便攜式引信通用測試儀

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(1.火箭軍工程大學核工程學院，陜西 西安 710025；2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

在導彈武器系統中，引信是引爆控制的核心部件，其可靠性關系到戰斗部的引爆時機和威力，因此對引信的檢測至關重要[1]。同時，根據作戰任務，導彈會配備不同的戰斗部，其對應不同的引信。當前普遍使用的引信測試儀專機專用，為完成對不同引信的測試，需要配備多個專用測試儀，且信息化、自動化程度低，操作不便，成本較高，不利于戰斗力的提升[2]。從技術發展的趨勢上看，標準化、模塊化和通用化正逐漸成為國內外引信測試系統的主要發展方向。美國各軍種都建有完備的引信測試系統，其中海軍和空軍共同研發了“聯合測試系統”，采用通用總線接口，并可以根據需求更換模塊，為“三軍通用型測試工作站”的實現打下基礎[3]。國內在引信測試領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單片機的可編程測試儀的設計思想[4]；南京理工大學的馬少杰等人提出應用仿真模型對測試儀進行改進增強[5]；哈爾濱工業大學的王水蓮采用引信專用測試系統理論對測試儀進行了解析[6]等。引信測試的理論飛速發展，同時新的應用背景及作戰指標也對測試儀的設計提出了新的要求。本文針對現有引信測試系統存在的設備分散、專機專用、操作繁瑣等問題，提出了基于STM32的便攜式引信通用測試儀，以實現對4種不同引信的快速檢測。

1 系統整體設計

引信通用測試儀主要有以下技術要求：

1)測試儀自檢。在進行引信測試前，測試儀對自身硬件電路和軟件系統進行自檢，檢驗合格后，進入測試程序。

2)彈上安全狀態檢測。確保只有被測引信處于安全測試狀態時，才可啟動測試程序，以保證操作人員、被測引信和測試儀的安全。

3)引信類型檢查。檢測接入測試儀的引信的類型，啟動對應的測試程序。

4)控制信號模擬。飛行程序模擬產生引信的各類解保信號，包括模擬發射信號、模擬發電機準備好信號以及模擬遠解信號，并控制引信的加電、斷電。

5)遙測電壓測量。通過遙測通道對引信的遙測電壓進行精確測量，并能依此判斷引信性能是否正常。

6)通信功能。實現板內各模塊間通信、板間各分模塊與主控制器的通信，以及系統和外界的通信。

7)數據顯示與存儲。測試結果實時直觀顯示，測試數據留存可導出分析。

測試儀性能指標兼顧對系統的測試精度及速度要求，其中電阻測量精度及遙測電壓測量精度要優于現有專用測試設備精度值，同時引信識別及測試速度要優于當前同類產品。另外，要求測試儀的環境適應性強，體積小以便于攜帶，同時易于維修保障。

根據上述技術要求及功能，引信通用測試儀硬件設計框圖如圖1所示。

引信通用測試儀采用模塊化設計思想，按照測試儀的功能設計了主控制器模塊和四個主模塊、五個輔助模塊。主控制器選用基于ARM Cortex-M4內核的32位微控制器STM32F427VGT6[7]，完成對檢測流程的控制和測試數據的處理；四個主模塊為彈上安全狀態檢測模塊、引信類型檢測模塊、遙測及模擬解保模塊和按鍵及旋轉編碼器實時識別模塊，各主模塊分別采用獨立電源模塊供電,采用各自的單片機對信號進行采集、分析，分別完成彈上安全狀態檢測、引信類型快速檢測、遙測及模擬解保信號產生和按鍵及編碼器實時識別等功能，并與主控制器通過串口進行信息交聯；五個輔助模塊為電源模塊、通信模塊、實時時鐘模塊、存儲模塊及顯示模塊，輔助模塊直接由主控制器控制。

在測試儀的設計中，全自動測試系統整體設計，引信種類快速識別技術的應用，各類安全保障模塊的設計等難度較大，創新性較強，為設計中的關鍵性技術。

2 系統硬件設計中的關鍵性技術

在引信通用測試儀的設計中，為達到通用性、精確性、快速性等一系列測試指標要求，對傳統的測試方法予以改進創新，提出了一些新的思路，采用了一系列關鍵技術。

2.1 安全保障技術

引信屬于危險品，測試儀在對其進行測試時必須采用適當的保護措施，以保證測試過程中人員和設備的安全。安全保障技術在硬件設計中廣泛體現。

在系統整體設計中，加入了彈上安全狀態檢測模塊。測試儀設計了特殊的測試電纜接口，在檢查安全狀態時，將與彈上隔離的電壓加到目標芯上，通過測量反饋電壓值，來判斷相關芯是否短接，檢查完成后把電壓斷開，恢復原有的電氣狀態。確定引信處于安全測試狀態即確保內部插頭可靠連接，才可進入測試流程；如果內部插頭和插座連接不可靠，測試儀主控制器無法識別到引信處于安全測試狀態，測試儀不執行測試流程。在系統的設計中還廣泛應用了隔離技術，在供電、接地及數據傳輸時更加注重信號的隔離保護。

2.2 引信類型快速識別技術

該技術主要完成對引信類型的快速識別。其檢測原理為：通過檢測測試電纜中的狀態識別芯線的通斷情況，判斷引信種類和狀態(電阻值小于10 Ω為通路，表示零位狀態；電阻值大于10 MΩ為斷路，表示非零位狀態)。狀態識別芯線有3根，可完成最大8種引信的識別，在本設計中，選取4種情況進行定義，以完成對4種引信的識別。測量電路如圖2所示(以狀態識別1芯和狀態公共端之間的電阻測量為例)。

電阻測量的目的在于判斷導通性，因此不需要計算具體電阻值。為了縮短系統運算時間，實現快速檢測，同時兼顧精度要求，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ADG708模擬多路復用器在不同電橋中進行選擇切換測試，每一路信號進行兩次比較：第一次比較時，電橋橋臂的阻值設定為10 MΩ；第二次比較時，電橋橋臂的阻值設定為10 Ω。若第一次測量結果S1>0，則可判斷為非零位狀態；若第二次測量結果S1<0，則可判斷為零位狀態，分次測量提高了測量精度和效率。

由于電橋橋臂電阻值變化很大，將信號直接接入放大器運算會造成誤差，故在電橋測量電路中增加OPA378電壓跟隨模塊，以提高輸入阻抗，降低輸出阻抗，達到阻抗匹配的目的。經過處理的差分信號送入AD623儀表放大器中，進行電壓的放大處理，其增益G[9]為：

本設計中，設定增益為51倍(RG= 2 kΩ)。最終將測試數據送入單片機中處理。單片機處理電路如圖3所示。

電阻處理電路中的單片機采用ATMEL公司的Mega8L，其具有體積小、外設豐富的特點，S1、S2、S3表示引信種類識別信號。單片機PC0、PC1和PC2口均內置模數轉換功能，可將模擬的電壓信號轉換為數字信號，單片機將識別到的引信類型信息通過串口直接發送給主控制器[10]。

2.3 模擬解保信號可靠產生技術

引信測試時，測試儀需按照時序給被測引信發送多級解保信號，以解除保險。模擬解保信號產生的可靠性及準確性，是關系到引信檢測可信度的重要指標。在測試儀設計過程中，通過高精度的電源設計、冗余雙通道繼電器設計等技術，提高模擬解保信號產生的準確性，以及信號發送的可靠性。

解保電源選用大功率高精度隔離AC/DC，標稱輸出28 V，通過調整精密偏置電阻可輸出精準解保信號。

選用JZC-158M雙通道繼電器，作冗余設計，其節點連接示意圖如圖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，引信供電控制信號發出，光繼電器AQY272導通，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，引信供電通道導通，解保信號發出。在電路設計中，加入瞬變電壓抑制二極管，在承受瞬間高壓時導通，從而保護元器件免受浪涌脈沖的損害[11]；同時該二極管可以作為續流二極管使用，當電磁繼電器突然關斷時提供續電流以保護光繼電器。

2.4 遙測電壓隔離測量技術

遙測電壓的測量是通過遙測通道特定芯線采集的。如圖6所示，由于彈上電源與測試儀電源相互隔離，故該模塊在設計時采用隔離技術予以保護[12]。

前端遙測信號進入運算放大器OPA378，進行阻抗匹配和電壓跟隨，而后進入雙電源供電的隔離放大器ACPL-790B，進行電壓隔離及初級放大。輸出信號接AD623儀表放大器，對信號進行二級放大，輸出遙測電壓。信號處理部分采用Mega8L單片機，如圖7所示。

3 系統軟件設計中的關鍵性技術

根據系統的技術方案和特點，在軟件的設計中，將測試的安全性放在首位，對操作人員權限甄別、操作中安全提示及操作流程規范性等均采用了嚴格的安全措施；同時，更加注重人機交互體驗，操作更加方便，最后，設計自檢環節，確保測試的可靠性。軟件的總體架構如圖8所示。

系統上電后，進入測試儀工作界面。3 s后，待系統穩定，進行設備的自檢，自檢主要針對總電源模塊、引信類型檢測模塊和通信模塊等，確保系統的正常工作和測試精度。自檢完成后，在引信和測試儀之間連接測試電纜，而后進入到菜單選擇界面。菜單選擇包括“設置”、“測試”和“查詢”三個選項，在測試的過程中，考慮到操作的安全性和保密性，故加入用戶權限管理及發送確認等環節，避免誤操作?！霸O置”環節依次完成用戶權限甄別、引信種類及編號錄入和參數的裝定等；“測試”環節依次完成引信類型確定(與測試儀自動識別結果對比)、三次解保信息的確認和發送以及裝定信息的確認和發送，測試完成后會顯示測試結果，同時給出輔助決策，完成引信性能評估；“查詢”環節可對歷次測試結果進行查看，選擇測試文件后，可顯示測試人員信息、引信類型及編號、引信信息、解保信號、裝定參數及成功裝定次數等測試相關信息。

4 實驗結果及分析

測試儀的調試包括硬件電路的調試和軟件的調試，軟件的調試過程主要是測試時序的可靠性及對各種誤操作的保護，在此不做著重說明。硬件電路的調試主要指對系統主控制器模塊和各功能模塊的性能及功能進行測試，調試時使用已檢定的高精度可調電壓源DH1715A-3和數字萬用表Fluke-8845A。

由于測試儀系統功能強大，測試信號種類繁多，不能一一羅列實驗結果，在此僅提供較有代表性的遙測及模擬解保模塊性能的檢測方法和結果分析如表1所示。

表1 遙測及模擬解保模塊實驗數據Tab.1 Telemetry and simulation relieve-safety experimental data

在遙測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)，模擬遙測電壓數據的采集和測量。對其中重要的三個點位(OPA378的4腳與地、ACPL-790B的6，7腳和AD623的6腳與地)分別進行測量和記錄。經分析，此測量放大電路的綜合相對誤差為0.91%，滿足測試精度的要求。

其他信號及控制系統的測試均已完成，全部達到設計指標要求，部分重要參數的精度甚至遠超設計指標。

5 結論

采用模塊化設計的方法，提出了基于STM32的便攜式引信通用測試儀，在一臺自動化測試儀器上實現了對4種不同引信的上百個參數的自動測量，測試精度和速度較現有設備有了較大提高，采用EMWIN系統，優化了測試程序，提高了測試效率，實現了軍用設備“一機多用”的實戰化要求。在硬件設計中，廣泛應用信號隔離等安全保障技術，提高了系統的安全性；設計了引信類型檢測模塊、遙測數據采集模塊、解保信號發生模塊、通信模塊等很多有較強工程應用價值的模塊電路；同時采用多種抗干擾技術，提高了系統的穩定性，保障了測試的精度。實驗驗證表明，該測試儀功能完整，操作簡單，測試精準，安全可靠，可較好滿足多種類引信的自動化測試。

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