線性誤差和很穩定的性能[11]。

圖5 毫安級高性能恒流源Fig.5 Constant current source of milliampere

圖6 微安級高性能恒流源Fig.6 Constant current source of microampere

2.3.2 斷路電阻測量模塊

斷路測量電路原理如圖7所示，其中Rx是待測電阻，AD采集是對串接的高精度電阻Rc進行測量，根據Vx+Vc=恒壓源電壓，從而可以得到待測電阻上的電壓Vx。

圖7 斷路測量電路示意圖Fig.7 Principle of the open circuit test

控制電路主要完成選通信號的輸入，并進行AD數據采集的控制，同時按照預先的協議將數據采集的結果通過底板發送給主機。恒壓源設計本方案采取精密穩壓源芯片ADR445加外圍電路組成，如圖8所示。

為了保護被測設備，斷路測量方案采用+5 V的恒壓源，在電路中串接的高精度電阻R11為100 kΩ。

2.4 自檢及校準模塊

無源檢測裝置接口中留有自檢準接口，通過選通對應的功能，可以方便的進行自檢操作。自檢模塊電路和電阻測量模塊設計在同一塊電路板中，通過控制4只干簧繼電器來進行選擇量程，打開對應的開關即可進行選通。

當選中自檢功能時，通過對精密電阻100 Ω，100 Ω，10 kΩ和1 MΩ電阻的測量，進行顯示，同時通過RS232總線接收數據，可以分別對各個通道進行自檢。

設備留有校準接口，可以通過外界校準設備對本設備進行校準。精度校準同自檢流程一樣，同時需要將結果和精密電阻進行比對，調節變換系數。

3 軟件設計

無源檢測裝置軟件設計主要分為2個部分：①基于PC104總線的底層驅動程序的設計；②頂層應用程序設計。

圖8 恒壓源電路示意圖Fig.8 Principle of the constant voltage circuit

3.1 硬件驅動程序設計

無源檢測裝置的控制器選用PC104嵌入式計算機模塊，支持Windows XP操作系統。為了實現良好的可操作性和人機交互功能，在開發時，選用Microsoft Visual C++6.0開發環境[12]。

硬件板卡的驅動程序設計時，采用驅動程序開發工具WinDriver。該軟件是由Jungo公司提供的一個驅動程序快速開發軟件，可以快速開發出基于ISA/EISA/PCI/USB等總線的驅動程序，同時極大的縮減開發時間。它提供了強大的用戶態API函數，通過對這些函數的調用，用戶可以在應用程序中實現對硬件的各種訪問操作[13-14]。

3.2 應用程序設計

無源檢測裝置的應用軟件主要分為控制程序、測試程序及數據處理程序等模塊。其中，配置程序的主要功能是給用戶提供圖形化的配置界面，輔助用戶對設備的各項參數及通信協議進行設置；測試程序的主要功能是實現集成化、流水線式的測試過程，根據用戶的配置和選擇自動完成某個相對完整的流程測試；數據處理程序的主要功能是對測試數據進行判斷、篩選和分析，同時根據用戶的操作完成本地保存、實時顯示和遠程傳輸等任務。測試界面如圖9所示。

控制程序的操作流程如圖10所示。程序開始運行后，首先按照默認的配置文件對設備的各項參數和通信接口的參數進行設置。設置完成后，用戶可以通過菜單選擇不同的控制模式(本機模式和聯網模式)及測試項目(自檢、測試)。其中，用戶進行的設置可以保存到配置文件中，在下一次啟動后作為默認設置使用。

圖9 測試界面圖Fig.9 Picture of the main test interface

圖10 控制程序的流程圖Fig.10 Flow chart of the control program

測試程序包括多種測試項目，可以由用戶進行選擇，其流程如圖11所示。在控制程序中選擇了“測試”項目后，測試程序開始運行。此時，用戶可以選擇具體的測試項目，系統開始按照預先定義好的流程開始測試流程。在測試流程結束之后，自動顯示和保存測試結果。

圖11 測試程序的流程圖Fig.11 Flow chart of the test program

4 結束語

隨著導彈技術的不斷進步，適應不同導彈被測對象的測試任務，提升綜合測試系統通用性與靈活性，提高測試效率是導彈測試技術關注的重要方向[15]。

為了提高導彈無源測試的高效性和便捷性，本文提出了一種基于恒流源和恒壓源的無源檢測裝置的設計方案。首先對導彈無源測試的特性進行分析，提出無源測試的原理和相應的結構設計，同時在功能分析的前提下，進行了無源檢測裝置的軟件設計。本文開發的無源檢測裝置實現與計算機通信、計算機控制無源檢測裝置信號的自動測量、測量數據的獲取以及數據的實時顯示處理等功能，自檢校準易于實現。通過大量測試數據及環境試驗，表明無源檢測裝置具有實時性好、系統可靠、界面友好、易于操作以及系統可擴展性強等優點。現已在多個型號中成功應用，并在某型號圓滿定型，產生巨大的使用價值和經濟價值。

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Design of Universal Passive Detection Device

SUN Xue-cong1，XU Jiao1，DU Bao-qiang2，CHENG Peng1，MA Xiao-dong1，LI Jing-xu1

(1.Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China；2.China Electronics Standardization Institute,Beijing 100000,China)

It is necessary to test the missile with passive impedance during comprehensive test.In order to improve the passive test performance of the missile, a universal passive detection device is designed for the purpose of missile passive test.The device can also be used to other missile type for passive test. The test results show that it has significant reliability, versatility and economic value.

missile；comprehensive test；passive impedance test；universal；design

2016-11-01；

2016-12-17

有

孫學聰(1984-)，男，山東平度人。工程師，碩士，主要研究方向為導彈綜合測試技術，在軌測發控技術。

通信地址：100854 北京142信箱30分箱 E-mail：sunxuecong@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.027

TJ768.2；TP273

A

1009-086X(2017)-03-0172-07