衛星熱響應測試系統設計

江 浩，宋 歌，張學迅，張 鵬

(上海衛星裝備研究所，上海 200240)

0 引言

為使衛星的熱參數，如溫度、溫度差和溫度梯度等滿足總體設計要求，必須進行正確的熱控設計，熱控分系統是衛星眾多重要系統之一[1]。圖1所示為典型的由加熱器-熱敏電阻組成的熱控加熱回路，加熱器及熱敏電阻在粘貼完畢后，其接線需按照設計文件分別接焊接到衛星指定的接插件的指定點上。在回路安裝完畢后，必須進行熱響應測試以驗證該回路安裝正確。一般而言，熱響應測試包含以下內容及步驟：

圖1 熱響應待測回路示意圖

1)加熱器及熱敏電阻接線與星上接插件節點對應接入關系及加熱器阻值測試；

2)加熱器與熱敏電阻安裝對應關系測試。

由于加熱器及熱敏電阻都有一定的阻值，第一項測試內容實際上等效于電纜-負載網絡的導通絕緣及阻值測試。程海峰[2]研制了整星低頻電纜網自動測試儀，實現了電纜網導通絕緣狀態的自動測試；劉澤元[3]設計了一套基于PXI總線的航天器熱試驗加熱電纜絕緣自動測試系統，通過繼電器矩陣切換加熱電纜接入點，實現了多芯電纜自動掃描以及對地絕緣電阻的測量。魏鵬[4]與江浩[5]同樣利用萬用表加開關矩陣切換待測回路節點的原理分別開發了衛星電纜導通絕緣自動測試儀及星上熱控回路阻值測試系統。蘇建軍、宋宏江等[6-8]基于嵌入式計算機技術，分別開發了便攜導彈電纜測試儀及數字式電纜測試儀，可以實現電纜的導通測試和絕緣測抗電強度測試。第二項測試內容，主要利用電源對加熱器進行加熱，然后測量對應熱敏電阻的溫度變化來驗證加熱器與熱敏電阻的對應安裝關系。韓熙[9]設計了真空熱實驗參考點熱響應測試系統，然而該方案僅適用于3個已知節點連接特性參考點熱響應測試。孫興華[10]設計了真空熱試驗熱響應測試程序，適用于電源-加熱器-測溫元件一一對應的場合，可快速檢測加熱點與測溫點的熱響應關系。

實際在進行星上熱響應測試時，加熱器及熱敏電阻回路不僅對應關系復雜，存在一點加熱多點測量的情況，配備的加熱電源也僅有一臺。因此，目前的熱響應測試模式還是依靠測試人員手動將電源接入到某一加熱片并控制電源上電加熱，另一測試人員使用萬用表逐點測試熱敏電阻阻值，然后查熱敏電阻溫度映射表計算溫度并人工判斷對應關系這一方法。該方法不僅費時費力，出錯概率也較高，因此急需開發能夠一次滿足兩項測試內容的自動化測試系統。

根據星上熱響應測試任務需求，設計開發了一種基于虛擬儀器的自動化熱響應測試系統，通過使用模塊化的數字萬用表、矩陣開關及程控電源，在軟件的控制下自動完成熱控回路的熱響應各項測試任務，具有測試自動化程度及效率高，使用方便靈活，測試結果準確等優點。

1 測試需求及原理

根據衛星熱響應測試需求，系統應該能夠自動檢測加熱器、熱敏電阻的節點連接特性，阻值特性及其熱響應關系，并根據用戶輸入的設計文件內容進行合格性判斷，自動保存測試結果并生成指定格式報表。測試系統應具備圖形化操作界面，用戶可以對常用測試選項進行設置，具備溫度，電流，電壓超限安全保護功能。測試系統主要技術指標如下：

1)測試接入節點個數：120個；

2)加熱最大功率：600 W，最大電流：4A，最大電壓：150 V；

3)程控電流精度：0.5%設定值，程控電壓精度：0.25%設定值；

4)阻值測量精度：0.1+0.01%FS；

5)適配接插件型號：13種。

根據測試需求，測試系統硬件采用程控電源，矩陣開關及數字萬用表的設計方案。其核心是通過切換矩陣開關將待測回路的不同節點接入程控直流電源或數字萬用表，實現回路加電以及阻值或溫度測試。圖2所示為矩陣開關切換指定待測節點并將其接入阻值測試或加熱回路原理圖。當行開關接入的是數字萬用表時，列1行1及列2行2的開關閉合時，構成了回路節點1和節點2之間電阻測試回路。同理，如當行開關接入的是程控電源時，列1行1及列2行2的開關閉合時，構成了回路節點1和節點2之間的加熱回路。熱響應測試時，閉合連接程控電源矩陣開關的不同列接頭將加熱回路中指定的加熱器接入直流電源的輸出端，上位機控制直流電源對其加電。同時，上位機控制數字萬用表及其連接矩陣開關掃描測量熱敏電阻的阻值，并根據熱敏電阻阻值-溫度分度表計算對應的溫度，獲得指定加熱器加熱時所有測溫點的溫升情況，即可判斷加熱器-熱敏電阻的響應關系。

圖2 矩陣開關切換測試示意圖

2 硬件設計及選型

圖3所示為熱響應自動測試系統硬件結構框圖。圖中上位機與PXI機箱及直流電源通過網線連接通信。兩塊2*128矩陣開關板卡及數字萬用表插在PXI機箱內，機箱的背板插槽為其供電并交互數據。其中一個矩陣開關兩個行開關接頭與數字萬用表的正負表柱相連接，列開關接頭與Y2-120TK航空插座相連接，另一個矩陣開關兩個行開關接頭程控直流電源輸出正負極相連接，列開關接頭與Y2-120TK航空插頭相連接座。這兩個航空插頭是連接測試系統與星上待測回路的統一接口。

圖3 熱響應自動測試系統結構框圖

由于星上待測回路的接口形式多樣，因此制作不同規格的轉接電纜共13根，每根電纜的一端為Y2-120ZJ航空插頭與測試系統相連接，另一端根據實際需求連接了不同形式的接插件并與待測回路的星上接出接插件相匹配，對實際衛星型號基本上做到了全覆蓋。轉接電纜決定了待測回路節點與測試系統的矩陣開關列開關接頭之間的對應關系，使用時根據需實際情況正確選擇。表1列出了轉接電纜編號、星上回路接插件型號、接頭節點編號對應關系。

表1 轉接電纜接頭型號及節點編號對應表

3 軟件設計

測試軟件部分基于LabVIEW開發，它是美國國家儀器(NI)公司研制的程序開發環境。LabVIEW被稱為“G”語言，即圖形化編程語言[11-12]，其核心是“數據流”，通過數據在連線上的流動，實現程序流程的控制及功能的實現，是測試測量領域主流工具[13]

3.1 軟件模塊及架構

熱響應測試系統軟件根據測試的功能需求將軟件分為節點連接關系及阻值測試、熱響應測試及數據管理三大模塊，每個模塊包含若干個小的功能模塊，如圖4所示。

圖4 軟件功能模塊

整個軟件在測試時，需要對電源，矩陣開關及數字萬用表進行控制，同時響應用戶的指令并實時更新顯示測試數據，是一個典型的并發式多線程任務。為此，軟件設計時采用了Labview的操作者框架(Actor Framework)。操作者框架是一個軟件類庫，用以支持編寫有多個獨立運行且相互間可通信的應用程序。在該類型應用程序中，每個操作者(Actor)執行著一組獨立的系統任務，操作者本身維持著自己的內部狀態，并通過統一接口形式的消息(Message)與其它的操作者相互通信[14-15]。本軟件基本架構設計如圖5所示。

圖5 軟件架構設計

圖中主界面為根操作者，測試控制為其嵌套操作者，矩陣開關控制、程控電源控制、數字萬用表控制及數據庫操作又作為測試控制的底層嵌套操作者。主界面接受用戶各種輸入，并將其傳遞給測試控制。測試控制相當于軟件的大腦，在后臺運行，根據用戶輸入將測試任務分解為矩陣開關、萬用表及程控電源的動作。矩陣開關、萬用表及程控電源在測試控制下相互配合完成測試過程，同時以消息的形式向測試控制發送自身產生的數據及狀態，測試控制接收后向主界面發送并顯示。數據管理操作者完成數據管理任務，它不操作設備硬件，主要涉及的是文件及數據庫操作。在圖5所示的架構下，消息僅在根操作者與其嵌套操作者中之間傳遞，同一層級的操作者實現了相互解耦，可極大提高代碼的復用性。

3.2 節點連接關系及阻值測試

用戶在使用時，需導入待測回路設計表，選擇轉接電纜型號，輸入待測回路名稱，該回路名稱將是最終生成的數據文件名稱的一部分。開始測試后，軟件根據輸入的轉接電纜型號調取轉接電纜數據庫中內容判斷設計表中的待測回路與轉接電纜是否匹配，如成功匹配則進入連接關系及阻值測試，不成功則提示用戶檢查轉接電纜及待測回路設計表。連接關系測試等同于電纜-負載網絡的導通絕緣及阻值測試。軟件首先將數字萬用表置于最大量程，采用二分法測試接入網絡節點的導通絕緣關系，該方法相比星上熱控回路阻值測試系統[5]中所采用的遍歷法可大大節省測試時間。導通絕緣測試結束后對比待測回路設計表，判斷兩種形式的不合格：應連通節點絕緣及應絕緣節點連通。完成上述步驟后，軟件根據所測連通節點的最大阻值設置合適的量程，再次測量連通節點的阻值，在測量時會減去轉接電纜數據庫中存儲的線纜內阻以保證測量結果的準確性。測量結束后軟件判斷第三種形式的不合格：阻值超限。所有測試結果將以表格形式呈現，如圖6所示。如果測試結果與待測回路設計表中的連通節點及阻值對比判斷合格，表明待測熱控回路第一項測試通過。

圖6 導通絕緣及阻值測試結果

3.3 熱響應測試

熱敏電阻及加熱器回路的連接關系測試通過后，執行熱響應測試。用戶需要導入熱敏電阻回路設計表，加熱器回路設計表，熱敏電阻-加熱器熱響應設計表，選擇兩種回路的轉接電纜。用戶還需輸入加熱時間(分鐘)、加熱功率(W，該輸入帶保護功能，最大上限為30 W)、以及合格溫升(℃)。熱響應測試帶有保護功能，用戶輸入保護溫度，保護電流(A)及保護電壓(V)。

熱響應測試時，軟件同樣先執行輸入匹配性檢查，確保回路轉接電纜型號與設計表相對應，同時檢查確認熱敏電阻-加熱器熱響應設計表中各熱敏電阻及加熱器均包含在導入的熱敏電阻回路及加熱器回路設計表中。匹配性檢查通過后，軟件將根據熱敏電阻-加熱器熱響應設計表中的加熱器名稱逐一按照設置的加熱時間和加熱功率來為各加熱器加電，同時掃描測量熱敏電阻回路各個測量點的阻值并轉換為溫度。每完成一個加熱器加熱，根據用戶輸入的合格溫升作為判斷響應的依據，從而得出與其響應的所有熱敏電阻。當所有加熱器均加熱完畢后，即可得到整個回路的加熱器-熱敏電阻熱響應關系，并與用戶導入的熱響應設計表對比以判斷合格性。不合格包含兩種情況：加熱器加熱后設計對應的熱敏電阻未響應以及非設計對應的熱敏電阻產生了響應。軟件在執行檢測任務時持續監控所有熱敏電阻的溫度，電源電流及電壓，任一數據超限即發出警報并將電源輸出置零后關閉，打開所有開關節點，以保護回路及衛星安全。

圖7所示為熱響應測試結果，圖中最上方顯示了當前加熱器名稱，實時加熱時間、功率及電流。圖中上方左側為所有測溫熱敏電阻的當前溫度及加熱前溫度，右側則以圖形的形式顯示了所有測溫點的溫度-時間曲線。最右側為報警指示燈。圖中最下方為熱響應溫升匯總表，匯總了每一個加熱器加熱后，所有熱敏電阻的溫升情況。熱響應符合設計表的不做標記；對于前述第一種熱響應不合格，在對應的行列做出藍色標記；對于第二種熱響應不合格，在對應的行列做出紅色標記。通過圖形和表格的形式實時顯示加熱和溫度情況，不僅提供的信息全面豐富，而且也非常直觀。

圖7 熱響應測試結果顯示

3.4 數據管理

數據管理包含轉接電纜數據管理，測試數據存儲，報表生成以及歷史數據查看等功能。轉接電纜數據庫存儲了轉接電纜名稱、接插件型號、接插件節點與測試系統的矩陣開關列開關接頭之間對應關系以及轉接電纜內阻等信息。轉接電纜數據管理功能支持增加、編輯及刪除轉接電纜的功能。如因測試需要新制作了轉接電纜，可以通過該功能將其加入數據庫中型號。測試數據存儲在每次測試結束后自動執行，文件格式為TDMS且不可編輯，保證原始數據的安全性；報表生成功能則將原始數據保存為用戶指定格式的Excel報表。表2(a)所示為熱敏電阻回路節點連接關系測試報表，包含了熱敏電阻的節點連接關系及合格性判斷，由于熱敏電阻阻值與溫度有關，對其合格性判斷不包含對阻值范圍的判斷。表2(b)所示為加熱器回路節點連接關系及阻值測試報表，同樣包含了回路節點連接關系以及合格性判斷，其合格性除了連接關系之外還包含了對阻值范圍的判斷。報表內容豐富，方便查看。

表2 節點連接關系及阻值測試報表

熱響應測試報表，由多個頁面組成，內容為每一個加熱器對應的熱響應測試結果、合格性判斷及溫升匯總表。單個加熱器的報表中包含了每個加熱器的名稱、接插件型號、節點編號、設計響應熱敏電阻、實測響應熱敏電阻、溫升判斷閾值以及加熱開始和結束時間。表3(a)表明TR1加熱器的實際響應熱敏電阻與設計相符合，結論合格；表3(b)表明TR2加熱器的設計響應熱敏電阻54 236未響應，結論不合格；表3(c)表明TR3加熱器設計響應熱敏電阻54 234未響應，非設計響應熱敏電阻54 236有響應，結論不合格；表3(d)為溫升匯總結果，供用戶對比判斷。

表3 熱響應測試報表

溫數據庫管理的歷史數據查看功能可以讓用戶調取存儲的原始測試結果文件并顯示在軟件界面中以表格和圖形的形式查看，不僅更加直觀，也可以方便與報表做對比檢查，確保數據的準確有效。

4 試驗結果與分析

為檢驗測試系統的準確性，將該系統連接到星上熱控回路網絡進行了熱響應測試，并與人工手持萬用表標定測試進行對比，比較二者之間的連接關系識別的準確性，阻值測試誤差，熱響應關系識別準確性以及測試時間。

自動化的測試流程如圖8所示。

圖8 熱響應自動化測試流程圖

表4比較了手動標定的及系統自動測試的加熱器回路連接關系及阻值結果，由表中數據可知，該系統對于回路節點連接關系識別準確無誤，阻值測量結果精確可靠，與標定的阻值相對誤差幾乎可以忽略。

表4 回路連接關系及阻值對比

表5比較了手動標定及系統自動測試的熱響應關系與設計輸入的對比，表中加熱器名稱及熱敏電阻名稱均為該元件在回路中的代號。由表中數據可知，該系統對于回路節點連接關系識別準確無誤。

從測試時間來看，30個節點接插件接入5個負載的回路連接關系及阻值測量，需要兩個熟練的測試人員近40分鐘遍歷完成；回路中包含的5組熱響應關系也需要近45分鐘時完成。而自動化的測試系統完成第一項測試任務僅需約5分鐘(二分法測試時間與回路連接的密度有關，越是稀疏連接時間越短)，第二項測試任務也僅需20分鐘。

自動化測試系統僅需一人即可完成整個測試過程，不僅可極大提高測試效率，還可減少人工操作時引入的各項錯誤操作，如數據記錄及結果對比，錯檢、漏檢或重復檢查等。特別是在熱響應測試時，自動化測試系統加熱時每一處測溫點的溫度均可實時觀察，各項保護功能也使得測試過程更加安全。

5 結束語

衛星熱響應測試系統集成了模塊化的數字萬用表，矩陣開關及程控電源，結合LabVIEW環境下開發的軟件，實現了衛星熱控回路的熱響應關系自動化測試。該系統具有自動化程度高，使用靈活，操作簡單，人機交互界面顯示信息全面直觀等優勢。實際應用表明，該系統可大幅提升測試效率，節省人力資源，在有效避免漏檢及重復檢查的同時得出準確可靠的測試結果，具有較高的工程應用價值。