星上熱控回路阻值測試系統設計

江 浩,汪新舜,韋 笑,宋 歌

(1.上海衛星裝備研究所，上海 200240; 2.上海裕達實業有限公司，上海 200240)

0 引言

為了使衛星上的部組件的溫度和溫度梯度都保持在設計要求的范圍內，星上熱控回路不可或缺。熱控系統一般由被動元件和加熱器，恒溫箱及熱管組成。對于飛行任務復雜，星體內部或外部熱流變化大或溫控要求很高的衛星，必須在被動溫控的基礎上，附加一些有效的主動溫控方法，如百葉窗，電加熱器，相變材料及對流控制系統等[1]。為保證熱控回路工作達到預期效果，必須在發射前對熱控回路各連接點之間的導通、絕緣及阻值3個指標進行檢查，并與設計值比較判斷熱控回路是否滿足設計需求。

對于含有n個連接點的回路, 如遍歷檢查各連接點之間的性能所需的測量次數為n*(n-1)/2。長期以來，該項工作依靠人工操作電阻表/絕緣表完成，不僅工作量十分龐大，也容易出現漏檢或重復檢查等問題。為了提高測試效率，自動化回路絕緣/阻值測試儀的開發得到廣泛關注。蘇建軍等[2-3]基于嵌入式計算機技術，開發了小型、便攜導彈電纜測試儀，可以實現導彈電纜的導通測試和絕緣測抗電強度測試。宋宏江等[4]開發了一種基于PC104總線數字式電纜測試儀，實現了電纜導通電阻和絕緣電阻的自動測量。劉澤元[5], 程海峰[6]及魏鵬等[7]分別根據任務需求開發了加熱電纜，整星低頻電纜網及星上電纜的導通絕緣自動測試儀，提高了測試效率和準確度。

由于任務需求不同，以上儀器設備基本為專用型儀器，難以適用其它場合。本文根據航天八院衛星質量控制中熱控回路阻值檢測任務需求，開發了一種基于虛擬儀器的自動化的星上熱控回路阻值測試系統。通過在NI PXI硬件平臺下集成模塊化的數字萬用表和矩陣開關，并在Labview平臺下開發測試軟件，可完成熱電偶、電加熱器及熱敏電阻等元器件組成的回路阻值自動測試，具有效率高、測試結果精度高、開發周期短等優點。

1 測試需求

航天器的熱控回路測試系統應用對象包括熱電偶、熱敏電阻及加熱器，最大測試接出點數為120點，不同的對象其測試要求也不相同。表1顯示了各種不同測試對象的一些參數及要求。

表1 測試需求表

星上熱控回路測試主要任務包括絕緣測試與電阻測試。絕緣測試時，需將整星外殼和測試設備接插件外殼接地并分別定義為整星接地點和設備接地點，檢測待測對象回路各接出節點與上述接地點之間的絕緣特性。熱電偶回路阻值測試需檢測待測回路各接出節點與冰點之間的阻值；熱敏電阻、加熱器阻值測試則需遍歷檢測回路所有接出節點之間的絕緣/連通特性，篩選出連通的節點并測量阻值。測試結束后設備需將測試結果與熱控回路阻值檢查表相比較并判斷是否合格，同時設備還能按照給定格式生成報表。

2 測試原理及硬件設計

2.1 阻值測試原理

電阻測試可分為二線制和四線制，其原理如圖1所示。二線制方法激勵電流流經導線R導線和待測電阻Rmeas，測量設備通過導線測量電阻的電壓并計算阻值。測量低阻值電阻時，導線兩端的壓降等于I*(R導線+Rmeas)，設備測量值并非電阻Rmeas兩端的電壓。常規導線電阻值介于0.01～1 Ω之間，當Rmeas阻值小于100 Ω時，很難實現精確二線電阻測量。四線方法是用4條測試導線，一對導線用于注入電流，另一對待測電阻連接導線用于感應電阻Rmeas兩端的電壓。由于待測電阻連接導線上無電流，設備僅測量電阻兩端的電壓。四線制方法可消除內部測試導線產生的誤差， 其精度高于二線方法，常用于測量小于100 Ω的電阻[8]。

圖1 兩種電阻測試方式

2.2 硬件設計

虛擬儀器 (Virtual instrument)技術是一種利用高性能模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用技的術，具有開發周期短、通用程度高，部署方便靈活等優勢[9]。星上熱控回路阻值測試系統基于NI PXI平臺下的數字萬用表+矩陣開關設計開發，通過開關動作切換星上熱控回路不同接入點至數字萬用表構成待測回路并完成測量。設計時，選用NI PXI-1031機箱作為采集控制的硬件平臺，搭載PXI-8820嵌入式控制器、NI PXI-4070六位半數字萬用表和PXI-2532B矩陣開關。NI PXI-4070電阻測試具有六檔量程可調，在二線制模式下最大量程可達100 MΩ，其在六位半精度下采樣速率可達100 S/s，具有±6 ppm VDC精度。同時，該數字萬用表在電阻測試時施加電壓最大為9 VDC，滿足星上電氣安全要求。PXI-2532B型矩陣開關具有一線4×128、8×64以及二線16×32、4×64、8×32、16×16六種配置模式，其切換速度高達2 000次/秒并能與儀器同步運行。

根據實際接入點數及二線/四線測試方法的特點，將PXI-2572B開關配置成4×128一線制矩陣。矩陣開關四根行線纜與數字萬用表的HI、LOW、HI SENSE及LOW SENSE四個接頭向連接。矩陣開關的1～120號列線纜接頭與機箱上的Y2-120ZJ航空插座相連接，121～128號接頭與設備機箱專門設計的接線柱連接，用于連接整星接地點、設備接地點。當列1行1及列2行2的開關閉合時，構成了待測回路節點1和節點2之間二線制測電阻測試回路；當列1與行1行3、列2與行2行4的開關閉合時，構成待測回路節點1和節點2之間四線制測電阻回路，如圖2所示。二線制工作模式下，數字萬用表量程大于20 MΩ，檢測絕緣和連通；四線制模式下，精確檢測連通節點對之間的電阻。這種接線方法充分考慮了二線制和四線制測試電阻的優點及絕緣和阻值測試要求。

圖2 數字萬用表-矩陣開關接線圖

整個PXI機箱被安裝在專門設計的鋁合金箱體之中，其內部留有空間存儲轉接電纜。機箱上表面安裝有觸摸屏供使用人員操作設備；側面安裝有把手，底部安裝有滾輪，方便在各個工位之間移動。整個設備具有較高的集成度及便攜性，使用簡單方便，如圖3所示。實際測量時，測試人員根據待測熱控回路的接插件形式，從3種不同規格的轉接電纜(3*Y2-36TK～ Y2-120TK；2*Y2-50TK～ Y2-120TK；Y2-120TK～ Y2-120TK)中選擇合適規格，將星上熱控回路接插件接口與機箱上的Y2-120ZJ航空插座相連接。同時，將星上接地點及設備接地點與設備的121～128號接線頭相連接。這樣就實現了數字萬用表、矩陣開關和待測回路之間的連接。

圖3 硬件框圖

3 軟件結構及功能

測試軟件部分基于LabVIEW開發，它是美國國家儀器(NI)公司研制的程序開發環境。LabVIEW被稱為“G”語言，即圖形化編程語言[10]，其核心是“數據流”，通過數據在連線上的流動，實現程序流程的控制及功能的實現。

3.1 軟件整體設計

星上熱控回路阻值測試軟件采用模塊化編程，根據測試需求將軟件分為測試配置、回路測試及數據管理三大模塊，每個模塊又分為若干個小的功能模塊。這樣設計既方便調試和修改，又可根據需求靈活組合適用于不同應用場合，如圖4所示。

圖4 軟件功能模塊

圖5所示為軟件進行測試的運行流程圖。從圖中可以看到，測試系統的運行過程如下：用戶進入軟件，選擇新建測試。新建測試可根據需求配置測試任務，配置結束后軟件自動按照配置執行絕緣/連通檢測、阻值檢測并進行合格判斷，檢測結束后自動保存數據并生成報表。流程結束后，用戶可以選擇退出軟件，也可繼續進行下一次測試。軟件的數據管理模塊相對于測試過程獨立，用戶可以在進入軟件時直接調用該模塊的功能如查看歷史數據等。用戶也可以根據實際需要在數據管理模塊和回路阻值測試模塊之間相互切換，方便使用。

圖5 軟件流程圖

在軟件設計中采用生產者-消費者架構滿足程序功能設計的要求，這是一種多線程編程中最基本的設計模式，是事件處理器和隊列消息處理器相結合而構成的復合設計模式。如圖6所示，上方循環為生產者循環，在生產者循環中采用事件結構，處理熱控回路阻值測試軟件中各種人機交互事件，如執行測試配置、執行電阻測試等；消費者則負責處理生產者發布的這些事件任務。

圖6 生產消費者架構程序框圖

3.2 測試配置

測試配置模塊供用戶輸入測試必須的配置信息。對于熱敏電阻/加熱器回路測試，用戶需輸入待測熱控回路節點信息、衛星接地點、設備接地點，填入后測試配置模塊將生成所有節點之間的遍歷待測節點對以及所有節點與接地點之間待測節點對。對于熱電偶回路測試，還需要輸入冰點，填入后程序將生成所有節點與冰點及接地點之間的待測節點對。雖然四線制方法可以消除測試回路內部導線阻值，然而在測試過程中使用了轉接電纜，其阻值也是待測回路阻值的一部分。因此，程序內置了不同型號的轉接電纜阻值數據庫，用戶可在設置界面選擇相應的數據文件以消除轉接電纜阻值對測試結果的影響。在測試配置界面，用戶還可輸入正確的阻值檢查表，以供程序判斷回路是否滿足設計需求。檢查表可以以手動輸入的方式在軟件界面錄入，也可以導入指定格式的Excel表格。此外，所有的設置內容均可保存為文件，用戶可直接加載已保存的設置，進行批次測量無須重復輸入。

3.3 回路測試

回路測試模塊主要執行絕緣和阻值測試。軟件首先自動將數字萬用表量程設定為100 MΩ，根據用戶測試配置控制開關動作進行二線制絕緣檢測，超過20 MΩ判定為絕緣并生成絕緣節點對；小于20 MΩ則判斷為連通并生成連通節點對。

絕緣檢測完成后，用戶可設定量程范圍保持在“Auto”，也可根據絕緣檢測結果設置量程。軟件對連通節點對重新采用四線制方法測試阻值，并從測試結果中自動減去測試配置模塊中用戶選擇的連接電纜阻值，可極大提高測試結果的準確性。由于實際測試中，用戶可能制作新的轉接電纜，回路測試模塊還可通過短接的方法測試轉接電纜的阻值，生成轉接電纜阻值文件并保存，供用戶使用。

測試結束后，軟件將絕緣節點對、連通節點對阻值以表格形式顯示在軟件主界面，同時與用戶配置模塊中輸入的阻值檢查表相比較并判斷熱控回路是否滿足設計需求，對于不滿足需求的測試結果行予以高亮紅色顯示，方便檢測人員二次排查，如圖7所示。

圖7 測試結果顯示

3.4 數據管理果

軟件的數據管理功能可生成測試結果報表并調取歷史數據查看。報表有word和Excel兩種格式，如圖8所示。

圖8 測試報表

Word格式報表包含了測試者、測試時間、測試結論以及連通節點對的測試阻值，供用戶打??；Excel格式則額外包含了絕緣節點對。這是因為當熱敏電阻/加熱器遍歷測量時，雖然實際測試的節點對高達數千對，但連通節點對一般只有數十至一百余對。由于軟件Word格式報表采用逐行寫入的方法生成，若將所有結果寫入過于消耗時間；Excel格式報表則可以一次性寫入。這樣不僅可以節省時間，也保留了全部原始數據。

除了Word格式和Excel格式報表，軟件的數據管理模塊還將所有歷史測試結果、用戶配置文件以及轉接電纜阻值均保存為TDMS格式文件，用戶可以直接通過軟件調取和查詢這些數據，方便人工復檢。

4 試驗對比分析

為檢驗系統檢驗電阻的準確性，將該系統連接到已標定好阻值的星上熱控回路網進行了測試。結果表明，該系統對于回路節點之間絕緣/連通關系識別準確無誤。表3比較了部分標定值和系統的測試結果，由表3可知，阻值測試結果與標定值非常接近，誤差幾乎可以忽略。

表3 標定阻值與測試阻值

從實際測試時間來看， 100個節點的熱敏電阻/加熱器回路遍歷測量，需要兩個熟練的質量檢驗人員接近3個小時才可完成測量和合格檢查；使用該設備僅需一人操作，并在40分鐘之內完成自動測量、合格性檢查，生成報表。由于設備對于回路連通及阻值檢查全自動化，可完全避免人工檢查中易出現的避免漏檢及重復檢查。同時，該設備操作簡單方便，檢測人員經過半天左右培訓即可掌握并使用，與培養熟練的手工質量檢驗人員相比可節約大量培訓時間。

5 結束語

星上熱控回路絕緣阻值測試系統采用模塊化設計，通過NI-PXI平臺下集成的高精度數字萬用表和矩陣開關，結合LabVIEW環境下開發的軟件，實現了對熱敏電阻/加熱器以及熱電偶阻值的快速準確測量。該系統具有使用方便靈活、開發周期短等優點。實際應用表明，該系統可實現多種規格熱控回路阻值自動測試，大幅提升測試效率，節約人力資源；設備檢測結果準確可靠，避免重復檢查或漏檢，具有較高的工程應用價值。