航天器熱試驗電纜自動測試裝置的設計與實現(xiàn)

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(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

航天器熱試驗電纜自動測試裝置的設計與實現(xiàn)

馮堯，吳東亮，廖韜，王擎宇

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094)

為了解決航天器熱試驗測試電纜導通和絕緣測試人工工作量大、效率低的問題，設計并實現(xiàn)了基于繼電器網(wǎng)絡的自動化測試裝置；系統(tǒng)以EB3680嵌入式工控機為主控制器，實現(xiàn)對測試電壓產(chǎn)生和繼電器開關(guān)的控制，通過對測試時序的控制優(yōu)化，縮短了測試時間；進行了接口單元和繼電器單元的模塊化設計，提高了系統(tǒng)的適用性和可擴展性；基于VC++6.0平臺完成了軟件開發(fā)，能夠完成人機交互，測試結(jié)果判讀，數(shù)據(jù)處理、顯示和存儲；通過USB-UART實現(xiàn)了上位計算機和測試裝置的數(shù)據(jù)傳輸；實際應用表明該裝置工作穩(wěn)定，自動化程度高，測試時間短，能夠有效提升測試效率和可靠性。

航天器熱試驗；測試電纜；導通和絕緣；自動化

0 引言

航天器在設計、總裝及各種試驗過程中，會使用大量的用于地面測試的電纜，電纜芯數(shù)不盡相同、電連接器種類繁多，在使用之前，通常需要對電纜進行電性能測試，包括線間導通和絕緣測試，以確保每根電纜的線間導通絕緣性良好[1-5]。航天器熱試驗的電纜線間絕緣測試工作一般使用絕緣測試儀進行，將儀表的正負端子分別與被測兩根導線對應的插針相連接，再啟動絕緣測試儀進行測試，讀取線間的絕緣阻值，來判斷兩導線間的絕緣性能。電纜的線間導通測試，需要在電纜的另一端，將電纜內(nèi)部被測的各條導線在電氣上連接，形成一個閉合的回路，同絕緣測試類似，利用萬用表進行測量，讀取回路的線阻值，來判斷電纜的導通性能。由于每個電纜插頭的針數(shù)通常很多，因此為了完成一個插頭上全部導線的線間絕緣測試，需要測試的次數(shù)將是非常可觀的，即使是測量電纜的線間導通，也需要測試幾十次。這種情況下，為了完成全部電纜的線間導通和絕緣測試，人工操作的工作量巨大，導致測試效率很低，而且完全依賴人工進行測試，會存在測試漏項、覆蓋性不全等質(zhì)量隱患，輕則影響測試進程，重則會導致設備燒毀，甚至任務失敗。因此如何快速、全面、準確的進行電纜導通和絕緣測試，是地面試驗測試亟需解決的難點。本文設計了一種地面電纜電性能自動測試裝置，該裝置能夠自動完成電纜的線間導通和絕緣測試，不需要手動更換測試的接線端子，能夠改進電纜測試的自動化程度，顯著提高工作效率和可靠性。

1 系統(tǒng)總體設計

線間導通絕緣測試裝置主要是對被測導線間導通性和絕緣性的測量，也即是對線間電阻值的測量。測量方法上，對電阻的測量，一般采用測量電壓的方式，如圖1所示。首先，由控制器閉合電容充電控制開關(guān)，通過可調(diào)直流電壓源對電壓保持電容進行充電，完成后，控制器斷開開關(guān)。然后控制器通過集成控制電路，閉合兩組被測導線對應的繼電器開關(guān)，將兩根不同編號的導線接入測量電路，同時，控制器啟動AD測量R0兩端的電壓U0，這時可以通過公式(1)計算出Rx的值，即被測的阻值[6]。

(1)

圖1 儀器測試電路示意圖

電纜電性能自動測試裝置的系統(tǒng)組成如圖2所示，主要包括以下幾個部分：信號引入連接單元、繼電器開關(guān)控制單元、測試電壓產(chǎn)生單元、測試電路單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲與顯示單元和串行數(shù)據(jù)通訊單元。測試電壓產(chǎn)生單元產(chǎn)生用于線間導通和絕緣測試所需的直流電壓，根據(jù)不同的測量要求選擇相應幅值的直流電壓輸出。操作者根據(jù)需要，選擇不同的測量功能，儀器的中央控制系統(tǒng)按照選擇的測試類型，執(zhí)行相應的控制程序，測試過程中，自動完成被測信號的測量通道切換，并對數(shù)采芯片AD采集的測量數(shù)據(jù)進行處理、存儲、顯示，并可以將數(shù)據(jù)通過通訊端口上傳至PC機。測試過程中，不需要人工操作，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化、快速、高精度的測量。

圖2 多通道功率輸出裝置組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 中央控制單元

中央控制單元采用EMB3680嵌入式工控機, EMB-3680是一款超低功耗3寸工業(yè)主板， 采用AMD LX700 + CS5536芯片組，CPU頻率是600 MHz。配備了512 M的DDR333內(nèi)存，容量最大為1 GB。AMD LX700內(nèi)建圖形控制器，支持VGA/TFT/LVDS顯示輸出，支持4個USB2.0，4個COM口和2個10/100 Mbit/s自適應以太網(wǎng)絡接口，提供1個PC104插槽。中央控制單元采用了串口方式來控制其他的執(zhí)行模塊。測試單元和輸出控制單元均采用C8051系列單片機,通過接收中央控制單元的信號來實現(xiàn)對各個模塊的實時控制。在系統(tǒng)中，根據(jù)不同的測試要求，編寫相應的控制指令，存儲在DSP程序存儲器中。測試啟動后，控制器執(zhí)行相應的指令代碼，實現(xiàn)對測試電壓產(chǎn)生單元、繼電器開關(guān)控制單元等其他單元的控制，如圖3所示，并對采集的數(shù)據(jù)進行計算處理。

2.2 信號引入連接單元

該單元主要由接插件DB-96與接線電纜組成，接插件將被測電纜插頭各插針信號全部引入繼電器開關(guān)的輸入端。在該單元設計過程中，為了增強通用性，選用的接插件的插針數(shù)盡可能大，對于不同型號的被測電纜，只需要使用相應的轉(zhuǎn)接電纜就可以完成與測量儀器的連接，將被測量信號的引入測量裝置。同時，為了增強儀器的測量功能，在儀器面板上設計了通用測試輸入端口，通過該正負測試端子，儀器可以實現(xiàn)萬用表的測試功能。

2.3 繼電器開關(guān)控制單元

2.3.1 測試時序的控制優(yōu)化設計

本單元模塊主要由繼電器開關(guān)和相應的驅(qū)動控制電路組成。測量過程中，需要不斷的切換被測信號的測量通道，雖然電纜上的被測信號已被引入測試系統(tǒng)中，但是在電氣上是否被接入測量電路，由與之對應的繼電器開關(guān)的通斷狀態(tài)決定，而繼電器開關(guān)控制單元就決定著開關(guān)的通斷狀態(tài)，成為系統(tǒng)控制的關(guān)鍵部分。

圖4 被測信號引入與開關(guān)控制設計框圖

繼電器控制采用的是常規(guī)的高低電平控制信號，而控制的關(guān)鍵技術(shù)在于時序信號的邏輯組合上，為了達到測試的目的，又要提高測試效率，對測試的控制時序進行了優(yōu)化設計。對于線間絕緣測試，在控制單元中編程指令實現(xiàn)如表1所示的絕緣測試開關(guān)通斷時序，逐一測試電纜每一根導線與其它導線間的絕緣阻值，通過顯示屏顯示測量結(jié)果。若測試過程中，某一條導線(如第5條)與其它導線間的絕緣性不好,儀器則按照表2的時序指令單獨測試該導線與其它全部導線的線間絕緣阻值，以確定絕緣性不好的導線序號，快速定位問題點。

通過這種時序控制設計，在初始的動作中將某一根導線對應的繼電器狀態(tài)保持在測量電路的某一極上，而其余導線的對應繼電器狀態(tài)保持到另一極的狀態(tài)上，依次按序號將不同的導線與其余全部導線間進行絕緣測試，只有當某一路測量出現(xiàn)狀態(tài)異常后，再單獨對該回路進行線間絕緣測試，從而極大地提高了測試的效率。

表1 絕緣測試的控制時序狀態(tài)表

表2 導線絕緣性單獨測試的控制時序狀態(tài)表

對于線間導通測試，在控制單元中編程指令實現(xiàn)如表3所示的導通測試開關(guān)通斷時序。為了簡化指令控制，統(tǒng)一以電纜插頭的30號管腳作為公共測試端，每一時刻，有兩個開關(guān)處于閉合狀態(tài)，其余開關(guān)處于斷開狀態(tài)，從而將相應的被測插針管腳信號引入測試電路中，進行測試。

表3 電纜導通測試的控制時序狀態(tài)表

2.3.2 繼電器的模塊化設計

由于測試系統(tǒng)中需要使用繼電器的數(shù)量較大，為了便于儀器測量功能的可擴展，對于繼電器控制單元采用了板卡式的模塊化設計，將全部繼電器進行分組，50個繼電器為一塊板卡，以板卡插槽形式與儀器的主板相連接，這樣的設計方式，對于將來儀器的擴展需求，繼電器數(shù)量增多后，只需要增加相應的板卡，將其插入儀器的主板即可，而不需要對儀器系統(tǒng)進行大的調(diào)整，使整個系統(tǒng)的設計更加靈活。

2.4 測試電壓產(chǎn)生單元

在測試電壓產(chǎn)生單元設計過程中，直流電壓產(chǎn)生單元是至關(guān)重要的部分，整個測試電路需要的電壓均由該模塊單元輸出。由于本系統(tǒng)需要產(chǎn)生250 V的高壓，而且需要由電池供電完成輸出，因此該單元的設計也是整個系統(tǒng)設計的難點。為了完成電路的變壓升壓，設計的電路主要由變壓器升壓電路、倍壓整流電路、測量反饋電路等組成，實現(xiàn)電壓的可控輸出,輸出用于進行導通和絕緣測試時需要的穩(wěn)定直流電壓。低壓直流電源經(jīng)過PWM產(chǎn)生控制器UC2813D產(chǎn)生可調(diào)脈寬和頻率的方波，經(jīng)過功率管LR3410斬波進入高壓脈沖變壓器進行升壓，然后再通過倍壓整流電路進行再升壓和整流，在高壓輸出端通過分壓電路反饋至UC2813D進行負反饋，使輸出電壓穩(wěn)定到要求的輸出電壓。通過控制器給定UC2813D偏置電壓，可以改變UC2813D的PWM的脈寬和頻率，從而實現(xiàn)電壓的可控輸出。此外，為了延長電池工作的時間，對選用的芯片和電路進行了相應的優(yōu)化設計，減小整個系統(tǒng)的功耗。

圖5 電壓產(chǎn)生單元原理圖

2.5 數(shù)據(jù)存儲與顯示單元

本單元由AD轉(zhuǎn)換器和相應的信號處理電路組成，信號處理電路包括信號放大電路和信號分壓電路。中央控制單元根據(jù)不同的測量功能和測量范圍，發(fā)出相應的控制命令，驅(qū)動信號處理電路對標準電阻兩端的信號進行處理，然后由AD采集處理后的電壓信號，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給中央控制單元。采樣電路通過分壓電阻網(wǎng)絡，進入量程切換電路，控制器通過采樣輸入的電壓，根據(jù)采樣電壓的幅值，進行量程切換，改變放大器的放大倍數(shù)，使進入控制器的電壓信號始終在AD采樣電路的量程內(nèi)。

2.6 數(shù)據(jù)存儲與顯示單元

該單元由EEPROM數(shù)據(jù)存儲器和LCD液晶顯示屏組成，其中，LCD采用分辨率320×240的漢字點陣式大屏幕液晶顯示屏，并配有指示燈與蜂鳴器，顯示所有的測量信息，如測量通道、測量電壓、測量結(jié)果阻值等，可以很好地豐富人機交流界面，便于測試結(jié)果的獲取；同時，中央控制單元將處理后的測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線存儲到EEPROM中，使測試結(jié)果不丟失，便于測試結(jié)束后對測試數(shù)據(jù)進行讀取等操作。

2.7 串行數(shù)據(jù)通訊單元

本單元主要是為了完成上位機電腦與測試儀器之間的數(shù)據(jù)通訊，由于目前USB通訊接口已經(jīng)成為主流的硬件通訊方式，具備通用化的特點。同時，考慮到工作保密性的要求，在本單元的設計過程中，利用標準的串口通訊芯片組件，將串口協(xié)議數(shù)據(jù)與USB協(xié)議數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)化，使儀器的USB接口只是起到通訊的作用，而不會進行USB數(shù)據(jù)存儲，因此既起到了數(shù)據(jù)通訊的作用，又符合數(shù)據(jù)安全性的要求，實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的存檔、備份、打印等功能，操作簡單靈活。該單元主要由USB-UART橋接電路構(gòu)成，其核心為CP2102高度集成元件和串口收發(fā)器MAX223芯片。控制系統(tǒng)通過該單元把測試儀器中的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù)格式，上傳至PC機，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的存檔、備份、打印等功能，操作簡單靈活[7-8]。系統(tǒng)以這種方式進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了基于USB的數(shù)據(jù)通訊，能充分利用USB技術(shù)的優(yōu)點，也是目前技術(shù)發(fā)展的趨勢

3 軟件設計

測試系統(tǒng)軟件基于Windows環(huán)境，采用VC++6.0軟件平臺進行開發(fā)，軟件核心是按照選擇的測試模式，完成繼電器開關(guān)的自動控制，能夠?qū)崿F(xiàn)基本參數(shù)設置、測試模式選擇、繼電器控制、數(shù)據(jù)存儲與顯示、人機交互等功能，軟件工作流程如圖6所示。

圖6 軟件工作流程圖

軟件具有手動測試和自動測試兩大功能，手動測試測量交直流電壓、電阻，通過通道設置可以任意選擇兩個通道，測量電纜上該通道間的絕緣和導通電阻。自動測試功能可以自動完成一條電纜的所有通道間的導通絕緣測量，而不需要手動切換通道。導通或絕緣電阻分別有相應的測量電纜選擇，根據(jù)所要測的電纜類型選擇進入測量界面，電壓設置中可以設置絕緣測試的電壓，50 V，100 V，250 V檔位。

測試過程中，被測電纜接入系統(tǒng)后，測試人員通過人機交互界面進行測試參數(shù)設置(測試通道數(shù)、電壓幅值等)，根據(jù)需要選擇導通或絕緣測試模式，軟件發(fā)送命令控制測試電壓產(chǎn)生單元產(chǎn)生用于線間導通和絕緣測試所需的相應幅值直流電壓，執(zhí)行相應的控制程序，控制繼電器開閉自動完成被測信號的測量通道切換，采集、處理、存儲、顯示測試結(jié)果。

表4 手工測試模式與自動測試模式對比

4 測試結(jié)果及分析

某型號衛(wèi)星真空熱試驗地面電纜測試中，應用本系統(tǒng)對熱試驗加熱和測量兩類三種型號插頭電纜的導通絕緣情況進行了測量。在進行絕緣測試時，選擇110 V電壓輸出，絕緣阻值判斷條件為大于20 M歐姆，測量結(jié)果為大于110 M歐姆，選擇250 V電壓輸出，絕緣阻值判斷條件為大于20 M歐姆，測量結(jié)果為大于220 M歐姆，滿足電纜線間絕緣測試條件。在進行導通測試時，系統(tǒng)輸出5 V電壓，測試結(jié)果為3±0.2歐姆，與設計值相符。測試期間，通道切換時間小于2S，測試結(jié)果精度較高。通過自動測試裝置的使用，以對一根50芯電纜的導通或絕緣進行測試為例，與手動進行測試(使用電纜轉(zhuǎn)接箱的情況下)的耗時相對比，極大地縮短了測試時間，而且覆蓋性全面，提高了測試的效率，減少了人工操作，節(jié)省了人力資源。

5 結(jié)論

本文針對航天器熱試驗地面電纜導通和絕緣測試工作中存在的工作量大、效率低、測試覆蓋性無法檢查等問題，設計了一種自動化測試裝置。該裝置由信號接入單元、繼電器控制單元、測試電壓產(chǎn)生單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)傳輸單元等組成，具有較高的適用性和可擴展性。通過對控制時序的優(yōu)化，縮短了測試時間，提升了檢測效率。測試結(jié)果表明，該裝置測試精度高、邏輯正確、工作穩(wěn)定，使用該裝置進行熱試驗電纜的測試工作，能夠快速、全面、準確的完成測試任務，具有很高的應用價值。

[1]袁亞飛,柏向春,馮榮尉.航天器電纜網(wǎng)測試方法探索[J].宇航計測技術(shù),2011，31(4):59-62.

[2]劉 博,李洪儒,李永軍,等. 導彈地面電纜網(wǎng)自動測試系統(tǒng)[J].武器裝備自動化,2004,23(6):21-22.

[3]權(quán) 赫,楊岫婷,肖 龍.運載火箭電氣系統(tǒng)箭上電纜網(wǎng)自動導通絕緣測試儀的設計[J].電子測量技術(shù), 2014,37(10):37-40.

[4]程海峰,張 巖,焦榮惠,等.一種整星低頻電纜網(wǎng)自動測試儀的功能實現(xiàn)[J].航天器環(huán)境工程, 2015,32(5):500-503

[5]丁永恒,黃 建,郭 宏.連接器導通絕緣耐壓自動測試系統(tǒng)的設計[J].國外電子電子測量技術(shù),2016(8):62-66.

[6]高玉水,李正優(yōu),徐振輝.某型導彈電纜網(wǎng)絕緣電阻測試儀[J].計算機測量與控制, 2006,14(6):819-827.

[7]陳永波,洪永強,楊 嘉.采用USB-UART轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)DSP與PC機的USB通信[J].廈門大學學報(自然科學版),2005,44(3):359-362.

[8]文 柳,蔣東方,王新成.直接面向USB編程的USB—UART轉(zhuǎn)換器設計[J].測控技術(shù),2010,29(2):81-84.

DesignandRealizationofAutomaticTestDeviceforThermalTestCableforSpacecraft

Feng Yao, Wu Dongliang, Liao Tao, Wang Qingyu

(Beijing Institute of Spacecraft Environment and Engineering, Beijing 100094, China)

The automatic test device based on the relay network is designed and realized in order to solve the problem of heavy hard work and low efficiency in the process of the continuity test and insulation test of the spacecraft thermal test cable. The system controls the test voltage generation and relay switch module by EB3680, and reduce the test time by optimizing the test timing control. The module design of the interface and relay unit is carried out to complete the human-computer interaction, test result interpretation, data processing, display and storage based on VC++ 6.0 platform. The device achieves the host computer and test device data transmission through the USB-UART. Practical application shows that the device is stable, automatic and with short test time, can effectively improve the test efficiency and reliability.

spacecraft thermal test; test cable; conduction and insulation; automatic test

2017-06-08；

2017-06-12。

馮 堯(1986-)，男，陜西人，碩士研究生，工程師，主要從事航天器熱試驗溫度測量與控制相關(guān)技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)09-0250-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.064

TP2

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