衛星地面電纜便攜式測試系統設計

莊會慧，楊 志，戴澗峰，趙 川，張桂英

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

0 引言

隨著衛星型號的日益增多，衛星所用電纜數量也日益增加，測試電纜的安全可靠，直接影響到整個衛星的安全。現有的機柜式電纜測試設備，體積龐大，不便于攜帶和移動，滿足不了電纜現場測試需求，尤其在大型試驗和發射場地，目前都是通過人工手動測試電纜，電纜導通特性采用的是萬用表逐點測試方式[1]，絕緣泄露特性測試采用的轉接盒與兆歐表配合的方式測試。導通絕緣測量方式均為手工測試記錄，需要多人配合完成測試，人工記錄測試數據，測試時間長，工作效率低，測試極其不方便，費時費力[2-3]。

為提高測試效率與測試質量，減輕人工測試壓力，研制了一套衛星地面電纜便攜式測試系統，實現衛星地面測試電纜的快速自動化測試，包括電纜導通測試、電纜絕緣測試。測試設備體積小，重量輕，便于攜帶，實現電纜快速自動測試，加快測試速度，縮短測試流程，提高測試可靠性和精度，快速生成測試報表，便于質量分析和有效完善質量管理閉環，極大縮短衛星大型試驗測試前的準備時間，保障衛星測試按預定計劃順利進行和整星的供電安全。

1 系統技術指標

1)計算機平臺：

a)CPU主頻：2.0 GHz雙核CPU；

b)內存：4 GB DDR3；

c)硬盤容量：500 G固態硬盤；

d)外設接口：2路USB接口；

2)輸入電源：

a)鋰電池供電：電壓DC+12 V，連續工作時間大于2小時；

b)外部供電：AC220±22 V /50 Hz±2.5 Hz，連接電源適配器進行供電。

3)導通電阻測量指標：

電阻檔：20 Ω、200 Ω、2 kΩ、20 kΩ、200 kΩ共5個量程，精度0.1%

4)絕緣電阻測量指標：測試電壓直流250 V；測量范圍為0～300 MΩ，精度5%。

5)測量通道：100路，可實現被測電纜任意兩點之間導通電阻和絕緣電阻的測量。

6)正常工作條件：溫度 -15～+50 ℃，濕度 10%～90%。

7)裝置存儲條件：溫度 -20～+60 ℃，濕度 10%～95%。

8)外形尺寸：310 mm*250 mm*150 mm。

9)整機重量：小于5 kg，重量輕，具備便攜式特性。

2 系統組成及原理

2.1 系統組成

便攜式電纜測試系統具有小型化和便攜性的特點，體積和重量有嚴格的限制，不像大型自動測試系統那樣采用機柜、便攜箱或者移動方艙來組裝。衛星地面電纜便攜式測試系統整體是一個便攜式平板電腦，主要組成包括系統主板控制器、各主要功能電路模塊、內部電池組、電源適配器、人機接口單元、對外測試接口、配套轉接電纜以及測試軟件等，測試系統組成圖如圖1所示。

圖1 測試系統組成圖

2.2 系統工作原理

測試系統以主板控制器為控制核心，控制各功能模塊電路，實現電纜的導通和絕緣測試。測試系統在結構上采用便攜式一體化設計，使系統的集成度更高，使用操作更簡單方便。測試系統有兩種供電方式：內部蓄電池供電和外部交流220 V供電，測試系統原理框圖如圖2所示。

圖2 測試系統原理框圖

1)主板控制器完成系統測試軟件的運行控制，通過串口RS232對各功能模塊電路進行通訊，控制功能電路并接收相應的數據，進行人機接口命令交互。

2)人機接口單元負責接收操作者的測試要求，顯示測試執行過程及測試結果，并將測試信息和結果顯示及打印，該接口單元與主板控制器連接，實現相互通訊。

3)內部直流電源(鋰電池)提供整個電路系統的工作電源，為高壓電源產生模塊提供輸入、提供恒流源電源以及其它功能電路模塊所需電源。

4)高壓電源產生電路產生250 V直流電壓，為絕緣電阻測試電路提供測試所需高壓。

5)恒流源電路提供導通電阻測試所需的恒定電流源，流經被測電纜。

6)通道切換電路由繼電器矩陣開關陣列組成，接收來自主板控制器的測試指令，將需要測試的被測點分別切換到對應的公共測試通道上。

7)導通電阻測試電路、絕緣電阻測試電路、自檢和校準電路、通訊接口電路主要由ARM為核心器件構成的專用模塊電路，分別實現導通電阻測試、絕緣電阻測試、以及與上位機通訊接口功能。

8)自檢和校準電路實現系統定期自檢和校準，保證系統運行的安全性、準確性和可靠性。

3 硬件設計

3.1 高壓電源產生電路

高壓電源產生電路通過上位機的測試命令控制固態繼電器(MPDCD3)的吸合，將高壓電源產生電路的供電電壓接通，不需要絕緣電阻測試時固態繼電器斷開，系統高壓電源沒有輸出，保證了測試安全性。選用定制的隔離型DC-DC電源模塊(WRH12250S-8)產生絕緣電阻測試的高壓電源，該電源具有功率密度大，輸出精度高等特點，電路原理圖如圖3所示。

該隔離電源模塊技術特點：效率高達80%，寬輸入電壓范圍(2:1)，高低溫特性好，過流保護，短路保護(自恢復)，隔離電壓1 500 VDC，工作溫度：-40～+85 ℃，內部貼片化設計，金屬屏蔽封裝，MTBF>1 000 000小時等。

3.2 通道切換電路

通道切換電路采用繼電器陣列式設計[4-5]，被測電纜和測試系統形成閉合回路，利用繼電器開關矩陣，可實現被測回路任意兩點之間的通路和斷路切換測量。通道切換電路功能框圖如圖4。

圖4 通道切換電路功能框圖

通道切換模塊由干簧繼電器(HE3621A0500)組成，繼電器控制由SN74HC573ADW和MC1413D芯片組成的隔離驅動電路進行驅動控制，N74HC573ADW用于鎖存控制信號，MC1413D芯片用于驅動繼電器，提供繼電器的控制電流；控制電路核心使用STM32處理器芯片，通過進行隔離通道切換電路可以進行100路信號的任意兩個通道切換，構成了100*2矩陣開關。

1)HE3621A0500微型單直插式簧片繼電器：

該直插式簧片繼電器可切換300 V 直流電源(10 W時)。由 SIL 封裝制成且包括 A 形(單刀單擲常開)觸點。提供帶二極管抑制線圈，具有標準 5 V 線圈，具有 5 V 二極管抑制線圈；工作溫度范圍：-40～ +85 ℃，觸點電阻150 mΩ。

2)SN74HC573ADW 8D鎖存器：

SN74HC573ADW為八個鎖存器都是透明的D型鎖存器，當使能(G)為高時，Q 輸出將隨數據(D)輸入而變。當使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數據電平上。輸出控制不影響鎖存器的內部工作，即老數據可以保持，甚至當輸出被關閉時，新的數據也可以置入。這種電路可以驅動大電容或低阻抗負載，可以直接與系統總線接口并驅動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅動器和工作寄存器。

3)MC1413D 8D鎖存器：

MC1413是由七個硅NPN達林頓管組成，MC1413的每一對達林頓管都串聯一個2.7 K的基極電阻，在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。MC1413工作電壓高，工作電流大，灌電流可以達到500 mA,并且能夠在關態時承受50 V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。

3.3 恒流源電路

恒流源電路用于導通電阻測試，提供整個測試通道電流，該系統選用的測試電流為5 mA；電路主要由TL431精密穩壓芯片和N溝道增強型場效應管以及外圍電路構成。

用 N溝道增強型場效應管場效應管的漏極電流與源極電流絕對相等，這就大大的減小了負載對恒流源的影響; TL431 的輸入端由穩壓芯片提供5 V輸入，這樣就保證了在電源電壓變化的情況下，TL431 的輸入電壓與場效應管的VGS不變，保證了恒流源輸出的精度，根據測試需要恒流源輸出電流為5 mA。

3.4 導通電阻測試電路

測試系統導通電阻測試，采用四線測量法，此方法可以補償導線電阻，使得測量電阻精度更高[6]。恒定電流通過電流源切換開關以及繼電器矩陣開關后流經被測電纜電阻R，測試電流為I，被測電纜上產生壓降為U，通道測量開關閉合后將產生的壓降經過放大后送入AD采集芯片，完成被測電纜阻值R的測試，根據歐姆定律可得：

因此導通電阻：

R=U/I

(1)

四線電阻測量原理框圖如圖5所示。

圖5 四線電阻測量原理

四線電阻測量法是由供給額定電流的電流源端口(兩線)，和檢測電壓降的電壓采集端口所構成的(兩線)。連接于被測電纜電阻的電壓采集端口的測試線，因為電壓采集端儀表放大器的輸入電阻很大，基本上沒有電流流過，所以不受測試線電阻以及接觸電阻等影響，可達到精確測量。

采集端輸入端由OP497GS組成的初級放大和電壓跟隨電路對采集電壓進行第一級放大，然后通過儀表放大器INA128U進行第二級放大，放大后的輸出通過ARM芯片內部12位AD進行采集。

3.5 絕緣電阻測試電路

測試系統的絕緣電阻測試方法采用分壓法進行對絕緣電阻的測試[7]。通過測量標準采樣電阻上的分壓電壓來計算絕緣電阻值，精密儀表放大器對前端輸入信號進行電壓放大，后端設有分壓和保護電路，防止損壞后級采樣AD，測試采集選用ARM內部自帶的AD進行采集[8]。標準采樣電阻分為20 K、100 K、 250 K和500 K四個檔位，測試過程中自主切換，可實現最大300 M絕緣電阻的測量，測試完成，高壓電源繼電器自動斷開，絕緣電阻測試原理框圖如圖6所示。

圖6 絕緣電阻測試原理框圖

圖6中，R1和R2為限流電阻，R3為已知的標準采樣電阻，R為待測絕緣電阻，U1為高壓電源電路產生的高壓，U2為AD采集電路經放大器采集的分壓值，根據全電路歐姆定律可知：

(2)

因此得絕緣電阻:

(3)

被測電纜不同線芯之間的絕緣電阻值，通過由主板控制器和邏輯控制單元控制的矩陣開關單元，將被測點各個通道切換到絕緣電阻測試電路中，測試電路完成測試后，并將測試結果值通過總線上傳，最后通過人機交互單元界面顯示出來。

3.6 通訊接口電路

通訊接口電路在整個系統中至關重要，起到上傳下達的作用。RS232通訊接口利用ARM處理器的片上資源(UART)作為核心，結合SP3232芯片作為接口電平轉換芯片，實現測試系統所有模塊控制電路與主板控制器的總線通訊，下傳主板控制器通訊控制指令，同時將導通和絕緣測試模塊的測試數據，通過總線上傳回主板控制器，并通過人機接口單元顯示出來。RS232接口電路原理圖如圖7所示。

圖7 RS232接口電路原理圖

4 軟件設計

電纜測試系統軟件在WINDOWS 7操作系統，Microsoft Visual C++ 6.0開發環境下開發，數據庫選用Excel2007，Word2007，具有良好的人機交互界面[9]，可以方便地設置測試條件、選擇測試項目等信息。測試軟件采用模塊化設計，主要由軟件登陸界面、數據文件管理界面、系統維護界面、連接管理界面和測試項目管理界面等組成。軟件登錄界面設置人員操作權限，防止意外操作造成使用上的風險；數據文件管理界面完成測試報表文件的查詢、保存和刪除；系統維護界面完成測試系統的校準和自檢；連接管理界面完成被測電纜芯數的定義及連接；測試項目管理界面，實現與功能模塊的串口通訊，完成被測電纜的導通測試和絕緣測試。系統軟件功能框圖如圖8所示。

圖8 系統軟件功能框圖

軟件總體工作流程為：開機打開測試軟件后．在登陸界面輸入用戶名和密碼，程序會對設備進行初始化．在系統維護界面，運行系統自檢流程。若沒有通過自檢則立刻結束程序，查找原因，通過自檢后在連接管理界面，進行被測電纜的芯數定義和接點定義，最后在測試項目界面對被測電纜進行導通測試和絕緣測試，測試完成系統自動生成測試報表。

5 實物運行與結果分析

衛星地面電纜便攜式測試系統，目前已在衛星大型試驗場地開展實際應用，在測試場地不具備220 V市電的情況下，系統由內部蓄電池供電，進行地面測試電纜和延長電纜的導通測試和絕緣測試。測試結果表明，系統開機測試時間超過2小時，仍能正常工作，系統運行穩定，測試過程單人操作就能完成測試，測試速度快，測試結果準確可靠，測試完成自動生成電子版測試報告，不再需要人工記錄，極大提高工作效率，相比傳統的人工測試，效率提高80%以上。由于衛星地面測試電纜較多，選取其中一根電纜為例，電纜連接器兩端定義為A2和B2，進行電纜測試，圖9是測試軟件執行界面圖。

圖9 測試軟件執行界面圖

6 結束語

衛星地面電纜便攜式測試系統，采用硬件和軟件模塊化設計[10]，各功能模塊相對獨立，通過不同的轉接電纜組合，可最大實現100芯電纜的導通和絕緣測試，并且測試通道具有可擴展性。供電方式靈活，采用交流220 V外電和內部蓄電池兩種供電方式，內電方式特別適用于衛星大型試驗場地和發射場等特殊環境，系統體積小、重量輕、攜帶方便、適應能力強，系統能夠對地面電纜實現快速測試，高效準確，并生成測試報表，質量形成閉環，能夠及時檢測出電纜存在的安全隱患，為整星的安全測試提供可靠保障。