通用无源检测装置设计*

孙学聪，许姣，杜宝强，程鹏，马晓东，李景须

(1.北京电子工程总体研究所，北京 100854；2.中国电子技术标准化研究院，北京 100000)

通用无源检测装置设计*

孙学聪1，许姣1，杜宝强2，程鹏1，马晓东1，李景须1

(1.北京电子工程总体研究所，北京 100854；2.中国电子技术标准化研究院，北京 100000)

导弹综合测试需要对导弹进行无源阻抗测试。为提高导弹无源测试的性能，针对导弹无源测试的目的，进行了通用无源检测装置的设计。该装置可适用于其他不同型号的无源测试，具有良好的可靠性、通用性和经济价值。

导弹；综合测试；无源检测；通用；设计

0 引言

导弹在总装测试过程中，为了保证弹上各设备之间接口的正确和可靠连接，确保弹上设备加电安全，检查信号传输是否正确，必须通过导弹综合测试系统对弹上设备之间进行接口检查与性能测试[1]。

通常对导弹接口进行无源检测，即导弹的导通电阻和绝缘电阻测试，是导弹测试的重要项目之一，导通电阻反映出电路两点之间的通断关系，绝缘电阻则反映电路独立回路之间的绝缘程度，它们量值的合格与否直接影响到导弹的可靠性及导弹发射的成败[2-3]。一方面，通过测试发现被测导弹阻抗表现的异常情况，尤其是测试端口对信号地的异常短路或开路，从而避免因端口异常对测试或被测设备及测试人员造成危害；另一方面，通过测试发现防空导弹测试端口阻抗的异常偏离，为故障诊断提供故障征兆[4-5]。但是目前多数防空导弹无源测试设备多为专测设备，系统资源较少，通用性和扩展性较差，很难满足导弹无源测试的要求，也不能实现快速自动化测试[6-7]。

另外，由于导弹对可靠性、安全性的要求较高，在测量时，对其施加的激励源强度不能太大，否则可能对其内部电路造成损伤。因此必须在低强度激励源下精准测量其对外接口特性[8]。

本文为提高导弹无源检测的性能，针对导弹无源测试的目的，进行了无源检测装置的设计。该设备经过简单外部电缆转接可以适用于其他不同型号导弹的无源测试。

1 总体方案

无源检测装置的设计内容包括电气方面的设计和结构方面的设计。

1.1 电气设计方案

无源检测装置总体功能见图1。无源检测装置具有导通电阻测量功能、断路测量功能以及自检和校准功能，具有本地和遥控两种控制方式，通道数量测量点具有160点，任意两点之间均能进行通路和断路测量。

图1 无源检测装置总体功能框图Fig.1 Principle of the passive detection device

通路和断路测量方案采取V-I模式，即采用R=U/I的方式。工作原理是通过把电阻转化为电压信号，使得电阻的测量归结为电压的测量[9]。

1.2 结构设计方案

无源检测装置在结构上采用4U高度的19 in(1 in=2.54 cm)机箱，结构形式为框架式，主体框架采用焊接或者铸造加工方式，机箱采用整体屏蔽设计。机箱整体结构形式如图2，3所示。机箱采用前面板开门设计，向右开启，可开启的前面板通过M5不脱落螺钉固定。机箱采用直角导轨安装到机柜上，在机箱底部与导轨接触位置设计不锈钢防磨条，机箱后面板上设计定位套，配合导轨上的定位销可防止机箱在运输过程中跳动。

机箱内固定无源检测装置插箱、电源等设备。无源检测装置插箱在结构固定上采用上下、前后可调形式，上下可按5 mm为单位进行调整，前后可按10 mm为单位进行调整。

图2 机箱整体外形图示意图Fig.2 Outlook of the passive detection device

图3 机箱整体透视图示意图Fig.3 Perspective of the passive detection device

2 硬件电路设计

2.1 主板模块

主板模块是无源检测装置的核心。它负责协调整个无源检测装置的工作时序，检查工作状态，并可以对无源检测装置进行系统的自检，并将自检结果显示于测试程序中。

主板模块采用SPI总线与电阻测量模块进行数据交互，使用控制线对电阻测量模块进行控制。首先，主模块使用4根模式控制线TD[3∶0]进行测量模式的设置，分别包括：自检模式、导通测试模式和绝缘测试模式，导通测试模式下使用不同的激励方式进行测量[10]。

2.2 继电器选通模块

继电器选通模块主要由继电器阵列、控制模块构成。

控制模块主要由可编程逻辑电路和驱动电路构成。可编程逻辑电路采用ALTERA公司生产的CPLD(EPM570TQFP144)，该芯片最多可具有114路通用IO。驱动继电器阵列芯片采用ULN2003，该芯片具有7路驱动输出，每路驱动电流最大可达500 mA。控制模块在与底板的接口上加上10 nF的电容，对底板上过来的命令信号进行硬件滤波，同时在CPLD内部进行软件去抖处理。

2.3 电阻测量模块

电阻测量模块功能包括导通电阻测量功能和绝缘电阻测量功能。导通电阻测量施加的激励源为恒流源，最大为3.3 mA，绝缘电阻测量施加的激励源为恒压源，最大不超过5 V，确保对导弹不造成损伤。

2.3.1 导通电阻测量模块

导通电阻测量模块由控制电路和信号采集电路构成。

导通电阻测量电路原理如图4所示。

控制电路主要完成选通信号的输入，并进行AD数据采集的控制，同时按照预先的协议将数据采集的结果通过底板发送给主模块。

信号采集电路AD芯片采用AD公司的12位高精度AD转换芯片AD7476，该芯片自带基准源，低噪声，最高采样率可达1MSPS，SPI接口输出。

图4 导通电阻测量电路示意图Fig.4 Principle of the passive impedance test

由于测试阻抗范围较大，为了提高精度，分别采用微安级高性能恒流源和毫安级高性能恒流源作为激励，分别参见图5,6。恒流源采用3种模式：对应电阻范围0～1 kΩ为3.3 mA；对应电阻范围1～10 kΩ为333 μA；对应电阻范围10～100 kΩ为22.2 μA。

本装置采用的毫安级恒流源见图6。微安级恒流源由两只运算放大器构成。所选用INA118为仪表用放大器，仪表放大器源于集成运算放大器，但性能又优于集成运算放大器。仪表放大器的基本用途是在噪声环境下对传感器的弱信号进行差动放大，因其极好的性能和使用方便等优点，广泛应用在数据采集、医用仪器、音频电路、高速信号调节等领域。仪表放大器除了应具有很高的输入阻抗、极低的输出阻抗、很高的共模抑制比、很低的输入失调和热漂移、充裕的带宽之外，还具有很低的噪声、很低的线性误差和很稳定的性能[11]。

图5 毫安级高性能恒流源Fig.5 Constant current source of milliampere

图6 微安级高性能恒流源Fig.6 Constant current source of microampere

2.3.2 断路电阻测量模块

断路测量电路原理如图7所示，其中Rx是待测电阻，AD采集是对串接的高精度电阻Rc进行测量，根据Vx+Vc=恒压源电压，从而可以得到待测电阻上的电压Vx。

图7 断路测量电路示意图Fig.7 Principle of the open circuit test

控制电路主要完成选通信号的输入，并进行AD数据采集的控制，同时按照预先的协议将数据采集的结果通过底板发送给主机。恒压源设计本方案采取精密稳压源芯片ADR445加外围电路组成，如图8所示。

为了保护被测设备，断路测量方案采用+5 V的恒压源，在电路中串接的高精度电阻R11为100 kΩ。

2.4 自检及校准模块

无源检测装置接口中留有自检准接口，通过选通对应的功能，可以方便的进行自检操作。自检模块电路和电阻测量模块设计在同一块电路板中，通过控制4只干簧继电器来进行选择量程，打开对应的开关即可进行选通。

当选中自检功能时，通过对精密电阻100 Ω，100 Ω，10 kΩ和1 MΩ电阻的测量，进行显示，同时通过RS232总线接收数据，可以分别对各个通道进行自检。

设备留有校准接口，可以通过外界校准设备对本设备进行校准。精度校准同自检流程一样，同时需要将结果和精密电阻进行比对，调节变换系数。

3 软件设计

无源检测装置软件设计主要分为2个部分：①基于PC104总线的底层驱动程序的设计；②顶层应用程序设计。

图8 恒压源电路示意图Fig.8 Principle of the constant voltage circuit

3.1 硬件驱动程序设计

无源检测装置的控制器选用PC104嵌入式计算机模块，支持Windows XP操作系统。为了实现良好的可操作性和人机交互功能，在开发时，选用Microsoft Visual C++6.0开发环境[12]。

硬件板卡的驱动程序设计时，采用驱动程序开发工具WinDriver。该软件是由Jungo公司提供的一个驱动程序快速开发软件，可以快速开发出基于ISA/EISA/PCI/USB等总线的驱动程序，同时极大的缩减开发时间。它提供了强大的用户态API函数，通过对这些函数的调用，用户可以在应用程序中实现对硬件的各种访问操作[13-14]。

3.2 应用程序设计

无源检测装置的应用软件主要分为控制程序、测试程序及数据处理程序等模块。其中，配置程序的主要功能是给用户提供图形化的配置界面，辅助用户对设备的各项参数及通信协议进行设置；测试程序的主要功能是实现集成化、流水线式的测试过程，根据用户的配置和选择自动完成某个相对完整的流程测试；数据处理程序的主要功能是对测试数据进行判断、筛选和分析，同时根据用户的操作完成本地保存、实时显示和远程传输等任务。测试界面如图9所示。

控制程序的操作流程如图10所示。程序开始运行后，首先按照默认的配置文件对设备的各项参数和通信接口的参数进行设置。设置完成后，用户可以通过菜单选择不同的控制模式(本机模式和联网模式)及测试项目(自检、测试)。其中，用户进行的设置可以保存到配置文件中，在下一次启动后作为默认设置使用。

图9 测试界面图Fig.9 Picture of the main test interface

图10 控制程序的流程图Fig.10 Flow chart of the control program

测试程序包括多种测试项目，可以由用户进行选择，其流程如图11所示。在控制程序中选择了“测试”项目后，测试程序开始运行。此时，用户可以选择具体的测试项目，系统开始按照预先定义好的流程开始测试流程。在测试流程结束之后，自动显示和保存测试结果。

图11 测试程序的流程图Fig.11 Flow chart of the test program

4 结束语

随着导弹技术的不断进步，适应不同导弹被测对象的测试任务，提升综合测试系统通用性与灵活性，提高测试效率是导弹测试技术关注的重要方向[15]。

为了提高导弹无源测试的高效性和便捷性，本文提出了一种基于恒流源和恒压源的无源检测装置的设计方案。首先对导弹无源测试的特性进行分析，提出无源测试的原理和相应的结构设计，同时在功能分析的前提下，进行了无源检测装置的软件设计。本文开发的无源检测装置实现与计算机通信、计算机控制无源检测装置信号的自动测量、测量数据的获取以及数据的实时显示处理等功能，自检校准易于实现。通过大量测试数据及环境试验，表明无源检测装置具有实时性好、系统可靠、界面友好、易于操作以及系统可扩展性强等优点。现已在多个型号中成功应用，并在某型号圆满定型，产生巨大的使用价值和经济价值。

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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

孙学聪(1984-)，男，山东平度人。工程师，硕士，主要研究方向为导弹综合测试技术，在轨测发控技术。

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