便攜式引信通用測(cè)試儀

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(1.火箭軍工程大學(xué)核工程學(xué)院，陜西 西安 710025；2.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中，引信是引爆控制的核心部件，其可靠性關(guān)系到戰(zhàn)斗部的引爆時(shí)機(jī)和威力，因此對(duì)引信的檢測(cè)至關(guān)重要[1]。同時(shí)，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)，導(dǎo)彈會(huì)配備不同的戰(zhàn)斗部，其對(duì)應(yīng)不同的引信。當(dāng)前普遍使用的引信測(cè)試儀專機(jī)專用，為完成對(duì)不同引信的測(cè)試，需要配備多個(gè)專用測(cè)試儀，且信息化、自動(dòng)化程度低，操作不便，成本較高，不利于戰(zhàn)斗力的提升[2]。從技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)上看，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和通用化正逐漸成為國(guó)內(nèi)外引信測(cè)試系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。美國(guó)各軍種都建有完備的引信測(cè)試系統(tǒng)，其中海軍和空軍共同研發(fā)了“聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)”，采用通用總線接口，并可以根據(jù)需求更換模塊，為“三軍通用型測(cè)試工作站”的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)[3]。國(guó)內(nèi)在引信測(cè)試領(lǐng)域也取得一系列成果：工程物理研究院電子工程所的王兵等人提出了基于AVR單片機(jī)的可編程測(cè)試儀的設(shè)計(jì)思想[4]；南京理工大學(xué)的馬少杰等人提出應(yīng)用仿真模型對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行改進(jìn)增強(qiáng)[5]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王水蓮采用引信專用測(cè)試系統(tǒng)理論對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行了解析[6]等。引信測(cè)試的理論飛速發(fā)展，同時(shí)新的應(yīng)用背景及作戰(zhàn)指標(biāo)也對(duì)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)提出了新的要求。本文針對(duì)現(xiàn)有引信測(cè)試系統(tǒng)存在的設(shè)備分散、專機(jī)專用、操作繁瑣等問(wèn)題，提出了基于STM32的便攜式引信通用測(cè)試儀，以實(shí)現(xiàn)對(duì)4種不同引信的快速檢測(cè)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

引信通用測(cè)試儀主要有以下技術(shù)要求：

1)測(cè)試儀自檢。在進(jìn)行引信測(cè)試前，測(cè)試儀對(duì)自身硬件電路和軟件系統(tǒng)進(jìn)行自檢，檢驗(yàn)合格后，進(jìn)入測(cè)試程序。

2)彈上安全狀態(tài)檢測(cè)。確保只有被測(cè)引信處于安全測(cè)試狀態(tài)時(shí)，才可啟動(dòng)測(cè)試程序，以保證操作人員、被測(cè)引信和測(cè)試儀的安全。

3)引信類型檢查。檢測(cè)接入測(cè)試儀的引信的類型，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的測(cè)試程序。

4)控制信號(hào)模擬。飛行程序模擬產(chǎn)生引信的各類解保信號(hào)，包括模擬發(fā)射信號(hào)、模擬發(fā)電機(jī)準(zhǔn)備好信號(hào)以及模擬遠(yuǎn)解信號(hào)，并控制引信的加電、斷電。

5)遙測(cè)電壓測(cè)量。通過(guò)遙測(cè)通道對(duì)引信的遙測(cè)電壓進(jìn)行精確測(cè)量，并能依此判斷引信性能是否正常。

6)通信功能。實(shí)現(xiàn)板內(nèi)各模塊間通信、板間各分模塊與主控制器的通信，以及系統(tǒng)和外界的通信。

7)數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)。測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)直觀顯示，測(cè)試數(shù)據(jù)留存可導(dǎo)出分析。

測(cè)試儀性能指標(biāo)兼顧對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試精度及速度要求，其中電阻測(cè)量精度及遙測(cè)電壓測(cè)量精度要優(yōu)于現(xiàn)有專用測(cè)試設(shè)備精度值，同時(shí)引信識(shí)別及測(cè)試速度要優(yōu)于當(dāng)前同類產(chǎn)品。另外，要求測(cè)試儀的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，體積小以便于攜帶，同時(shí)易于維修保障。

根據(jù)上述技術(shù)要求及功能，引信通用測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

引信通用測(cè)試儀采用模塊化設(shè)計(jì)思想，按照測(cè)試儀的功能設(shè)計(jì)了主控制器模塊和四個(gè)主模塊、五個(gè)輔助模塊。主控制器選用基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位微控制器STM32F427VGT6[7]，完成對(duì)檢測(cè)流程的控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的處理；四個(gè)主模塊為彈上安全狀態(tài)檢測(cè)模塊、引信類型檢測(cè)模塊、遙測(cè)及模擬解保模塊和按鍵及旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)識(shí)別模塊，各主模塊分別采用獨(dú)立電源模塊供電,采用各自的單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、分析，分別完成彈上安全狀態(tài)檢測(cè)、引信類型快速檢測(cè)、遙測(cè)及模擬解保信號(hào)產(chǎn)生和按鍵及編碼器實(shí)時(shí)識(shí)別等功能，并與主控制器通過(guò)串口進(jìn)行信息交聯(lián)；五個(gè)輔助模塊為電源模塊、通信模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊及顯示模塊，輔助模塊直接由主控制器控制。

在測(cè)試儀的設(shè)計(jì)中，全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，引信種類快速識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，各類安全保障模塊的設(shè)計(jì)等難度較大，創(chuàng)新性較強(qiáng)，為設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性技術(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性技術(shù)

在引信通用測(cè)試儀的設(shè)計(jì)中，為達(dá)到通用性、精確性、快速性等一系列測(cè)試指標(biāo)要求，對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)試方法予以改進(jìn)創(chuàng)新，提出了一些新的思路，采用了一系列關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 安全保障技術(shù)

引信屬于危險(xiǎn)品，測(cè)試儀在對(duì)其進(jìn)行測(cè)試時(shí)必須采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，以保證測(cè)試過(guò)程中人員和設(shè)備的安全。安全保障技術(shù)在硬件設(shè)計(jì)中廣泛體現(xiàn)。

在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)中，加入了彈上安全狀態(tài)檢測(cè)模塊。測(cè)試儀設(shè)計(jì)了特殊的測(cè)試電纜接口，在檢查安全狀態(tài)時(shí)，將與彈上隔離的電壓加到目標(biāo)芯上，通過(guò)測(cè)量反饋電壓值，來(lái)判斷相關(guān)芯是否短接，檢查完成后把電壓斷開，恢復(fù)原有的電氣狀態(tài)。確定引信處于安全測(cè)試狀態(tài)即確保內(nèi)部插頭可靠連接，才可進(jìn)入測(cè)試流程；如果內(nèi)部插頭和插座連接不可靠，測(cè)試儀主控制器無(wú)法識(shí)別到引信處于安全測(cè)試狀態(tài)，測(cè)試儀不執(zhí)行測(cè)試流程。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中還廣泛應(yīng)用了隔離技術(shù)，在供電、接地及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)更加注重信號(hào)的隔離保護(hù)。

2.2 引信類型快速識(shí)別技術(shù)

該技術(shù)主要完成對(duì)引信類型的快速識(shí)別。其檢測(cè)原理為：通過(guò)檢測(cè)測(cè)試電纜中的狀態(tài)識(shí)別芯線的通斷情況，判斷引信種類和狀態(tài)(電阻值小于10 Ω為通路，表示零位狀態(tài)；電阻值大于10 MΩ為斷路，表示非零位狀態(tài))。狀態(tài)識(shí)別芯線有3根，可完成最大8種引信的識(shí)別，在本設(shè)計(jì)中，選取4種情況進(jìn)行定義，以完成對(duì)4種引信的識(shí)別。測(cè)量電路如圖2所示(以狀態(tài)識(shí)別1芯和狀態(tài)公共端之間的電阻測(cè)量為例)。

電阻測(cè)量的目的在于判斷導(dǎo)通性，因此不需要計(jì)算具體電阻值。為了縮短系統(tǒng)運(yùn)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，同時(shí)兼顧精度要求，采用惠斯通電橋電路，用以比較判斷芯線與公共端之間的電阻值范圍[8]。主控制器通過(guò)ADG708模擬多路復(fù)用器在不同電橋中進(jìn)行選擇切換測(cè)試，每一路信號(hào)進(jìn)行兩次比較：第一次比較時(shí)，電橋橋臂的阻值設(shè)定為10 MΩ；第二次比較時(shí)，電橋橋臂的阻值設(shè)定為10 Ω。若第一次測(cè)量結(jié)果S1>0，則可判斷為非零位狀態(tài)；若第二次測(cè)量結(jié)果S1<0，則可判斷為零位狀態(tài)，分次測(cè)量提高了測(cè)量精度和效率。

由于電橋橋臂電阻值變化很大，將信號(hào)直接接入放大器運(yùn)算會(huì)造成誤差，故在電橋測(cè)量電路中增加OPA378電壓跟隨模塊，以提高輸入阻抗，降低輸出阻抗，達(dá)到阻抗匹配的目的。經(jīng)過(guò)處理的差分信號(hào)送入AD623儀表放大器中，進(jìn)行電壓的放大處理，其增益G[9]為：

本設(shè)計(jì)中，設(shè)定增益為51倍(RG= 2 kΩ)。最終將測(cè)試數(shù)據(jù)送入單片機(jī)中處理。單片機(jī)處理電路如圖3所示。

電阻處理電路中的單片機(jī)采用ATMEL公司的Mega8L，其具有體積小、外設(shè)豐富的特點(diǎn)，S1、S2、S3表示引信種類識(shí)別信號(hào)。單片機(jī)PC0、PC1和PC2口均內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，可將模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)將識(shí)別到的引信類型信息通過(guò)串口直接發(fā)送給主控制器[10]。

2.3 模擬解保信號(hào)可靠產(chǎn)生技術(shù)

引信測(cè)試時(shí)，測(cè)試儀需按照時(shí)序給被測(cè)引信發(fā)送多級(jí)解保信號(hào)，以解除保險(xiǎn)。模擬解保信號(hào)產(chǎn)生的可靠性及準(zhǔn)確性，是關(guān)系到引信檢測(cè)可信度的重要指標(biāo)。在測(cè)試儀設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)高精度的電源設(shè)計(jì)、冗余雙通道繼電器設(shè)計(jì)等技術(shù)，提高模擬解保信號(hào)產(chǎn)生的準(zhǔn)確性，以及信號(hào)發(fā)送的可靠性。

解保電源選用大功率高精度隔離AC/DC，標(biāo)稱輸出28 V，通過(guò)調(diào)整精密偏置電阻可輸出精準(zhǔn)解保信號(hào)。

選用JZC-158M雙通道繼電器，作冗余設(shè)計(jì)，其節(jié)點(diǎn)連接示意圖如圖4所示。電磁繼電器供電原理圖如圖5所示。

接通解保電源后，引信供電控制信號(hào)發(fā)出，光繼電器AQY272導(dǎo)通，控制電壓加在繼電器3，6腳上，在磁力作用下，2，7腳分別與8，1腳吸合，引信供電通道導(dǎo)通，解保信號(hào)發(fā)出。在電路設(shè)計(jì)中，加入瞬變電壓抑制二極管，在承受瞬間高壓時(shí)導(dǎo)通，從而保護(hù)元器件免受浪涌脈沖的損害[11]；同時(shí)該二極管可以作為續(xù)流二極管使用，當(dāng)電磁繼電器突然關(guān)斷時(shí)提供續(xù)電流以保護(hù)光繼電器。

2.4 遙測(cè)電壓隔離測(cè)量技術(shù)

遙測(cè)電壓的測(cè)量是通過(guò)遙測(cè)通道特定芯線采集的。如圖6所示，由于彈上電源與測(cè)試儀電源相互隔離，故該模塊在設(shè)計(jì)時(shí)采用隔離技術(shù)予以保護(hù)[12]。

前端遙測(cè)信號(hào)進(jìn)入運(yùn)算放大器OPA378，進(jìn)行阻抗匹配和電壓跟隨，而后進(jìn)入雙電源供電的隔離放大器ACPL-790B，進(jìn)行電壓隔離及初級(jí)放大。輸出信號(hào)接AD623儀表放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大，輸出遙測(cè)電壓。信號(hào)處理部分采用Mega8L單片機(jī)，如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性技術(shù)

根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)方案和特點(diǎn)，在軟件的設(shè)計(jì)中，將測(cè)試的安全性放在首位，對(duì)操作人員權(quán)限甄別、操作中安全提示及操作流程規(guī)范性等均采用了嚴(yán)格的安全措施；同時(shí)，更加注重人機(jī)交互體驗(yàn)，操作更加方便，最后，設(shè)計(jì)自檢環(huán)節(jié)，確保測(cè)試的可靠性。軟件的總體架構(gòu)如圖8所示。

系統(tǒng)上電后，進(jìn)入測(cè)試儀工作界面。3 s后，待系統(tǒng)穩(wěn)定，進(jìn)行設(shè)備的自檢，自檢主要針對(duì)總電源模塊、引信類型檢測(cè)模塊和通信模塊等，確保系統(tǒng)的正常工作和測(cè)試精度。自檢完成后，在引信和測(cè)試儀之間連接測(cè)試電纜，而后進(jìn)入到菜單選擇界面。菜單選擇包括“設(shè)置”、“測(cè)試”和“查詢”三個(gè)選項(xiàng)，在測(cè)試的過(guò)程中，考慮到操作的安全性和保密性，故加入用戶權(quán)限管理及發(fā)送確認(rèn)等環(huán)節(jié)，避免誤操作。“設(shè)置”環(huán)節(jié)依次完成用戶權(quán)限甄別、引信種類及編號(hào)錄入和參數(shù)的裝定等；“測(cè)試”環(huán)節(jié)依次完成引信類型確定(與測(cè)試儀自動(dòng)識(shí)別結(jié)果對(duì)比)、三次解保信息的確認(rèn)和發(fā)送以及裝定信息的確認(rèn)和發(fā)送，測(cè)試完成后會(huì)顯示測(cè)試結(jié)果，同時(shí)給出輔助決策，完成引信性能評(píng)估；“查詢”環(huán)節(jié)可對(duì)歷次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行查看，選擇測(cè)試文件后，可顯示測(cè)試人員信息、引信類型及編號(hào)、引信信息、解保信號(hào)、裝定參數(shù)及成功裝定次數(shù)等測(cè)試相關(guān)信息。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)試儀的調(diào)試包括硬件電路的調(diào)試和軟件的調(diào)試，軟件的調(diào)試過(guò)程主要是測(cè)試時(shí)序的可靠性及對(duì)各種誤操作的保護(hù)，在此不做著重說(shuō)明。硬件電路的調(diào)試主要指對(duì)系統(tǒng)主控制器模塊和各功能模塊的性能及功能進(jìn)行測(cè)試，調(diào)試時(shí)使用已檢定的高精度可調(diào)電壓源DH1715A-3和數(shù)字萬(wàn)用表Fluke-8845A。

由于測(cè)試儀系統(tǒng)功能強(qiáng)大，測(cè)試信號(hào)種類繁多，不能一一羅列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在此僅提供較有代表性的遙測(cè)及模擬解保模塊性能的檢測(cè)方法和結(jié)果分析如表1所示。

表1 遙測(cè)及模擬解保模塊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Telemetry and simulation relieve-safety experimental data

在遙測(cè)1通道施加不同的電壓(0.5 V，1 V，1.5 V，2 V，2.5 V和3 V)，模擬遙測(cè)電壓數(shù)據(jù)的采集和測(cè)量。對(duì)其中重要的三個(gè)點(diǎn)位(OPA378的4腳與地、ACPL-790B的6，7腳和AD623的6腳與地)分別進(jìn)行測(cè)量和記錄。經(jīng)分析，此測(cè)量放大電路的綜合相對(duì)誤差為0.91%，滿足測(cè)試精度的要求。

其他信號(hào)及控制系統(tǒng)的測(cè)試均已完成，全部達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，部分重要參數(shù)的精度甚至遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 結(jié)論

采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，提出了基于STM32的便攜式引信通用測(cè)試儀，在一臺(tái)自動(dòng)化測(cè)試儀器上實(shí)現(xiàn)了對(duì)4種不同引信的上百個(gè)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量，測(cè)試精度和速度較現(xiàn)有設(shè)備有了較大提高，采用EMWIN系統(tǒng)，優(yōu)化了測(cè)試程序，提高了測(cè)試效率，實(shí)現(xiàn)了軍用設(shè)備“一機(jī)多用”的實(shí)戰(zhàn)化要求。在硬件設(shè)計(jì)中，廣泛應(yīng)用信號(hào)隔離等安全保障技術(shù)，提高了系統(tǒng)的安全性；設(shè)計(jì)了引信類型檢測(cè)模塊、遙測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊、解保信號(hào)發(fā)生模塊、通信模塊等很多有較強(qiáng)工程應(yīng)用價(jià)值的模塊電路；同時(shí)采用多種抗干擾技術(shù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保障了測(cè)試的精度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該測(cè)試儀功能完整，操作簡(jiǎn)單，測(cè)試精準(zhǔn)，安全可靠，可較好滿足多種類引信的自動(dòng)化測(cè)試。

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