电子时间引信电路部件全流程测试系统设计

马 景,李豪杰,原红伟,贺冠华

(1.南京理工大学 机械工程学院, 南京 210094; 2.淮海工业集团有限公司, 山西 长治 046012)

0 引言

引信是利用目标信息与环境信息,在预定条件下引爆或引燃战斗部装药的控制系统,它的可靠性对整个武器系统的效能发挥有重要影响,直接关乎作战任务的成败[1]。随着智能引信的发展,电子电路在引信的安全、起爆控制中起着越来越重要的作用,且引信电路部件的功能越来越复杂,因此有必要设计一套引信电路部件测试系统,在引信生产过程中对引信的电路部件进行性能测试,以确保引信在不同作用模式下仍具有较高的精度和可靠性,并满足性能指标要求。

国外对引信测试系统的研究较早,美国已经对部队配备了各军种专用的测试系统。国外在测试系统研究领域主要表现出以下3个方面的趋势:一是仪器总线接口标准的转变,主要由GPIB、VXI、PXI向LXI总线标准转变,并将网络融入到了测试系统中[2-4]。二是虚拟仪器技术的发展,将控制和显示硬件以软件的方式呈现,降低了系统成本,并提高了可维护性[5]。三是引信测试技术与其他新技术融合发展,随着微电子技术的应用,引信系统也变得更加智能化、复杂化,对测试系统的要求也更高,因而测试技术与其他新技术、多学科融合发展将成为测试系统发展的趋势。国内引信测试技术虽起步较晚,但也取得了一定的成果。哈尔滨工业大学自动化测试研究院首次引进了VXI标准,并且已经开始了基于LXI总线的测试装备的研制,并取得了一定成就[6]。王兵等[7]对可编程测试仪进行了较为深入的研究,实现了对引信的自动识别与合格性测试。陈浩等[8]通过对引信通用测试仪的研究,实现了对引信的自动识别、测试及结果判断。

在前文的研究中,考虑了总线技术在测试系统中的应用,对引信的测试大多只包含了引信电路一部分电参数的测试,或者只有单一作用模式下对输入信号的模拟和测量,并没有考虑引信在实际工作中多种作用模式下的时序输出响应,在引信全流程测量上有一定的局限性。本文中所设计的全流程测试系统考虑了引信在不同作用模式下的输出响应,并提出了模拟引信实际工作时开关信号和引信上电信号的方法,最后验证了测试系统的稳定性和准确性[9-11]。

1 全流程测试系统总体设计

全流程测试系统测试对象为某电子时间引信电路部件,引信使用前,首先对引信电路部件进行数据信息的装定,装定完成后击发弹丸。弹丸被击发后,启动开关闭合,引信主控模块接收到启动开关闭合信号,定时器开始计时。出炮口后,引信电路部件对弹丸装定时间信息进行测速修正,从而保证定距精度。当时间达到预定的计时时间,引信电路模块输出起爆信号。引信电路部件还可以通过接收触发或延期模式数据,实现弹丸的不同模式引爆输出。

基于上述分析,得到测试系统的功能要求如下:

1) 多功能测试需求:能够对引信电路部件进行时间装定功能、测速修正、触发、延期和自毁功能的测试;

2) 供电需求:能够为引信提供工作电源,且引信工作电流可调;

3) 信息装定需求:能够对引信进行参数装定;

4) 开关信号输入需求:能够模拟产生引信工作过程中所需的各种开关信号,包括装定输出断开信号、启动开关信号、碰炸开关信号和引信上电信号;

5) 测速信号输入需求:能够模拟弹载传感器的输出信号,从而对电路的测速修正功能进行测试。

测试系统在不同模式下测试的误差范围要求如表1所示。

表1 误差范围要求

根据上述测试系统的功能要求,引信电路部件全流程测试系统如图1所示。

引信电路部件全流程测试系统主要由主测试仪和外围连接仪器组成。主测试仪包括主控制板、装定器电路板、引信电路部件专用测试架、电源模块、BNC接口以及测试接口。外围连接仪器包括示波器和信号发生器。测试系统中, STM32单片机作为主控制板的核心控制单元,完成检测流程的控制和与装定电路板之间的通信。装定电路板模块,完成对测试引信电路部件数据的装定并接收来自引信电路部件的装定反馈信息。电源模块通过AC/DC转换模块对测试系统提供24 V电压。BNC接口用来连接示波器和信号发生器。

信号发生器通过专用测试架连接被测引信电路部件,用来模拟引信地磁计转数传感器产生的正弦测速信号,此信号由引信主控模块分析解算得到炮口初速并对空炸模式下的起爆时间进行修正。示波器连接测试系统BNC接口,4个通道CH1—CH4分别连接上电信号(BAT+)、启动开关信号(Q+)、碰炸开关信号(K+)、发火信号(D+),测试流程完成后,测试结果可在示波器上直接读取。

2 测试系统硬件设计关键技术

2.1 系统硬件设计

全流程测试系统电路硬件设计可以模拟引信的实际工作状态,确保产品的正常功能和性能,是整个系统设计的基础,它的稳定性和可靠性对后期测试系统的长期安全运行起着至关重要的作用。测试系统主要由主控STM32单片机模块、继电器控制模块、通信模块、电源模块组成[12-15]。测试系统硬件设计如图2所示。

图1 引信电路部件全流程测试系统框图

图2 测试系统硬件设计框图

2.2 主控制器电路模块

主控模块主要由主控芯片及外围电路组成,是整个测试系统的核心,主要负责与装定器之间的数据通信,并控制相应开关的通断,确保当前自动检测的正常进行而不会受到其他电路的干扰。主控模块结构如图3所示。

引信全流程测试系统采用STM32单片机作为主控芯片,最小工作系统由主控芯片、时钟电路、复位电路以及JTAG接口等组成,可以满足系统正常运行时的检测需求。

图3 主控模块结构

2.3 继电器控制模块

继电器控制模块主要是在主控模块的控制作用下来模拟引信实际工作的开关信号和引信上电信号。通过控制继电器输入端高低电平的变化来控制开关的通断,更能模拟引信受过载时开关动作的真实情况。

在引信全流程测试中,测试系统需要按照时序对引信依次进行各个功能的测试。继电器控制模块由4个继电器电路组成,分别产生启动开关信号、碰炸开关信号、电池上电信号和装定输出断开信号。由于4个继电器控制电路原理类似,因此只对启动开关继电器控制电路进行分析,启动开关继电器控制电路如图4所示。

图4 启动开关继电器控制电路

图4中,继电器J1的16引脚通过三极管与地连接,继电器线圈的两端反向串联一个二极管,防止继电器断电产生的反电动势对其他元件造成破坏或者产生干扰,起到整流、保护电路的作用。当测试系统主控芯片控制QDKG引脚输出高电平时,三极管QJ1848A导通,继电器线圈通电,在磁力的作用下,触点4和触点8吸合接通,从而使引脚4(启动开关信号输出端)接地,启动开关闭合。若QDKG引脚为低电平时,三极管截止,则启动开关断开。即通过启动开关信号输出端高低电平变化,输出启动开关动作信号,从而模拟启动开关的闭合与断开。启动开关控制电路输入端(QDKG端)、输出端(Q+端)电平变化如图5所示。

图5 输入端、输出端电平变化

2.4 通信电路模块

通信电路模块采用RS422通信电路,抗干扰能力强[16-17]。采用DG3490电平转换模块实现测试系统主控模块与装定器模块的数据通信。

2.5 电源电路模块

测试系统硬件电路正常工作所需电压分别为5 V和3.3 V,电源模块电路原理如图6所示。5 V电压由78M05电压稳压器降压后得到,为继电器提供工作电压。3.3 V由AMS1117稳压芯片将5 V输出电压转化得到,主要为测试系统主控芯片提供3.3 V工作电压。稳压芯片的输入输出端分别并联了电容C2、C3,起到稳压和滤波的作用,同时抑制电源输出电压的纹波,提高供电电压的稳定性和瞬态响应性。

图6 电源模块电路原理

3 系统软件流程设计

完成硬件设计后,只有在软件程序的控制下才能实现测试系统的功能,软件程序设计的优劣会影响整个系统能否更稳定、更高效地运行。

根据实际的测试要求,引信电路部件需要测试的功能包括时间装定功能、测速修正、触发、延期和自毁功能。时间装定功能测试主要测量引信的实际发火时间。测速修正在测试前,先通过信号发生器给引信电路施加模拟的地磁信号,经引信主控模块处理后输出修正后的测速时间信号。触发功能测试主要对引信的碰炸功能进行模拟,考察引信是否能够输出预定要求的发火信号。延期功能测试是在碰炸的基础上通过软件对引信电路进行一定的延时后,输出发火信号。自毁功能测试是引信上电后,通过软件计时,当计时达到预设时间时,测试引信自毁时间是否准确。软件测试流程如图7所示。

测试系统通电,流程开关闭合后,启动流程测试程序,依次对时间装定功能、测速修正、触发、延期功能进行测试,每次测试前测试系统的装定模块会对引信电路进行装定,并将装定信息反馈给测试系统主控模块,状态指示灯闪烁表明流程测试已完成,可通过示波器观察引信在4种模式下的输出波形。按下自毁开关后,自动启动自毁测试流程,通过示波器辅助,测试引信电路的自毁性能。

图7 软件测试流程框图Fig.7 Software test flow diagram

4 测试系统验证及结果分析

为验证全流程测试系统能否达到预期的使用效果,取1组已测试标定的引信试制产品(包括一个引信电路单板和一个灌封后的引信电路部件),标定的参数值作为真实值,对引信试制产品进行5次全流程测试,测试参数为:

1) 时间装定和测速修正模式:测量启动开关闭合到发火之间的时间;

2) 碰炸和延期功能:测量碰炸开关闭合到发火的时间;

3) 自毁模式:引信电池上电到发火的时间。

引信试制产品标定数据如表2所示。测试系统连接如图8所示。

表2 标定数据

将引信灌封电路部件固定压接在测试架后,上电正常后,打开测试仪流程开关,系统会依次进行时间装定功能、测速修正功能、触发功能、延期功能的测试,断开流程开关后,通过示波器显示各测试功能的输出波形;按下自毁开关,系统将自动进行自毁功能测试,从示波器中读取各功能模式下的参数,完成测试系统的全流程测试。引信流程测试波形和自毁功能波形如图9(a)、图9(b)所示。

图8 测试系统连接

图9 引信全流程测试波形

通过对图9分析得出的第1次测试结果以及其余4次引信全流程测试(灌封电路部件)结果如表3所示。引信全流程测试(电路单板)结果如表4所示。

通过对引信试制产品的5次全流程测试,可以得出其各项检测结果与标定值的最大误差均在测试系统所要求的误差范围内,且全流程测试系统运行稳定,能够实现测试系统所要求的功能,验证了测试系统的可行性和可靠性并达到了预期效果,具备一定的实用价值。

表3 引信全流程测试(灌封电路部件)

表4 引信全流程测试(电路单板)

5 结论

本文中为了保障电子时间引信在多种作用模式下仍具有较高的精度和可靠性,设计了一种引信电路部件全流程测试系统,系统进行一次全流程测试,即可实现引信时间装定、测速修正、触发、延期和自毁5种模式的自动测试,提高了测试效率。采用继电器控制模块准确模拟引信开关信号和上电信号,增强了引信测试的可信度;采用外接信号发生器模拟引信测速所需的地磁信号,减少了系统设计的复杂性。一套设备(测试系统)就可以对2种外观状态(灌封电路部件和电路单板)的引信进行测试,提高了设备的利用率,降低了成本。实验验证结果表明:引信电路全流程测试系统操作方便,测试结果准确,可满足功能设计要求,达到了引信电路部件测试的预期效果,可为其他引信产品测试设备的设计提供经验。