基于虛擬儀器的某彈藥電性能檢測儀設計*

范志鋒，齊杏林，劉加凱，于春華

(解放軍軍械工程學院，石家莊 0 50003)

0 引言

某彈藥是近年來列裝部隊的一種含有電子部件的復雜彈藥系統[1]。電子部件是該彈藥的核心部件，電子部件性能的好壞是決定該彈藥能否完成預定功能的關鍵所在。目前，部隊缺乏具備定量檢測和故障定位功能的檢測儀。虛擬儀器技術充分利用計算機強大的運算處理功能，突破傳統儀器在數據處理、顯示、傳輸、存儲等方面的限制，具有結構簡單、成本低廉、一機多用、測量精度高、用戶可自行開發軟件等特點，適宜于構建層次體系明晰、功能強大且人機界面友好的數據采集系統和便捷高效的控制系統[2－3]。

文中的某彈藥電性能檢測儀以虛擬儀器技術為核心，以 Lab VIEW[4]為開發工具，采用 PXI總線[5]，基于單片機設計適配電路，完成了該彈藥電性能的定量檢測，滿足了檢測的安全性、可靠性、實時性、測量精度和擴展性等要求。

1 檢測儀總體設計

某彈藥電性能檢測儀由硬件和軟件兩部分組成。檢測時，將被測彈藥放置在檢測臺架上，檢測儀通過檢測電纜與被測彈藥的檢測接口相連。彈藥電子部件的整個檢測過程，包括輸入的直流工作電壓、控制指令、輸出耗電電流、控制電壓均由檢測儀通過檢測電纜進行實時控制。為保證檢測過程中彈藥意外發火情況下的安全，應保證人彈隔離，即操作檢測儀的人員與被測彈藥通過檢測電纜實現隔離。在有檢測工房的條件下，人員和檢測儀位于操作間，被測彈藥位于測試間。檢測原理如圖1所示。

2 檢測儀硬件設計

檢測儀的硬件采用模塊化設計思想，由PXI機箱(含控制器)、采集卡、適配電路、UPS電源、電源模塊1及相應的連接電纜等組成，檢測儀原理框圖見圖2。檢測儀所有的功能模塊均組裝在一個箱體內。

圖1 某彈藥電性能檢測原理圖

檢測儀的電源為 AC220V、50Hz，采用UPS電源進行供電。AC220V電壓給電源模塊1供電。電源模塊1是AC/DC模塊，用于將AC220V、50Hz交流電變化成直流電，為電源模塊2供電。電源模塊1的輸出電壓是DC24V。

PXI機箱(含控制器)是整個檢測儀的控制器。通過運行自檢程序，對檢測儀進行自檢;通過運行檢測程序，用來管理檢測過程，按時序檢測彈藥的電參數，進行處理數據，并將結果送到顯示器或打印機。本檢測儀選用了PXIS-2630機箱，具有8個PXI插槽，滿足了某彈藥檢測和未來功能擴展的要求。控制器選用 PXI-3950 控制器[6]，具有主頻 2.2GHz，內存4G，硬盤160G，滿足運行速度和檢測數據存儲要求。

圖2 檢測儀原理框圖

采集卡主要完成彈藥電子部件靜態耗電電流、功率放大器之間4個電壓值和電位器狀態、3種指令控制信號下電子儀器組件輸出電壓等參數的采集，同時也可對適配電路產生的3種指令信號、電源模塊2的輸出電壓進行采集。根據信號采集頻率的要求，選用NI PXI6254多功能數據采集卡[6]，其采樣頻率為1.25MHz，滿足指令信號最大頻率21kHz的采樣要求，單端32路、差分16路模擬輸入，滿足多路信號同步采集和未來功能擴展要求。

適配電路由單片機、繼電器、調理電路、信號發生器、自檢電路和電源模塊2組成。適配電路主要完成向彈藥電路的供電，向功率放大器輸入控制指令信號，產生3種指令控制信號，被測彈藥輸入輸出信號進行調理，自檢與檢測功能切換等功能。整個適配電路的工作是在其內部的單片機的控制下完成的。適配電路與PXI機箱之間的通訊通過RS232接口完成。繼電器主要用于自檢和檢測功能的切換。調理電路主要用于給彈藥電子部件中的功率放大器輸入控制指令，以及對彈藥電子部件的靜態電流，功率放大器之間4個電壓值和電位器狀態，3種指令控制信號下電子儀器組件輸出電壓以及電源模塊2的輸出電壓等諸多信號進行調理。信號發生器用于產生3種指令控制信號。自檢電路用于產生等效的正確信息和超出標注公差的信息。電源模塊2是DC/DC模塊，用于適配電路自身的供電以及為被檢彈藥提供電壓。電源模塊2的輸出電壓有4路，其中有兩路電壓為被測彈藥的電路供電，另外兩路電壓為適配電路供電。

3 檢測儀軟件設計

整個檢測過程(含自檢)由PXI計算機中的測試軟件進行控制。測試軟件采用NI公司的虛擬儀器開發環境Lab VIEW開發。整個檢測軟件包括自檢、檢測、數據分析和處理以及參數標定等功能模塊。檢測軟件的功能選擇界面如圖3所示。

圖3 檢測軟件的功能選擇界面

自檢包括“自檢1”和“自檢2”。“自檢1”時，檢測儀內部產生在公差范圍之內的正確的信息電壓，然后與標注公差進行比較，最后在面板上顯示結果;“自檢2”時，檢測儀內部產生超出公差范圍的信息電壓，最后在面板上顯示結果。“檢測參數設置”用來設置被測彈藥的編號、測試時環境溫濕度以及檢測數據的存儲路徑。“連續檢測”用來對被測彈藥的靜態電流、功率放大器之間4個電壓值和電位器狀態、3種指令控制信號下電子儀器組件輸出電壓進行連續檢測，并顯示每項檢測值和結果，對不合格值給出故障部位。為保證檢測的安全性，對彈藥實施檢測前，要求輸入合格的電阻值，即在登錄“連續檢測”界面時，設置了“安全檢測登錄”界面。“分步檢測”是在“連續檢測”中某項參數出現不合格值時，對該項參數可以進行單獨重復測試。“當前數據分析”可以查看檢測數據的波形和具體檢測結果的EXCEL報表，并自動儲存檢測結果。“歷史數據分析”可以查看以往被測彈藥的檢測結果。“設置標定參數”用于輸入電流系數、電壓系數的標定值。

4 檢測儀關鍵技術及特點

該檢測儀研制成功后，進行了精度標定，用1發檢測彈進行了20次測試，檢測數據一致性較好。同時檢測了5發實彈，檢測結果均正常。該檢測儀完成了某彈藥電子部件定量檢測功能，能夠顯示輸入信號的波形和特征值，并有一定的故障定位功能，重點解決了含有炸藥的實彈檢測過程中的安全性、抗干擾性問題，實現了檢測數據的有效管理，同時滿足了未來某彈藥部件分解后進行檢測功能擴展的要求。

4.1 安全性

檢測過程中的安全性主要從以下幾個方面進行了設計:

1)在對實彈進行檢測前，軟件中設置了“安全檢測登錄”界面，檢測人員只有輸入合格的電阻值才能進行電性能檢測，從源頭上保證了實彈檢測的安全性;

2)對彈藥電子部件供電電路進行了多重防護。在檢測過程中，由于彈藥自身攜帶的電池不工作，需要利用檢測儀向被測彈藥供電。供電電壓或輸入電流過高，會導致彈藥意外發火，造成安全事故。采用的主要防護措施有:電源模塊1和電源模塊2為軍品電源，均具有過壓和過流保護功能;給彈藥供電的電路中設置有電壓瞬態抑制二極管[7]，電壓超過一定值能夠將電壓鉗制住，防止輸入彈藥的電壓過高;給彈藥供電的電路上設置有保險管，過流時能夠自動切斷供電電路;檢測過程中，實現了人彈隔離，保證彈藥意外發火人員的安全。

4.2 抗干擾

干擾問題是影響測試精度的重要原因。檢測過程中的抗干擾問題主要從硬件和軟件兩個方面進行解決。

1)硬件方面解決抗干擾的措施主要有:為防止外界的電磁干擾，在電源模塊1中設置了電源濾波器;為防止適配電路中單片機控制信號對被測彈藥輸入信號產生干擾，適配電路中設置了光電耦合器;為實現被測彈藥輸入高頻指令信號的長距離傳輸，對檢測電纜進行了雙層屏蔽防護設計。

2)軟件方面解決抗干擾的的措施主要有:利用延時采集，避免了多功采集卡中多路開關切換信號時抖動現象;采用軟件濾波技術，對獲得的測量信號進行數字濾波處理，提高了檢測儀的抗干擾和噪聲能力。

5 結論

文中基于虛擬儀器技術，構建了一臺某彈藥電性能檢測儀，在保證完成實彈電子部件定量檢測的同時，重點解決了檢測過程中的安全性、抗干擾性等問題。實驗結果表明，該檢測儀完全能夠滿足部隊彈藥質量檢測和修理機構對某彈藥電性能定量檢測的要求，為該彈的質量監測和修理提供了條件，具有廣闊的應用前景。

[1]總裝備部通用裝備保障部.新型通用彈藥(2001年～2007年)[M].北京:國防工業出版社，2009.

[2]陳非凡，吳燕瑞，杜建軍.基于虛擬儀器的現場動平衡測試系統的研究[J].裝備制造技術，2011(6):40－42.

[3]喬運英，郭曉松，朱智，等.基于虛擬儀器的起豎實驗系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2010，18(9):2125－ 2129.

[4]白云，高育鵬，胡小江，等.基于Lab VIEW的數據采集與處理技術[M].西安:西安電子科技大學出版社，2009.

[5]高燕，林建輝.幾種常用測試系統總線的特點及應用[J].中國測試技術，2004，30(3):17 －18.

[6]2010年NI公司產品目錄[M].2010.

[7]陳嵩，武建剛.電源浪涌保護電路的正確運用[J].安全與電磁兼容，2011(3):49－51.