星上熱控回路阻值測試系統(tǒng)設(shè)計

江 浩,汪新舜,韋 笑,宋 歌

(1.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240; 2.上海裕達實業(yè)有限公司，上海 200240)

0 引言

為了使衛(wèi)星上的部組件的溫度和溫度梯度都保持在設(shè)計要求的范圍內(nèi)，星上熱控回路不可或缺。熱控系統(tǒng)一般由被動元件和加熱器，恒溫箱及熱管組成。對于飛行任務(wù)復(fù)雜，星體內(nèi)部或外部熱流變化大或溫控要求很高的衛(wèi)星，必須在被動溫控的基礎(chǔ)上，附加一些有效的主動溫控方法，如百葉窗，電加熱器，相變材料及對流控制系統(tǒng)等[1]。為保證熱控回路工作達到預(yù)期效果，必須在發(fā)射前對熱控回路各連接點之間的導(dǎo)通、絕緣及阻值3個指標(biāo)進行檢查，并與設(shè)計值比較判斷熱控回路是否滿足設(shè)計需求。

對于含有n個連接點的回路, 如遍歷檢查各連接點之間的性能所需的測量次數(shù)為n*(n-1)/2。長期以來，該項工作依靠人工操作電阻表/絕緣表完成，不僅工作量十分龐大，也容易出現(xiàn)漏檢或重復(fù)檢查等問題。為了提高測試效率，自動化回路絕緣/阻值測試儀的開發(fā)得到廣泛關(guān)注。蘇建軍等[2-3]基于嵌入式計算機技術(shù)，開發(fā)了小型、便攜導(dǎo)彈電纜測試儀，可以實現(xiàn)導(dǎo)彈電纜的導(dǎo)通測試和絕緣測抗電強度測試。宋宏江等[4]開發(fā)了一種基于PC104總線數(shù)字式電纜測試儀，實現(xiàn)了電纜導(dǎo)通電阻和絕緣電阻的自動測量。劉澤元[5], 程海峰[6]及魏鵬等[7]分別根據(jù)任務(wù)需求開發(fā)了加熱電纜，整星低頻電纜網(wǎng)及星上電纜的導(dǎo)通絕緣自動測試儀，提高了測試效率和準(zhǔn)確度。

由于任務(wù)需求不同，以上儀器設(shè)備基本為專用型儀器，難以適用其它場合。本文根據(jù)航天八院衛(wèi)星質(zhì)量控制中熱控回路阻值檢測任務(wù)需求，開發(fā)了一種基于虛擬儀器的自動化的星上熱控回路阻值測試系統(tǒng)。通過在NI PXI硬件平臺下集成模塊化的數(shù)字萬用表和矩陣開關(guān)，并在Labview平臺下開發(fā)測試軟件，可完成熱電偶、電加熱器及熱敏電阻等元器件組成的回路阻值自動測試，具有效率高、測試結(jié)果精度高、開發(fā)周期短等優(yōu)點。

1 測試需求

航天器的熱控回路測試系統(tǒng)應(yīng)用對象包括熱電偶、熱敏電阻及加熱器，最大測試接出點數(shù)為120點，不同的對象其測試要求也不相同。表1顯示了各種不同測試對象的一些參數(shù)及要求。

表1 測試需求表

星上熱控回路測試主要任務(wù)包括絕緣測試與電阻測試。絕緣測試時，需將整星外殼和測試設(shè)備接插件外殼接地并分別定義為整星接地點和設(shè)備接地點，檢測待測對象回路各接出節(jié)點與上述接地點之間的絕緣特性。熱電偶回路阻值測試需檢測待測回路各接出節(jié)點與冰點之間的阻值；熱敏電阻、加熱器阻值測試則需遍歷檢測回路所有接出節(jié)點之間的絕緣/連通特性，篩選出連通的節(jié)點并測量阻值。測試結(jié)束后設(shè)備需將測試結(jié)果與熱控回路阻值檢查表相比較并判斷是否合格，同時設(shè)備還能按照給定格式生成報表。

2 測試原理及硬件設(shè)計

2.1 阻值測試原理

電阻測試可分為二線制和四線制，其原理如圖1所示。二線制方法激勵電流流經(jīng)導(dǎo)線R導(dǎo)線和待測電阻Rmeas，測量設(shè)備通過導(dǎo)線測量電阻的電壓并計算阻值。測量低阻值電阻時，導(dǎo)線兩端的壓降等于I*(R導(dǎo)線+Rmeas)，設(shè)備測量值并非電阻Rmeas兩端的電壓。常規(guī)導(dǎo)線電阻值介于0.01～1 Ω之間，當(dāng)Rmeas阻值小于100 Ω時，很難實現(xiàn)精確二線電阻測量。四線方法是用4條測試導(dǎo)線，一對導(dǎo)線用于注入電流，另一對待測電阻連接導(dǎo)線用于感應(yīng)電阻Rmeas兩端的電壓。由于待測電阻連接導(dǎo)線上無電流，設(shè)備僅測量電阻兩端的電壓。四線制方法可消除內(nèi)部測試導(dǎo)線產(chǎn)生的誤差， 其精度高于二線方法，常用于測量小于100 Ω的電阻[8]。

圖1 兩種電阻測試方式

2.2 硬件設(shè)計

虛擬儀器 (Virtual instrument)技術(shù)是一種利用高性能模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用技的術(shù)，具有開發(fā)周期短、通用程度高，部署方便靈活等優(yōu)勢[9]。星上熱控回路阻值測試系統(tǒng)基于NI PXI平臺下的數(shù)字萬用表+矩陣開關(guān)設(shè)計開發(fā)，通過開關(guān)動作切換星上熱控回路不同接入點至數(shù)字萬用表構(gòu)成待測回路并完成測量。設(shè)計時，選用NI PXI-1031機箱作為采集控制的硬件平臺，搭載PXI-8820嵌入式控制器、NI PXI-4070六位半數(shù)字萬用表和PXI-2532B矩陣開關(guān)。NI PXI-4070電阻測試具有六檔量程可調(diào)，在二線制模式下最大量程可達100 MΩ，其在六位半精度下采樣速率可達100 S/s，具有±6 ppm VDC精度。同時，該數(shù)字萬用表在電阻測試時施加電壓最大為9 VDC，滿足星上電氣安全要求。PXI-2532B型矩陣開關(guān)具有一線4×128、8×64以及二線16×32、4×64、8×32、16×16六種配置模式，其切換速度高達2 000次/秒并能與儀器同步運行。

根據(jù)實際接入點數(shù)及二線/四線測試方法的特點，將PXI-2572B開關(guān)配置成4×128一線制矩陣。矩陣開關(guān)四根行線纜與數(shù)字萬用表的HI、LOW、HI SENSE及LOW SENSE四個接頭向連接。矩陣開關(guān)的1～120號列線纜接頭與機箱上的Y2-120ZJ航空插座相連接，121～128號接頭與設(shè)備機箱專門設(shè)計的接線柱連接，用于連接整星接地點、設(shè)備接地點。當(dāng)列1行1及列2行2的開關(guān)閉合時，構(gòu)成了待測回路節(jié)點1和節(jié)點2之間二線制測電阻測試回路；當(dāng)列1與行1行3、列2與行2行4的開關(guān)閉合時，構(gòu)成待測回路節(jié)點1和節(jié)點2之間四線制測電阻回路，如圖2所示。二線制工作模式下，數(shù)字萬用表量程大于20 MΩ，檢測絕緣和連通；四線制模式下，精確檢測連通節(jié)點對之間的電阻。這種接線方法充分考慮了二線制和四線制測試電阻的優(yōu)點及絕緣和阻值測試要求。

圖2 數(shù)字萬用表-矩陣開關(guān)接線圖

整個PXI機箱被安裝在專門設(shè)計的鋁合金箱體之中，其內(nèi)部留有空間存儲轉(zhuǎn)接電纜。機箱上表面安裝有觸摸屏供使用人員操作設(shè)備；側(cè)面安裝有把手，底部安裝有滾輪，方便在各個工位之間移動。整個設(shè)備具有較高的集成度及便攜性，使用簡單方便，如圖3所示。實際測量時，測試人員根據(jù)待測熱控回路的接插件形式，從3種不同規(guī)格的轉(zhuǎn)接電纜(3*Y2-36TK～ Y2-120TK；2*Y2-50TK～ Y2-120TK；Y2-120TK～ Y2-120TK)中選擇合適規(guī)格，將星上熱控回路接插件接口與機箱上的Y2-120ZJ航空插座相連接。同時，將星上接地點及設(shè)備接地點與設(shè)備的121～128號接線頭相連接。這樣就實現(xiàn)了數(shù)字萬用表、矩陣開關(guān)和待測回路之間的連接。

圖3 硬件框圖

3 軟件結(jié)構(gòu)及功能

測試軟件部分基于LabVIEW開發(fā)，它是美國國家儀器(NI)公司研制的程序開發(fā)環(huán)境。LabVIEW被稱為“G”語言，即圖形化編程語言[10]，其核心是“數(shù)據(jù)流”，通過數(shù)據(jù)在連線上的流動，實現(xiàn)程序流程的控制及功能的實現(xiàn)。

3.1 軟件整體設(shè)計

星上熱控回路阻值測試軟件采用模塊化編程，根據(jù)測試需求將軟件分為測試配置、回路測試及數(shù)據(jù)管理三大模塊，每個模塊又分為若干個小的功能模塊。這樣設(shè)計既方便調(diào)試和修改，又可根據(jù)需求靈活組合適用于不同應(yīng)用場合，如圖4所示。

圖4 軟件功能模塊

圖5所示為軟件進行測試的運行流程圖。從圖中可以看到，測試系統(tǒng)的運行過程如下：用戶進入軟件，選擇新建測試。新建測試可根據(jù)需求配置測試任務(wù)，配置結(jié)束后軟件自動按照配置執(zhí)行絕緣/連通檢測、阻值檢測并進行合格判斷，檢測結(jié)束后自動保存數(shù)據(jù)并生成報表。流程結(jié)束后，用戶可以選擇退出軟件，也可繼續(xù)進行下一次測試。軟件的數(shù)據(jù)管理模塊相對于測試過程獨立，用戶可以在進入軟件時直接調(diào)用該模塊的功能如查看歷史數(shù)據(jù)等。用戶也可以根據(jù)實際需要在數(shù)據(jù)管理模塊和回路阻值測試模塊之間相互切換，方便使用。

圖5 軟件流程圖

在軟件設(shè)計中采用生產(chǎn)者-消費者架構(gòu)滿足程序功能設(shè)計的要求，這是一種多線程編程中最基本的設(shè)計模式，是事件處理器和隊列消息處理器相結(jié)合而構(gòu)成的復(fù)合設(shè)計模式。如圖6所示，上方循環(huán)為生產(chǎn)者循環(huán)，在生產(chǎn)者循環(huán)中采用事件結(jié)構(gòu)，處理熱控回路阻值測試軟件中各種人機交互事件，如執(zhí)行測試配置、執(zhí)行電阻測試等；消費者則負責(zé)處理生產(chǎn)者發(fā)布的這些事件任務(wù)。

圖6 生產(chǎn)消費者架構(gòu)程序框圖

3.2 測試配置

測試配置模塊供用戶輸入測試必須的配置信息。對于熱敏電阻/加熱器回路測試，用戶需輸入待測熱控回路節(jié)點信息、衛(wèi)星接地點、設(shè)備接地點，填入后測試配置模塊將生成所有節(jié)點之間的遍歷待測節(jié)點對以及所有節(jié)點與接地點之間待測節(jié)點對。對于熱電偶回路測試，還需要輸入冰點，填入后程序?qū)⑸伤泄?jié)點與冰點及接地點之間的待測節(jié)點對。雖然四線制方法可以消除測試回路內(nèi)部導(dǎo)線阻值，然而在測試過程中使用了轉(zhuǎn)接電纜，其阻值也是待測回路阻值的一部分。因此，程序內(nèi)置了不同型號的轉(zhuǎn)接電纜阻值數(shù)據(jù)庫，用戶可在設(shè)置界面選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件以消除轉(zhuǎn)接電纜阻值對測試結(jié)果的影響。在測試配置界面，用戶還可輸入正確的阻值檢查表，以供程序判斷回路是否滿足設(shè)計需求。檢查表可以以手動輸入的方式在軟件界面錄入，也可以導(dǎo)入指定格式的Excel表格。此外，所有的設(shè)置內(nèi)容均可保存為文件，用戶可直接加載已保存的設(shè)置，進行批次測量無須重復(fù)輸入。

3.3 回路測試

回路測試模塊主要執(zhí)行絕緣和阻值測試。軟件首先自動將數(shù)字萬用表量程設(shè)定為100 MΩ，根據(jù)用戶測試配置控制開關(guān)動作進行二線制絕緣檢測，超過20 MΩ判定為絕緣并生成絕緣節(jié)點對；小于20 MΩ則判斷為連通并生成連通節(jié)點對。

絕緣檢測完成后，用戶可設(shè)定量程范圍保持在“Auto”，也可根據(jù)絕緣檢測結(jié)果設(shè)置量程。軟件對連通節(jié)點對重新采用四線制方法測試阻值，并從測試結(jié)果中自動減去測試配置模塊中用戶選擇的連接電纜阻值，可極大提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于實際測試中，用戶可能制作新的轉(zhuǎn)接電纜，回路測試模塊還可通過短接的方法測試轉(zhuǎn)接電纜的阻值，生成轉(zhuǎn)接電纜阻值文件并保存，供用戶使用。

測試結(jié)束后，軟件將絕緣節(jié)點對、連通節(jié)點對阻值以表格形式顯示在軟件主界面，同時與用戶配置模塊中輸入的阻值檢查表相比較并判斷熱控回路是否滿足設(shè)計需求，對于不滿足需求的測試結(jié)果行予以高亮紅色顯示，方便檢測人員二次排查，如圖7所示。

圖7 測試結(jié)果顯示

3.4 數(shù)據(jù)管理果

軟件的數(shù)據(jù)管理功能可生成測試結(jié)果報表并調(diào)取歷史數(shù)據(jù)查看。報表有word和Excel兩種格式，如圖8所示。

圖8 測試報表

Word格式報表包含了測試者、測試時間、測試結(jié)論以及連通節(jié)點對的測試阻值，供用戶打印；Excel格式則額外包含了絕緣節(jié)點對。這是因為當(dāng)熱敏電阻/加熱器遍歷測量時，雖然實際測試的節(jié)點對高達數(shù)千對，但連通節(jié)點對一般只有數(shù)十至一百余對。由于軟件Word格式報表采用逐行寫入的方法生成，若將所有結(jié)果寫入過于消耗時間；Excel格式報表則可以一次性寫入。這樣不僅可以節(jié)省時間，也保留了全部原始數(shù)據(jù)。

除了Word格式和Excel格式報表，軟件的數(shù)據(jù)管理模塊還將所有歷史測試結(jié)果、用戶配置文件以及轉(zhuǎn)接電纜阻值均保存為TDMS格式文件，用戶可以直接通過軟件調(diào)取和查詢這些數(shù)據(jù)，方便人工復(fù)檢。

4 試驗對比分析

為檢驗系統(tǒng)檢驗電阻的準(zhǔn)確性，將該系統(tǒng)連接到已標(biāo)定好阻值的星上熱控回路網(wǎng)進行了測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對于回路節(jié)點之間絕緣/連通關(guān)系識別準(zhǔn)確無誤。表3比較了部分標(biāo)定值和系統(tǒng)的測試結(jié)果，由表3可知，阻值測試結(jié)果與標(biāo)定值非常接近，誤差幾乎可以忽略。

表3 標(biāo)定阻值與測試阻值

從實際測試時間來看， 100個節(jié)點的熱敏電阻/加熱器回路遍歷測量，需要兩個熟練的質(zhì)量檢驗人員接近3個小時才可完成測量和合格檢查；使用該設(shè)備僅需一人操作，并在40分鐘之內(nèi)完成自動測量、合格性檢查，生成報表。由于設(shè)備對于回路連通及阻值檢查全自動化，可完全避免人工檢查中易出現(xiàn)的避免漏檢及重復(fù)檢查。同時，該設(shè)備操作簡單方便，檢測人員經(jīng)過半天左右培訓(xùn)即可掌握并使用，與培養(yǎng)熟練的手工質(zhì)量檢驗人員相比可節(jié)約大量培訓(xùn)時間。

5 結(jié)束語

星上熱控回路絕緣阻值測試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，通過NI-PXI平臺下集成的高精度數(shù)字萬用表和矩陣開關(guān)，結(jié)合LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的軟件，實現(xiàn)了對熱敏電阻/加熱器以及熱電偶阻值的快速準(zhǔn)確測量。該系統(tǒng)具有使用方便靈活、開發(fā)周期短等優(yōu)點。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)多種規(guī)格熱控回路阻值自動測試，大幅提升測試效率，節(jié)約人力資源；設(shè)備檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，避免重復(fù)檢查或漏檢，具有較高的工程應(yīng)用價值。