星上熱控回路阻值測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江 浩,汪新舜,韋 笑,宋 歌

(1.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240; 2.上海裕達(dá)實(shí)業(yè)有限公司，上海 200240)

0 引言

為了使衛(wèi)星上的部組件的溫度和溫度梯度都保持在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，星上熱控回路不可或缺。熱控系統(tǒng)一般由被動(dòng)元件和加熱器，恒溫箱及熱管組成。對(duì)于飛行任務(wù)復(fù)雜，星體內(nèi)部或外部熱流變化大或溫控要求很高的衛(wèi)星，必須在被動(dòng)溫控的基礎(chǔ)上，附加一些有效的主動(dòng)溫控方法，如百葉窗，電加熱器，相變材料及對(duì)流控制系統(tǒng)等[1]。為保證熱控回路工作達(dá)到預(yù)期效果，必須在發(fā)射前對(duì)熱控回路各連接點(diǎn)之間的導(dǎo)通、絕緣及阻值3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢查，并與設(shè)計(jì)值比較判斷熱控回路是否滿足設(shè)計(jì)需求。

對(duì)于含有n個(gè)連接點(diǎn)的回路, 如遍歷檢查各連接點(diǎn)之間的性能所需的測(cè)量次數(shù)為n*(n-1)/2。長(zhǎng)期以來(lái)，該項(xiàng)工作依靠人工操作電阻表/絕緣表完成，不僅工作量十分龐大，也容易出現(xiàn)漏檢或重復(fù)檢查等問(wèn)題。為了提高測(cè)試效率，自動(dòng)化回路絕緣/阻值測(cè)試儀的開(kāi)發(fā)得到廣泛關(guān)注。蘇建軍等[2-3]基于嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了小型、便攜導(dǎo)彈電纜測(cè)試儀，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈電纜的導(dǎo)通測(cè)試和絕緣測(cè)抗電強(qiáng)度測(cè)試。宋宏江等[4]開(kāi)發(fā)了一種基于PC104總線數(shù)字式電纜測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)了電纜導(dǎo)通電阻和絕緣電阻的自動(dòng)測(cè)量。劉澤元[5], 程海峰[6]及魏鵬等[7]分別根據(jù)任務(wù)需求開(kāi)發(fā)了加熱電纜，整星低頻電纜網(wǎng)及星上電纜的導(dǎo)通絕緣自動(dòng)測(cè)試儀，提高了測(cè)試效率和準(zhǔn)確度。

由于任務(wù)需求不同，以上儀器設(shè)備基本為專用型儀器，難以適用其它場(chǎng)合。本文根據(jù)航天八院衛(wèi)星質(zhì)量控制中熱控回路阻值檢測(cè)任務(wù)需求，開(kāi)發(fā)了一種基于虛擬儀器的自動(dòng)化的星上熱控回路阻值測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)在NI PXI硬件平臺(tái)下集成模塊化的數(shù)字萬(wàn)用表和矩陣開(kāi)關(guān)，并在Labview平臺(tái)下開(kāi)發(fā)測(cè)試軟件，可完成熱電偶、電加熱器及熱敏電阻等元器件組成的回路阻值自動(dòng)測(cè)試，具有效率高、測(cè)試結(jié)果精度高、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。

1 測(cè)試需求

航天器的熱控回路測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)象包括熱電偶、熱敏電阻及加熱器，最大測(cè)試接出點(diǎn)數(shù)為120點(diǎn)，不同的對(duì)象其測(cè)試要求也不相同。表1顯示了各種不同測(cè)試對(duì)象的一些參數(shù)及要求。

表1 測(cè)試需求表

星上熱控回路測(cè)試主要任務(wù)包括絕緣測(cè)試與電阻測(cè)試。絕緣測(cè)試時(shí)，需將整星外殼和測(cè)試設(shè)備接插件外殼接地并分別定義為整星接地點(diǎn)和設(shè)備接地點(diǎn)，檢測(cè)待測(cè)對(duì)象回路各接出節(jié)點(diǎn)與上述接地點(diǎn)之間的絕緣特性。熱電偶回路阻值測(cè)試需檢測(cè)待測(cè)回路各接出節(jié)點(diǎn)與冰點(diǎn)之間的阻值；熱敏電阻、加熱器阻值測(cè)試則需遍歷檢測(cè)回路所有接出節(jié)點(diǎn)之間的絕緣/連通特性，篩選出連通的節(jié)點(diǎn)并測(cè)量阻值。測(cè)試結(jié)束后設(shè)備需將測(cè)試結(jié)果與熱控回路阻值檢查表相比較并判斷是否合格，同時(shí)設(shè)備還能按照給定格式生成報(bào)表。

2 測(cè)試原理及硬件設(shè)計(jì)

2.1 阻值測(cè)試原理

電阻測(cè)試可分為二線制和四線制，其原理如圖1所示。二線制方法激勵(lì)電流流經(jīng)導(dǎo)線R導(dǎo)線和待測(cè)電阻Rmeas，測(cè)量設(shè)備通過(guò)導(dǎo)線測(cè)量電阻的電壓并計(jì)算阻值。測(cè)量低阻值電阻時(shí)，導(dǎo)線兩端的壓降等于I*(R導(dǎo)線+Rmeas)，設(shè)備測(cè)量值并非電阻Rmeas兩端的電壓。常規(guī)導(dǎo)線電阻值介于0.01～1 Ω之間，當(dāng)Rmeas阻值小于100 Ω時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)精確二線電阻測(cè)量。四線方法是用4條測(cè)試導(dǎo)線，一對(duì)導(dǎo)線用于注入電流，另一對(duì)待測(cè)電阻連接導(dǎo)線用于感應(yīng)電阻Rmeas兩端的電壓。由于待測(cè)電阻連接導(dǎo)線上無(wú)電流，設(shè)備僅測(cè)量電阻兩端的電壓。四線制方法可消除內(nèi)部測(cè)試導(dǎo)線產(chǎn)生的誤差， 其精度高于二線方法，常用于測(cè)量小于100 Ω的電阻[8]。

圖1 兩種電阻測(cè)試方式

2.2 硬件設(shè)計(jì)

虛擬儀器 (Virtual instrument)技術(shù)是一種利用高性能模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用技的術(shù)，具有開(kāi)發(fā)周期短、通用程度高，部署方便靈活等優(yōu)勢(shì)[9]。星上熱控回路阻值測(cè)試系統(tǒng)基于NI PXI平臺(tái)下的數(shù)字萬(wàn)用表+矩陣開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，通過(guò)開(kāi)關(guān)動(dòng)作切換星上熱控回路不同接入點(diǎn)至數(shù)字萬(wàn)用表構(gòu)成待測(cè)回路并完成測(cè)量。設(shè)計(jì)時(shí)，選用NI PXI-1031機(jī)箱作為采集控制的硬件平臺(tái)，搭載PXI-8820嵌入式控制器、NI PXI-4070六位半數(shù)字萬(wàn)用表和PXI-2532B矩陣開(kāi)關(guān)。NI PXI-4070電阻測(cè)試具有六檔量程可調(diào)，在二線制模式下最大量程可達(dá)100 MΩ，其在六位半精度下采樣速率可達(dá)100 S/s，具有±6 ppm VDC精度。同時(shí)，該數(shù)字萬(wàn)用表在電阻測(cè)試時(shí)施加電壓最大為9 VDC，滿足星上電氣安全要求。PXI-2532B型矩陣開(kāi)關(guān)具有一線4×128、8×64以及二線16×32、4×64、8×32、16×16六種配置模式，其切換速度高達(dá)2 000次/秒并能與儀器同步運(yùn)行。

根據(jù)實(shí)際接入點(diǎn)數(shù)及二線/四線測(cè)試方法的特點(diǎn)，將PXI-2572B開(kāi)關(guān)配置成4×128一線制矩陣。矩陣開(kāi)關(guān)四根行線纜與數(shù)字萬(wàn)用表的HI、LOW、HI SENSE及LOW SENSE四個(gè)接頭向連接。矩陣開(kāi)關(guān)的1～120號(hào)列線纜接頭與機(jī)箱上的Y2-120ZJ航空插座相連接，121～128號(hào)接頭與設(shè)備機(jī)箱專門設(shè)計(jì)的接線柱連接，用于連接整星接地點(diǎn)、設(shè)備接地點(diǎn)。當(dāng)列1行1及列2行2的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，構(gòu)成了待測(cè)回路節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間二線制測(cè)電阻測(cè)試回路；當(dāng)列1與行1行3、列2與行2行4的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，構(gòu)成待測(cè)回路節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間四線制測(cè)電阻回路，如圖2所示。二線制工作模式下，數(shù)字萬(wàn)用表量程大于20 MΩ，檢測(cè)絕緣和連通；四線制模式下，精確檢測(cè)連通節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的電阻。這種接線方法充分考慮了二線制和四線制測(cè)試電阻的優(yōu)點(diǎn)及絕緣和阻值測(cè)試要求。

圖2 數(shù)字萬(wàn)用表-矩陣開(kāi)關(guān)接線圖

整個(gè)PXI機(jī)箱被安裝在專門設(shè)計(jì)的鋁合金箱體之中，其內(nèi)部留有空間存儲(chǔ)轉(zhuǎn)接電纜。機(jī)箱上表面安裝有觸摸屏供使用人員操作設(shè)備；側(cè)面安裝有把手，底部安裝有滾輪，方便在各個(gè)工位之間移動(dòng)。整個(gè)設(shè)備具有較高的集成度及便攜性，使用簡(jiǎn)單方便，如圖3所示。實(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)試人員根據(jù)待測(cè)熱控回路的接插件形式，從3種不同規(guī)格的轉(zhuǎn)接電纜(3*Y2-36TK～ Y2-120TK；2*Y2-50TK～ Y2-120TK；Y2-120TK～ Y2-120TK)中選擇合適規(guī)格，將星上熱控回路接插件接口與機(jī)箱上的Y2-120ZJ航空插座相連接。同時(shí)，將星上接地點(diǎn)及設(shè)備接地點(diǎn)與設(shè)備的121～128號(hào)接線頭相連接。這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字萬(wàn)用表、矩陣開(kāi)關(guān)和待測(cè)回路之間的連接。

圖3 硬件框圖

3 軟件結(jié)構(gòu)及功能

測(cè)試軟件部分基于LabVIEW開(kāi)發(fā)，它是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW被稱為“G”語(yǔ)言，即圖形化編程語(yǔ)言[10]，其核心是“數(shù)據(jù)流”，通過(guò)數(shù)據(jù)在連線上的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)程序流程的控制及功能的實(shí)現(xiàn)。

3.1 軟件整體設(shè)計(jì)

星上熱控回路阻值測(cè)試軟件采用模塊化編程，根據(jù)測(cè)試需求將軟件分為測(cè)試配置、回路測(cè)試及數(shù)據(jù)管理三大模塊，每個(gè)模塊又分為若干個(gè)小的功能模塊。這樣設(shè)計(jì)既方便調(diào)試和修改，又可根據(jù)需求靈活組合適用于不同應(yīng)用場(chǎng)合，如圖4所示。

圖4 軟件功能模塊

圖5所示為軟件進(jìn)行測(cè)試的運(yùn)行流程圖。從圖中可以看到，測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程如下：用戶進(jìn)入軟件，選擇新建測(cè)試。新建測(cè)試可根據(jù)需求配置測(cè)試任務(wù)，配置結(jié)束后軟件自動(dòng)按照配置執(zhí)行絕緣/連通檢測(cè)、阻值檢測(cè)并進(jìn)行合格判斷，檢測(cè)結(jié)束后自動(dòng)保存數(shù)據(jù)并生成報(bào)表。流程結(jié)束后，用戶可以選擇退出軟件，也可繼續(xù)進(jìn)行下一次測(cè)試。軟件的數(shù)據(jù)管理模塊相對(duì)于測(cè)試過(guò)程獨(dú)立，用戶可以在進(jìn)入軟件時(shí)直接調(diào)用該模塊的功能如查看歷史數(shù)據(jù)等。用戶也可以根據(jù)實(shí)際需要在數(shù)據(jù)管理模塊和回路阻值測(cè)試模塊之間相互切換，方便使用。

圖5 軟件流程圖

在軟件設(shè)計(jì)中采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者架構(gòu)滿足程序功能設(shè)計(jì)的要求，這是一種多線程編程中最基本的設(shè)計(jì)模式，是事件處理器和隊(duì)列消息處理器相結(jié)合而構(gòu)成的復(fù)合設(shè)計(jì)模式。如圖6所示，上方循環(huán)為生產(chǎn)者循環(huán)，在生產(chǎn)者循環(huán)中采用事件結(jié)構(gòu)，處理熱控回路阻值測(cè)試軟件中各種人機(jī)交互事件，如執(zhí)行測(cè)試配置、執(zhí)行電阻測(cè)試等；消費(fèi)者則負(fù)責(zé)處理生產(chǎn)者發(fā)布的這些事件任務(wù)。

圖6 生產(chǎn)消費(fèi)者架構(gòu)程序框圖

3.2 測(cè)試配置

測(cè)試配置模塊供用戶輸入測(cè)試必須的配置信息。對(duì)于熱敏電阻/加熱器回路測(cè)試，用戶需輸入待測(cè)熱控回路節(jié)點(diǎn)信息、衛(wèi)星接地點(diǎn)、設(shè)備接地點(diǎn)，填入后測(cè)試配置模塊將生成所有節(jié)點(diǎn)之間的遍歷待測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)以及所有節(jié)點(diǎn)與接地點(diǎn)之間待測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)。對(duì)于熱電偶回路測(cè)試，還需要輸入冰點(diǎn)，填入后程序?qū)⑸伤泄?jié)點(diǎn)與冰點(diǎn)及接地點(diǎn)之間的待測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)。雖然四線制方法可以消除測(cè)試回路內(nèi)部導(dǎo)線阻值，然而在測(cè)試過(guò)程中使用了轉(zhuǎn)接電纜，其阻值也是待測(cè)回路阻值的一部分。因此，程序內(nèi)置了不同型號(hào)的轉(zhuǎn)接電纜阻值數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可在設(shè)置界面選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件以消除轉(zhuǎn)接電纜阻值對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。在測(cè)試配置界面，用戶還可輸入正確的阻值檢查表，以供程序判斷回路是否滿足設(shè)計(jì)需求。檢查表可以以手動(dòng)輸入的方式在軟件界面錄入，也可以導(dǎo)入指定格式的Excel表格。此外，所有的設(shè)置內(nèi)容均可保存為文件，用戶可直接加載已保存的設(shè)置，進(jìn)行批次測(cè)量無(wú)須重復(fù)輸入。

3.3 回路測(cè)試

回路測(cè)試模塊主要執(zhí)行絕緣和阻值測(cè)試。軟件首先自動(dòng)將數(shù)字萬(wàn)用表量程設(shè)定為100 MΩ，根據(jù)用戶測(cè)試配置控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作進(jìn)行二線制絕緣檢測(cè)，超過(guò)20 MΩ判定為絕緣并生成絕緣節(jié)點(diǎn)對(duì)；小于20 MΩ則判斷為連通并生成連通節(jié)點(diǎn)對(duì)。

絕緣檢測(cè)完成后，用戶可設(shè)定量程范圍保持在“Auto”，也可根據(jù)絕緣檢測(cè)結(jié)果設(shè)置量程。軟件對(duì)連通節(jié)點(diǎn)對(duì)重新采用四線制方法測(cè)試阻值，并從測(cè)試結(jié)果中自動(dòng)減去測(cè)試配置模塊中用戶選擇的連接電纜阻值，可極大提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于實(shí)際測(cè)試中，用戶可能制作新的轉(zhuǎn)接電纜，回路測(cè)試模塊還可通過(guò)短接的方法測(cè)試轉(zhuǎn)接電纜的阻值，生成轉(zhuǎn)接電纜阻值文件并保存，供用戶使用。

測(cè)試結(jié)束后，軟件將絕緣節(jié)點(diǎn)對(duì)、連通節(jié)點(diǎn)對(duì)阻值以表格形式顯示在軟件主界面，同時(shí)與用戶配置模塊中輸入的阻值檢查表相比較并判斷熱控回路是否滿足設(shè)計(jì)需求，對(duì)于不滿足需求的測(cè)試結(jié)果行予以高亮紅色顯示，方便檢測(cè)人員二次排查，如圖7所示。

圖7 測(cè)試結(jié)果顯示

3.4 數(shù)據(jù)管理果

軟件的數(shù)據(jù)管理功能可生成測(cè)試結(jié)果報(bào)表并調(diào)取歷史數(shù)據(jù)查看。報(bào)表有word和Excel兩種格式，如圖8所示。

圖8 測(cè)試報(bào)表

Word格式報(bào)表包含了測(cè)試者、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試結(jié)論以及連通節(jié)點(diǎn)對(duì)的測(cè)試阻值，供用戶打印；Excel格式則額外包含了絕緣節(jié)點(diǎn)對(duì)。這是因?yàn)楫?dāng)熱敏電阻/加熱器遍歷測(cè)量時(shí)，雖然實(shí)際測(cè)試的節(jié)點(diǎn)對(duì)高達(dá)數(shù)千對(duì)，但連通節(jié)點(diǎn)對(duì)一般只有數(shù)十至一百余對(duì)。由于軟件Word格式報(bào)表采用逐行寫入的方法生成，若將所有結(jié)果寫入過(guò)于消耗時(shí)間；Excel格式報(bào)表則可以一次性寫入。這樣不僅可以節(jié)省時(shí)間，也保留了全部原始數(shù)據(jù)。

除了Word格式和Excel格式報(bào)表，軟件的數(shù)據(jù)管理模塊還將所有歷史測(cè)試結(jié)果、用戶配置文件以及轉(zhuǎn)接電纜阻值均保存為TDMS格式文件，用戶可以直接通過(guò)軟件調(diào)取和查詢這些數(shù)據(jù)，方便人工復(fù)檢。

4 試驗(yàn)對(duì)比分析

為檢驗(yàn)系統(tǒng)檢驗(yàn)電阻的準(zhǔn)確性，將該系統(tǒng)連接到已標(biāo)定好阻值的星上熱控回路網(wǎng)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)于回路節(jié)點(diǎn)之間絕緣/連通關(guān)系識(shí)別準(zhǔn)確無(wú)誤。表3比較了部分標(biāo)定值和系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，由表3可知，阻值測(cè)試結(jié)果與標(biāo)定值非常接近，誤差幾乎可以忽略。

表3 標(biāo)定阻值與測(cè)試阻值

從實(shí)際測(cè)試時(shí)間來(lái)看， 100個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱敏電阻/加熱器回路遍歷測(cè)量，需要兩個(gè)熟練的質(zhì)量檢驗(yàn)人員接近3個(gè)小時(shí)才可完成測(cè)量和合格檢查；使用該設(shè)備僅需一人操作，并在40分鐘之內(nèi)完成自動(dòng)測(cè)量、合格性檢查，生成報(bào)表。由于設(shè)備對(duì)于回路連通及阻值檢查全自動(dòng)化，可完全避免人工檢查中易出現(xiàn)的避免漏檢及重復(fù)檢查。同時(shí)，該設(shè)備操作簡(jiǎn)單方便，檢測(cè)人員經(jīng)過(guò)半天左右培訓(xùn)即可掌握并使用，與培養(yǎng)熟練的手工質(zhì)量檢驗(yàn)人員相比可節(jié)約大量培訓(xùn)時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

星上熱控回路絕緣阻值測(cè)試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)NI-PXI平臺(tái)下集成的高精度數(shù)字萬(wàn)用表和矩陣開(kāi)關(guān)，結(jié)合LabVIEW環(huán)境下開(kāi)發(fā)的軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱敏電阻/加熱器以及熱電偶阻值的快速準(zhǔn)確測(cè)量。該系統(tǒng)具有使用方便靈活、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格熱控回路阻值自動(dòng)測(cè)試，大幅提升測(cè)試效率，節(jié)約人力資源；設(shè)備檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，避免重復(fù)檢查或漏檢，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。