基于虚拟仪器的弹上点火装置自动测试系统

蔡文泽，张思琪，张红伟，谢英武

(西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

弹上点火装置自动测试系统(以下简称测试系统)通常是基于虚拟仪器技术所研发的自动测试系统[1-2]。

国外在该领域的研究较为领先,最突出的是美国NI公司,其生产的N1-PCI、NI-CompactRIO、NI-PXI等类型的数据釆集硬件具有良好的性能,开发的Labview、LabWindows软件是虚拟仪器开发的主要编程工具,两者组合后占领了大部分市场[3-6]。

国内虚拟仪器技术的研究开展相对较晚,但经过近年来的发展,该技术在理论研究和实际应用方面都得到了长足的进步。如文献[7-8]介绍了微机技术和虚拟仪器技术在谐波自动测量中的应用,该系统能实时动态测量电信号的各谐波含量,并能实时显示分析的数据和波形;文献[9-10]研究了基于虚拟仪器技术的冲击减速度测试系统,利用VB结合Measurement Studio开发上层应用分析软件并控制底层单片机,实现了数据的采集、分析、显示和储存等。

文中针对现有生产调试、试验以及产品验收过程的弹上点火装置(以下简称点火装置)自动化程度低、可靠性较差,无法适应大批量测试的问题,进行重新设计和验证。新研发设备能够为点火装置提供路数为5的点火脉冲输入信号,可对点火装置输出的点火信号进行采集和处理,并具有显示、存储、打印测试信号及测试结果的功能。

1 系统设计

测试系统采用上下位机结构,系统组成如图1所示,核心硬件包括数字I/O模块、模拟输入模块、电源、以及电流传感器;软件采用Labview开发,操作环境为Windows操作系统。

图1 测试系统组成图Fig.1 Test system composition diagram

2 工作原理

测试系统作为弹上点火装置专用测试设备,需配合弹上点火装置完成产品的生产与交验工作。其工作原理为:通过数字I/O模块控制继电器,切合反相器与-13 V的通断,实现模拟路数为5的点火脉冲的输出;通过模拟输入模块与电流传感器实现路数为5的点火信号与点火安全电流的采集;通过串行仪器控制模块控制程控电源的输出,实现测试系统电源输出的拉偏功能,并通过开发的Labview专用软件完成实时绘制测试结果曲线,显示、存储和打印测试信号及测试结果等功能。

3 系统硬件平台构建

3.1 电源模块

为满足测试系统点火功能的实现,电源设计包括-13 V电源、EDI点火电源两部分。

-13 V电源通过+13 V转-13 V的隔离二次电源模块实现,选用型号为NR5D15S5B电源模块,输出电压精度为±0.5 V。主要用于弹上点火装置的输入端,在输入端持续输入-13 V的低电平,实现切断弹上点火装置热电池点火工作状态。

EDI点火电源采用定制程控电源,输出电压精度为±0.01 V。主要为弹上点火装置提供热电池点火工作电源,按照技术指标要求,该电源需提供路数为2的点火电源。

通过在软件中设置定时器,由软件前面板控制开始测试时间,在软件中记录时刻点,并按照上电时序,控制-13 V电源、EDI点火电源输出,下位机定时精度为1 μs,其时序控制如图2所示。

图2 电源上电时序控制图Fig.2 Power supply power on sequence control diagram

3.2 数字I/O模块

如图3所示,测试系统需要向弹上点火装置提供低电平为-13 V、高电平为+13 V的脉冲信号,通过数字I/O模块配合反相电路、固态继电器实现点火脉冲的发送。首先通过数字I/O模块控制固态继电器T1脚闭合,二次电源模块提供-13 V电平给弹上点火装置的点火信号输入端;当需要发送点火脉冲时,由数字I/O模块控制固态继电器T1脚断开,同时T2脚闭合,将二次电源模块与反相电路相连接,通过反相电路将其输出-13 V转换为+13 V;当达到一定脉宽时间后再控制固态继电器T2脚断开,同时T1脚闭合,将+13 V转换为-13 V,从而实现点火脉冲的发送。

图3 点火脉冲原理图Fig.3 Schematic diagram of ignition pulse

反相电路采用以运算放大器为核心的电路,通过反接实现-13 V输入电压转换为+13 V输出电压。其运放标准时间为23.5 ns,输出电压失调最大值为±1.6 V。

脉冲时序及脉冲宽度主要由数字I/O模块控制固态继电器来实现。脉冲时序及脉冲宽度的精度与数字I/O模块控制固态继电器的响应时间以及反相器转换电压时间相关,cRIO实时系统中响应速度为μs级,继电器的闭合速度为ms级,从软件控制定时开始响应时间能达到0.5 ms以内的精度;反相电路的电压转换时间能控制在ns级。

3.3 模拟输入模块

选用NI-9205模拟输入模块采集弹上点火装置输出端负载两端的电压值,采集方式为在点火状态下全程采集,采样率可达10 ksps。

3.4 电流传感器模块

通过在点火输出端与点火地回路上串联电流传感器可将点火安全电流信号按比例转换为电压值,由模拟采集模块采集该电压值,并按比例换算为电流值,从而实现安全电流的采集。

由于点火装置在非点火状态下所产生的漏电流一般为1～30 μA[11],因此在设计的过程中需要考虑以下问题:

1)小电流的高精度采集;

2)对噪声、输入到输出信号失真的控制;

3)采集电流信号的放大、降噪等预处理。

综合考虑后,系统选用WPEO-DI/T01型光电隔离式交直流电流传感器,通过光电耦合器实现电流信号的采集,其采集精度可达到±0.04 mA[12]。通过输入的电信号驱动LED发光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换,从而起到输入、输出隔离的作用。

点火信号以及点火安全电流的采集设计电路如图4所示,通过单刀双掷继电器实现点火信号采集电路与安全电流采集电路的隔离。由数字I/O模块控制固态继电器实现两种采集状态的切换。

图4 采集设计电路图Fig.4 Circuit of acquisition and design

4 测试软件设计

4.1 软件组成

使用Labview进行测试系统的软件开发,采用封装模块化设计,具有良好的开放式设计模式。系统分上位机、RT实时采集、FPGA底层程序三层开发。其中,上位机主控子系统用于实现主控单元、标准判定单元、数据处理、显示以及报表的显示功能;RT层实时采集通讯子系统主要实现硬件自检、记录采集、输出控制、通讯控制等功能。

4.2 测试流程

测试软件流程图如图5所示,除装真、更换测试产品外,采用自动测试方式,操作人员只需首次测试时,在配置界面输入测试人员,测试项目等相关测试信息,点击开始测试按钮,测试系统软件能够自动进行测试,并在测试结束后自动生成并保存报表,然后根据需要,操作人员更换产品并自动开始下一产品的测试。

图5 软件流程图Fig.5 Software flow chart

5 验证分析

5.1 电源输出精度验证

控制测试系统电源分别输出-13.00 V,-10.26 V,-10.80 V,-11.00 V电压,通过Fluke45数字多用表进行电压采集,以此作为实测电压值,得到测试系统电压输出精度。试验验证结果如表1所示。可以看到-13 V电源输出精度能够达到±88 mV,EDI点火电源输出精度能够达到±2 mV,高于所要求的数值。

表1 电源电压控制精度表Table 1 The control accuracy of power supply V

5.2 点火信号输出精度验证

控制测试系统发出点火脉冲信号,通过示波器测试信号特征,以此作为实测值,得到测试系统点火信号输出精度。试验结果如表2所示。此外,由输出波形可以看出对于点火信号的模拟,时序的控制精度符合要求,点火脉冲信号的特征也能满足要求。

表2 点火信号输出精度表Table 2 The accuracy of ignition signal

5.3 电流采集精度验证

通过将直流稳压电源与1 kΩ标准电阻串联,控制直流稳压电源输出电压5 V,在测试电缆对应的路数为5的点火输出端与点火地之间输入5 mA的电流值,通过Fluke45数字多用表进行电流采集,以此作为实测值,再通过测试系统分别采集上述电流,以此作为回采值,对比实测值与回采值,得到测试系统电流采集精度。试验验证结果如表3所示,可以看出测试系统对于点火电流的采集误差最大为0.020 mA,高于所要求的采集精度±1.000 mA。

表3 电流采集精度表Table 3 The accuracy of current collection mA

5.4 自动化程度验证

在线测试时,测试人员只需打开测试软件,点击“开始”按钮后,测试系统便能自动进行弹上点火装置各信号的测试,测试结束后自动显示合格判据,并自动保存及输出测试报表。除需手动更新测试样品外,单具产品测试的自动化程度能够达到100%。

6 结论

基于Labview虚拟仪器技术研制出了弹上点火装置自动测试系统,其点火电源输出精度为±2 mV,点火信号时序控制精度为±0.2 ms,点火电流采集精度为20 μA,单具产品测试自动化程度为100%,具有自动化程度高、用户界面友好、操作简便、易于维护、扩展性强的特点,实现了弹上点火装置生产调试、交验过程的模块化、快速化和自动化测试,测试效率也得到了大幅提升。