電子時間引信電路部件全流程測試系統設計

馬 景,李豪杰,原紅偉,賀冠華

(1.南京理工大學 機械工程學院, 南京 210094; 2.淮海工業集團有限公司, 山西 長治 046012)

0 引言

引信是利用目標信息與環境信息,在預定條件下引爆或引燃戰斗部裝藥的控制系統,它的可靠性對整個武器系統的效能發揮有重要影響,直接關乎作戰任務的成敗[1]。隨著智能引信的發展,電子電路在引信的安全、起爆控制中起著越來越重要的作用,且引信電路部件的功能越來越復雜,因此有必要設計一套引信電路部件測試系統,在引信生產過程中對引信的電路部件進行性能測試,以確保引信在不同作用模式下仍具有較高的精度和可靠性,并滿足性能指標要求。

國外對引信測試系統的研究較早,美國已經對部隊配備了各軍種專用的測試系統。國外在測試系統研究領域主要表現出以下3個方面的趨勢:一是儀器總線接口標準的轉變,主要由GPIB、VXI、PXI向LXI總線標準轉變,并將網絡融入到了測試系統中[2-4]。二是虛擬儀器技術的發展,將控制和顯示硬件以軟件的方式呈現,降低了系統成本,并提高了可維護性[5]。三是引信測試技術與其他新技術融合發展,隨著微電子技術的應用,引信系統也變得更加智能化、復雜化,對測試系統的要求也更高,因而測試技術與其他新技術、多學科融合發展將成為測試系統發展的趨勢。國內引信測試技術雖起步較晚,但也取得了一定的成果。哈爾濱工業大學自動化測試研究院首次引進了VXI標準,并且已經開始了基于LXI總線的測試裝備的研制,并取得了一定成就[6]。王兵等[7]對可編程測試儀進行了較為深入的研究,實現了對引信的自動識別與合格性測試。陳浩等[8]通過對引信通用測試儀的研究,實現了對引信的自動識別、測試及結果判斷。

在前文的研究中,考慮了總線技術在測試系統中的應用,對引信的測試大多只包含了引信電路一部分電參數的測試,或者只有單一作用模式下對輸入信號的模擬和測量,并沒有考慮引信在實際工作中多種作用模式下的時序輸出響應,在引信全流程測量上有一定的局限性。本文中所設計的全流程測試系統考慮了引信在不同作用模式下的輸出響應,并提出了模擬引信實際工作時開關信號和引信上電信號的方法,最后驗證了測試系統的穩定性和準確性[9-11]。

1 全流程測試系統總體設計

全流程測試系統測試對象為某電子時間引信電路部件,引信使用前,首先對引信電路部件進行數據信息的裝定,裝定完成后擊發彈丸。彈丸被擊發后,啟動開關閉合,引信主控模塊接收到啟動開關閉合信號,定時器開始計時。出炮口后,引信電路部件對彈丸裝定時間信息進行測速修正,從而保證定距精度。當時間達到預定的計時時間,引信電路模塊輸出起爆信號。引信電路部件還可以通過接收觸發或延期模式數據,實現彈丸的不同模式引爆輸出。

基于上述分析,得到測試系統的功能要求如下:

1) 多功能測試需求:能夠對引信電路部件進行時間裝定功能、測速修正、觸發、延期和自毀功能的測試;

2) 供電需求:能夠為引信提供工作電源,且引信工作電流可調;

3) 信息裝定需求:能夠對引信進行參數裝定;

4) 開關信號輸入需求:能夠模擬產生引信工作過程中所需的各種開關信號,包括裝定輸出斷開信號、啟動開關信號、碰炸開關信號和引信上電信號;

5) 測速信號輸入需求:能夠模擬彈載傳感器的輸出信號,從而對電路的測速修正功能進行測試。

測試系統在不同模式下測試的誤差范圍要求如表1所示。

表1 誤差范圍要求

根據上述測試系統的功能要求,引信電路部件全流程測試系統如圖1所示。

引信電路部件全流程測試系統主要由主測試儀和外圍連接儀器組成。主測試儀包括主控制板、裝定器電路板、引信電路部件專用測試架、電源模塊、BNC接口以及測試接口。外圍連接儀器包括示波器和信號發生器。測試系統中, STM32單片機作為主控制板的核心控制單元,完成檢測流程的控制和與裝定電路板之間的通信。裝定電路板模塊,完成對測試引信電路部件數據的裝定并接收來自引信電路部件的裝定反饋信息。電源模塊通過AC/DC轉換模塊對測試系統提供24 V電壓。BNC接口用來連接示波器和信號發生器。

信號發生器通過專用測試架連接被測引信電路部件,用來模擬引信地磁計轉數傳感器產生的正弦測速信號,此信號由引信主控模塊分析解算得到炮口初速并對空炸模式下的起爆時間進行修正。示波器連接測試系統BNC接口,4個通道CH1—CH4分別連接上電信號(BAT+)、啟動開關信號(Q+)、碰炸開關信號(K+)、發火信號(D+),測試流程完成后,測試結果可在示波器上直接讀取。

2 測試系統硬件設計關鍵技術

2.1 系統硬件設計

全流程測試系統電路硬件設計可以模擬引信的實際工作狀態,確保產品的正常功能和性能,是整個系統設計的基礎,它的穩定性和可靠性對后期測試系統的長期安全運行起著至關重要的作用。測試系統主要由主控STM32單片機模塊、繼電器控制模塊、通信模塊、電源模塊組成[12-15]。測試系統硬件設計如圖2所示。

圖1 引信電路部件全流程測試系統框圖

圖2 測試系統硬件設計框圖

2.2 主控制器電路模塊

主控模塊主要由主控芯片及外圍電路組成,是整個測試系統的核心,主要負責與裝定器之間的數據通信,并控制相應開關的通斷,確保當前自動檢測的正常進行而不會受到其他電路的干擾。主控模塊結構如圖3所示。

引信全流程測試系統采用STM32單片機作為主控芯片,最小工作系統由主控芯片、時鐘電路、復位電路以及JTAG接口等組成,可以滿足系統正常運行時的檢測需求。

圖3 主控模塊結構

2.3 繼電器控制模塊

繼電器控制模塊主要是在主控模塊的控制作用下來模擬引信實際工作的開關信號和引信上電信號。通過控制繼電器輸入端高低電平的變化來控制開關的通斷,更能模擬引信受過載時開關動作的真實情況。

在引信全流程測試中,測試系統需要按照時序對引信依次進行各個功能的測試。繼電器控制模塊由4個繼電器電路組成,分別產生啟動開關信號、碰炸開關信號、電池上電信號和裝定輸出斷開信號。由于4個繼電器控制電路原理類似,因此只對啟動開關繼電器控制電路進行分析,啟動開關繼電器控制電路如圖4所示。

圖4 啟動開關繼電器控制電路

圖4中,繼電器J1的16引腳通過三極管與地連接,繼電器線圈的兩端反向串聯一個二極管,防止繼電器斷電產生的反電動勢對其他元件造成破壞或者產生干擾,起到整流、保護電路的作用。當測試系統主控芯片控制QDKG引腳輸出高電平時,三極管QJ1848A導通,繼電器線圈通電,在磁力的作用下,觸點4和觸點8吸合接通,從而使引腳4(啟動開關信號輸出端)接地,啟動開關閉合。若QDKG引腳為低電平時,三極管截止,則啟動開關斷開。即通過啟動開關信號輸出端高低電平變化,輸出啟動開關動作信號,從而模擬啟動開關的閉合與斷開。啟動開關控制電路輸入端(QDKG端)、輸出端(Q+端)電平變化如圖5所示。

圖5 輸入端、輸出端電平變化

2.4 通信電路模塊

通信電路模塊采用RS422通信電路,抗干擾能力強[16-17]。采用DG3490電平轉換模塊實現測試系統主控模塊與裝定器模塊的數據通信。

2.5 電源電路模塊

測試系統硬件電路正常工作所需電壓分別為5 V和3.3 V,電源模塊電路原理如圖6所示。5 V電壓由78M05電壓穩壓器降壓后得到,為繼電器提供工作電壓。3.3 V由AMS1117穩壓芯片將5 V輸出電壓轉化得到,主要為測試系統主控芯片提供3.3 V工作電壓。穩壓芯片的輸入輸出端分別并聯了電容C2、C3,起到穩壓和濾波的作用,同時抑制電源輸出電壓的紋波,提高供電電壓的穩定性和瞬態響應性。

圖6 電源模塊電路原理

3 系統軟件流程設計

完成硬件設計后,只有在軟件程序的控制下才能實現測試系統的功能,軟件程序設計的優劣會影響整個系統能否更穩定、更高效地運行。

根據實際的測試要求,引信電路部件需要測試的功能包括時間裝定功能、測速修正、觸發、延期和自毀功能。時間裝定功能測試主要測量引信的實際發火時間。測速修正在測試前,先通過信號發生器給引信電路施加模擬的地磁信號,經引信主控模塊處理后輸出修正后的測速時間信號。觸發功能測試主要對引信的碰炸功能進行模擬,考察引信是否能夠輸出預定要求的發火信號。延期功能測試是在碰炸的基礎上通過軟件對引信電路進行一定的延時后,輸出發火信號。自毀功能測試是引信上電后,通過軟件計時,當計時達到預設時間時,測試引信自毀時間是否準確。軟件測試流程如圖7所示。

測試系統通電,流程開關閉合后,啟動流程測試程序,依次對時間裝定功能、測速修正、觸發、延期功能進行測試,每次測試前測試系統的裝定模塊會對引信電路進行裝定,并將裝定信息反饋給測試系統主控模塊,狀態指示燈閃爍表明流程測試已完成,可通過示波器觀察引信在4種模式下的輸出波形。按下自毀開關后,自動啟動自毀測試流程,通過示波器輔助,測試引信電路的自毀性能。

圖7 軟件測試流程框圖Fig.7 Software test flow diagram

4 測試系統驗證及結果分析

為驗證全流程測試系統能否達到預期的使用效果,取1組已測試標定的引信試制產品(包括一個引信電路單板和一個灌封后的引信電路部件),標定的參數值作為真實值,對引信試制產品進行5次全流程測試,測試參數為:

1) 時間裝定和測速修正模式:測量啟動開關閉合到發火之間的時間;

2) 碰炸和延期功能:測量碰炸開關閉合到發火的時間;

3) 自毀模式:引信電池上電到發火的時間。

引信試制產品標定數據如表2所示。測試系統連接如圖8所示。

表2 標定數據

將引信灌封電路部件固定壓接在測試架后,上電正常后,打開測試儀流程開關,系統會依次進行時間裝定功能、測速修正功能、觸發功能、延期功能的測試,斷開流程開關后,通過示波器顯示各測試功能的輸出波形;按下自毀開關,系統將自動進行自毀功能測試,從示波器中讀取各功能模式下的參數,完成測試系統的全流程測試。引信流程測試波形和自毀功能波形如圖9(a)、圖9(b)所示。

圖8 測試系統連接

圖9 引信全流程測試波形

通過對圖9分析得出的第1次測試結果以及其余4次引信全流程測試(灌封電路部件)結果如表3所示。引信全流程測試(電路單板)結果如表4所示。

通過對引信試制產品的5次全流程測試,可以得出其各項檢測結果與標定值的最大誤差均在測試系統所要求的誤差范圍內,且全流程測試系統運行穩定,能夠實現測試系統所要求的功能,驗證了測試系統的可行性和可靠性并達到了預期效果,具備一定的實用價值。

表3 引信全流程測試(灌封電路部件)

表4 引信全流程測試(電路單板)

5 結論

本文中為了保障電子時間引信在多種作用模式下仍具有較高的精度和可靠性,設計了一種引信電路部件全流程測試系統,系統進行一次全流程測試,即可實現引信時間裝定、測速修正、觸發、延期和自毀5種模式的自動測試,提高了測試效率。采用繼電器控制模塊準確模擬引信開關信號和上電信號,增強了引信測試的可信度;采用外接信號發生器模擬引信測速所需的地磁信號,減少了系統設計的復雜性。一套設備(測試系統)就可以對2種外觀狀態(灌封電路部件和電路單板)的引信進行測試,提高了設備的利用率,降低了成本。實驗驗證結果表明:引信電路全流程測試系統操作方便,測試結果準確,可滿足功能設計要求,達到了引信電路部件測試的預期效果,可為其他引信產品測試設備的設計提供經驗。