导弹火工品通用化自动测试仪设计与实现

徐学文，盛 沛，任建存

（海军航空大学，山东烟台 264001）

战术导弹火工品测试是导弹定期进行测试维护的1项重要内容，目的是对装弹后火工品及导弹综合测试中未测到的火工品电阻值及绝缘性进行测量，以此来判断弹上火工品的有效性及相关电缆连接的正确性，从而确保备弹质量。当前，导弹火工品测试所采用的测试设备主要有电雷管测试仪、专用测试仪等手动或半自动化测试设备。这些设备由于测试用时长、测试精度低，故无法消除测量通道系统误差和参数漂移对测量精度的影响，且缺乏通用性和灵活性。为适应现代化战争对导弹技术保障提出的快速准确、安全可靠的要求，集自动化、通用化和安全性于一体的新型火工品测试设备的研发应用，已成为导弹保障装备的发展趋势。

1 系统测试原理

导弹火工品在线测量具有高风险性。根据当前火工品测量要求，以应用火工品测量成熟技术来保证火工品测量过程中的绝对安全性，研究采用限流电阻和恒流管来限制被测火工品测量电流大小，力求在电路设计中，以保证恒流源输出在10 mA 以内。同时加强对各种特殊情况的处理，例如，在回路中串联多个电阻，在单个保护电阻失效时，仍可使基准恒流源短路电流较小，以此来保护被测产品。通过微控制器的电路检测功能，保证系统工作正常，当发现测试电流异常时立即切断与被测产品之间的联通，以保证测试安全。

如图1 所示，测试系统主要由测试部分和电源部分组成。电源部分为整机提供所需的±5 V、+50 V等各类电能；提供测试部分各模块所需电能。测试部分是完成测试和数据的计算、判断、显示等主体功能：由恒流源提供1 个可调节大小的稳定电流，通道转换模块将该电流加至被测电阻，得到电压信号，通过A/D转换器将该电压信号转换为数字量，经单片机处理后得出被测电阻阻值，将所得测量值与计算机系统内设参数进行比较判断，得出合格与否的结论，并将测量值和判断结果送达显示存储。

图1 系统测试原理图Fig.1 Schematic diagram of system test

1.1 小电阻测量原理

系统采用精密恒流源加电取样测电阻的方法，小电阻测试原理，如图2所示。5 V 电源经过稳压产生标准2.5 V 电压，经过限流电阻

R

（提高安全性）输出10 mA 恒流管提供小电阻测试时测试电流，经过继电器转换电路将被测火工品电阻接入测量回路，即测试电流流过被测电阻

R

，再流经标准取样电阻

R

，

R

和

R

两端的电压经模拟开关分时选通，程控放大，送入A/D 转换器，转换后的数字量经单片机处理后得出被测电阻值

R

：

图2 小电阻测量原理图Fig.2 Schematic diagram of small resistance measurement

1.2 大（绝缘）电阻测试原理

大（绝缘）电阻测试原理，如图3 所示。 +50 V高内阻电源经限流电阻

R

（提高安全性）后，其中，1路经过

R

、

R

分压后在电阻

R

上得到与绝缘测试电压成正比的电压，另1 路经过继电器转换电路后接到被测绝缘电阻

R

，即测试电流流过被测电阻

R

，再流经标准取样电阻

R

，取样电阻两端的电压

V

和

V

经模拟开关分时选通，程控放大，送入A/D转换器，转换后的数字量经单片机处理后得出被测绝缘电阻值

R

：

图3 大（绝缘）电阻测量原理图Fig.3 Schematic diagram of large resistance measurement

2 硬件系统设计

在硬件设计上，导弹火工品通用化自动测试仪采用微控制器作为核心控制部件，采用精密恒流源加电取样测量电阻，增加了测试通道选择开关数量，实现了仪器测试通用化。其他硬件采用当前商业化成熟的模块或设备：显示模块采用低功耗的TPC080TCL 平板电脑；供电模块采用12 V/10 Ah 容量的磷酸铁锂电池；充电模块采用TI 公司生产的BQ20xx 系列充电系统。

2.1 A/D采集电路设计

根据测试技术要求，测试仪显示测试精度为0.02 Ω，满量程是20 Ω，所以A/D 转换器的二进制编码数至少要达到1 000 个。本系统选用的微控制器有24 位A/D 转换器，具体参数，如表1 所示。按16 位为其实际处理，满量程为1.25 V，分辨率约为0.03 mV，若恒流源为5 mA，则0.01 Ω 的压降为0.06 mV，经过外部10倍放大，压降为0.6 mV，精度值约为最小分辨率的20倍，满足设计要求。经A/D转换后的读数可达4 LSB。若采用内部增益放大电路，还可以进一步提高其LSB 表达数。

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

按照测试要求，系统选用了8路差分A/D器件，A/D采样模块电路原理，如图4所示。小电阻测试采用恒流源供电，并限流小于10 mA；大电阻测试采用50 V 供电，并限流小于2 mA。电路中,小电阻测试和大（绝缘）电阻测试分别采用2路差分采样。为了保证测量精度，将10次采样的平均值作为采样结果，降低了噪声产生的误差。

图4 A/D采样模块电路原理图Fig.4 Schematic diagram of A/D sampling module circuit

2.2 测试通路开关设计

测试通道（即继电器模块）选择有40 路开关。为了保证所有通道都能够切换到A/D转换输入端，需要设计80 路进行差分切换通道。在继电器切换工作过程中，设计了安全保护电路。当某1 组继电器工作后，安全保护电路将切断所有其他继电器的电源，此时，只有1 组继电器工作。因而不会出现通道短路现象。多路开关控制原理，如图5所示。

图5 多路开关控制原理图Fig.5 Schematic diagram of multiplex switch control

2.3 恒流源电路设计

恒流源电路原理，如图6所示。OP为低漂移运算放大器，用以保证压差，吸收工作时的电流波动干扰；RA1 作为输入限流电阻，使稳压器元件达到正常工作电流。在回路中串接RA2～RA5 多个等比值电阻，减少了恒流源工作过程中因自身产热导致的温度变化，在一定程度上分散了元器件工作过程中的热能损失分布，抵消温度漂移。RA6 为滑动变阻器，其作用是为实现恒流源电流输出微调。此外，在恒流源中加入滤波电路，可以去除芯片噪声，使输出纹波系数降低，保证小电流输出精度。

图6 恒流源电路原理图Fig.6 Schematic diagram of constant current source circuit

3 系统软件设计

考虑系统功能扩展及测试通用化，系统软件采用模块设计思想与方法，软件功能模块主要包括：数据采集、测量通道选择、液晶显示驱动、故障检测及报警、自校准和测量结果管理及输出。其中，测量通道选择模块的控制采用CPLD 可编程器件，该器件采用Quartus 软件，VHDL 语言编程；A/D 采集模块选用C8051F310 混合信号处理器进行控制，采用C51 或汇编语言编程；其他功能模块采用VB6.0软件编程，实现测试主流程及人机界面交互控制及显示。

测试软件流程，如图7所示。软件设计中，为方便用户对产品进行检查和调试，除自动测试外，还增加了手动测试方式。系统启动后，通过导弹弹型及校准功能选择相应界面进入测试主界面，如图8 所示。通过通道选择完成相应火工品自动测试。

图7 测试仪软件流程图Fig.7 Flow chart of tester software

图8 测试通道选择界面Fig.8 Channel selection interface

4 结束语

导弹火工品通用化自动测试仪采用精密恒流源加电取样的电阻测量原理，设计了导弹火工品电阻数字量采集电路、多路开关切换保护电路、高精度恒流源电路。实现了导弹火工品通用化测试。经相关单位试用表明，该产品能够快速准确、安全地完成导弹弹上火工品的测量。