便携式引信通用测试仪

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(1.火箭军工程大学核工程学院，陕西 西安 710025；2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

在导弹武器系统中，引信是引爆控制的核心部件，其可靠性关系到战斗部的引爆时机和威力，因此对引信的检测至关重要[1]。同时，根据作战任务，导弹会配备不同的战斗部，其对应不同的引信。当前普遍使用的引信测试仪专机专用，为完成对不同引信的测试，需要配备多个专用测试仪，且信息化、自动化程度低，操作不便，成本较高，不利于战斗力的提升[2]。从技术发展的趋势上看，标准化、模块化和通用化正逐渐成为国内外引信测试系统的主要发展方向。美国各军种都建有完备的引信测试系统，其中海军和空军共同研发了“联合测试系统”，采用通用总线接口，并可以根据需求更换模块，为“三军通用型测试工作站”的实现打下基础[3]。国内在引信测试领域也取得一系列成果：工程物理研究院电子工程所的王兵等人提出了基于AVR单片机的可编程测试仪的设计思想[4]；南京理工大学的马少杰等人提出应用仿真模型对测试仪进行改进增强[5]；哈尔滨工业大学的王水莲采用引信专用测试系统理论对测试仪进行了解析[6]等。引信测试的理论飞速发展，同时新的应用背景及作战指标也对测试仪的设计提出了新的要求。本文针对现有引信测试系统存在的设备分散、专机专用、操作繁琐等问题，提出了基于STM32的便携式引信通用测试仪，以实现对4种不同引信的快速检测。

1 系统整体设计

引信通用测试仪主要有以下技术要求：

1)测试仪自检。在进行引信测试前，测试仪对自身硬件电路和软件系统进行自检，检验合格后，进入测试程序。

2)弹上安全状态检测。确保只有被测引信处于安全测试状态时，才可启动测试程序，以保证操作人员、被测引信和测试仪的安全。

3)引信类型检查。检测接入测试仪的引信的类型，启动对应的测试程序。

4)控制信号模拟。飞行程序模拟产生引信的各类解保信号，包括模拟发射信号、模拟发电机准备好信号以及模拟远解信号，并控制引信的加电、断电。

5)遥测电压测量。通过遥测通道对引信的遥测电压进行精确测量，并能依此判断引信性能是否正常。

6)通信功能。实现板内各模块间通信、板间各分模块与主控制器的通信，以及系统和外界的通信。

7)数据显示与存储。测试结果实时直观显示，测试数据留存可导出分析。

测试仪性能指标兼顾对系统的测试精度及速度要求，其中电阻测量精度及遥测电压测量精度要优于现有专用测试设备精度值，同时引信识别及测试速度要优于当前同类产品。另外，要求测试仪的环境适应性强，体积小以便于携带，同时易于维修保障。

根据上述技术要求及功能，引信通用测试仪硬件设计框图如图1所示。

引信通用测试仪采用模块化设计思想，按照测试仪的功能设计了主控制器模块和四个主模块、五个辅助模块。主控制器选用基于ARM Cortex-M4内核的32位微控制器STM32F427VGT6[7]，完成对检测流程的控制和测试数据的处理；四个主模块为弹上安全状态检测模块、引信类型检测模块、遥测及模拟解保模块和按键及旋转编码器实时识别模块，各主模块分别采用独立电源模块供电,采用各自的单片机对信号进行采集、分析，分别完成弹上安全状态检测、引信类型快速检测、遥测及模拟解保信号产生和按键及编码器实时识别等功能，并与主控制器通过串口进行信息交联；五个辅助模块为电源模块、通信模块、实时时钟模块、存储模块及显示模块，辅助模块直接由主控制器控制。

在测试仪的设计中，全自动测试系统整体设计，引信种类快速识别技术的应用，各类安全保障模块的设计等难度较大，创新性较强，为设计中的关键性技术。

2 系统硬件设计中的关键性技术

在引信通用测试仪的设计中，为达到通用性、精确性、快速性等一系列测试指标要求，对传统的测试方法予以改进创新，提出了一些新的思路，采用了一系列关键技术。

2.1 安全保障技术

引信属于危险品，测试仪在对其进行测试时必须采用适当的保护措施，以保证测试过程中人员和设备的安全。安全保障技术在硬件设计中广泛体现。

在系统整体设计中，加入了弹上安全状态检测模块。测试仪设计了特殊的测试电缆接口，在检查安全状态时，将与弹上隔离的电压加到目标芯上，通过测量反馈电压值，来判断相关芯是否短接，检查完成后把电压断开，恢复原有的电气状态。确定引信处于安全测试状态即确保内部插头可靠连接，才可进入测试流程；如果内部插头和插座连接不可靠，测试仪主控制器无法识别到引信处于安全测试状态，测试仪不执行测试流程。在系统的设计中还广泛应用了隔离技术，在供电、接地及数据传输时更加注重信号的隔离保护。

2.2 引信类型快速识别技术

该技术主要完成对引信类型的快速识别。其检测原理为：通过检测测试电缆中的状态识别芯线的通断情况，判断引信种类和状态(电阻值小于10 Ω为通路，表示零位状态；电阻值大于10 MΩ为断路，表示非零位状态)。状态识别芯线有3根，可完成最大8种引信的识别，在本设计中，选取4种情况进行定义，以完成对4种引信的识别。测量电路如图2所示(以状态识别1芯和状态公共端之间的电阻测量为例)。

电阻测量的目的在于判断导通性，因此不需要计算具体电阻值。为了缩短系统运算时间，实现快速检测，同时兼顾精度要求，采用惠斯通电桥电路，用以比较判断芯线与公共端之间的电阻值范围[8]。主控制器通过ADG708模拟多路复用器在不同电桥中进行选择切换测试，每一路信号进行两次比较：第一次比较时，电桥桥臂的阻值设定为10 MΩ；第二次比较时，电桥桥臂的阻值设定为10 Ω。若第一次测量结果S1>0，则可判断为非零位状态；若第二次测量结果S1<0，则可判断为零位状态，分次测量提高了测量精度和效率。

由于电桥桥臂电阻值变化很大，将信号直接接入放大器运算会造成误差，故在电桥测量电路中增加OPA378电压跟随模块，以提高输入阻抗，降低输出阻抗，达到阻抗匹配的目的。经过处理的差分信号送入AD623仪表放大器中，进行电压的放大处理，其增益G[9]为：

本设计中，设定增益为51倍(RG= 2 kΩ)。最终将测试数据送入单片机中处理。单片机处理电路如图3所示。

电阻处理电路中的单片机采用ATMEL公司的Mega8L，其具有体积小、外设丰富的特点，S1、S2、S3表示引信种类识别信号。单片机PC0、PC1和PC2口均内置模数转换功能，可将模拟的电压信号转换为数字信号，单片机将识别到的引信类型信息通过串口直接发送给主控制器[10]。

2.3 模拟解保信号可靠产生技术

引信测试时，测试仪需按照时序给被测引信发送多级解保信号，以解除保险。模拟解保信号产生的可靠性及准确性，是关系到引信检测可信度的重要指标。在测试仪设计过程中，通过高精度的电源设计、冗余双通道继电器设计等技术，提高模拟解保信号产生的准确性，以及信号发送的可靠性。

解保电源选用大功率高精度隔离AC/DC，标称输出28 V，通过调整精密偏置电阻可输出精准解保信号。

选用JZC-158M双通道继电器，作冗余设计，其节点连接示意图如图4所示。电磁继电器供电原理图如图5所示。

接通解保电源后，引信供电控制信号发出，光继电器AQY272导通，控制电压加在继电器3，6脚上，在磁力作用下，2，7脚分别与8，1脚吸合，引信供电通道导通，解保信号发出。在电路设计中，加入瞬变电压抑制二极管，在承受瞬间高压时导通，从而保护元器件免受浪涌脉冲的损害[11]；同时该二极管可以作为续流二极管使用，当电磁继电器突然关断时提供续电流以保护光继电器。

2.4 遥测电压隔离测量技术

遥测电压的测量是通过遥测通道特定芯线采集的。如图6所示，由于弹上电源与测试仪电源相互隔离，故该模块在设计时采用隔离技术予以保护[12]。

前端遥测信号进入运算放大器OPA378，进行阻抗匹配和电压跟随，而后进入双电源供电的隔离放大器ACPL-790B，进行电压隔离及初级放大。输出信号接AD623仪表放大器，对信号进行二级放大，输出遥测电压。信号处理部分采用Mega8L单片机，如图7所示。

3 系统软件设计中的关键性技术

根据系统的技术方案和特点，在软件的设计中，将测试的安全性放在首位，对操作人员权限甄别、操作中安全提示及操作流程规范性等均采用了严格的安全措施；同时，更加注重人机交互体验，操作更加方便，最后，设计自检环节，确保测试的可靠性。软件的总体架构如图8所示。

系统上电后，进入测试仪工作界面。3 s后，待系统稳定，进行设备的自检，自检主要针对总电源模块、引信类型检测模块和通信模块等，确保系统的正常工作和测试精度。自检完成后，在引信和测试仪之间连接测试电缆，而后进入到菜单选择界面。菜单选择包括“设置”、“测试”和“查询”三个选项，在测试的过程中，考虑到操作的安全性和保密性，故加入用户权限管理及发送确认等环节，避免误操作。“设置”环节依次完成用户权限甄别、引信种类及编号录入和参数的装定等；“测试”环节依次完成引信类型确定(与测试仪自动识别结果对比)、三次解保信息的确认和发送以及装定信息的确认和发送，测试完成后会显示测试结果，同时给出辅助决策，完成引信性能评估；“查询”环节可对历次测试结果进行查看，选择测试文件后，可显示测试人员信息、引信类型及编号、引信信息、解保信号、装定参数及成功装定次数等测试相关信息。

4 实验结果及分析

测试仪的调试包括硬件电路的调试和软件的调试，软件的调试过程主要是测试时序的可靠性及对各种误操作的保护，在此不做着重说明。硬件电路的调试主要指对系统主控制器模块和各功能模块的性能及功能进行测试，调试时使用已检定的高精度可调电压源DH1715A-3和数字万用表Fluke-8845A。

由于测试仪系统功能强大，测试信号种类繁多，不能一一罗列实验结果，在此仅提供较有代表性的遥测及模拟解保模块性能的检测方法和结果分析如表1所示。

表1 遥测及模拟解保模块实验数据Tab.1 Telemetry and simulation relieve-safety experimental data

在遥测1通道施加不同的电压(0.5 V，1 V，1.5 V，2 V，2.5 V和3 V)，模拟遥测电压数据的采集和测量。对其中重要的三个点位(OPA378的4脚与地、ACPL-790B的6，7脚和AD623的6脚与地)分别进行测量和记录。经分析，此测量放大电路的综合相对误差为0.91%，满足测试精度的要求。

其他信号及控制系统的测试均已完成，全部达到设计指标要求，部分重要参数的精度甚至远超设计指标。

5 结论

采用模块化设计的方法，提出了基于STM32的便携式引信通用测试仪，在一台自动化测试仪器上实现了对4种不同引信的上百个参数的自动测量，测试精度和速度较现有设备有了较大提高，采用EMWIN系统，优化了测试程序，提高了测试效率，实现了军用设备“一机多用”的实战化要求。在硬件设计中，广泛应用信号隔离等安全保障技术，提高了系统的安全性；设计了引信类型检测模块、遥测数据采集模块、解保信号发生模块、通信模块等很多有较强工程应用价值的模块电路；同时采用多种抗干扰技术，提高了系统的稳定性，保障了测试的精度。实验验证表明，该测试仪功能完整，操作简单，测试精准，安全可靠，可较好满足多种类引信的自动化测试。

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