導(dǎo)彈電氣設(shè)備在線絕緣測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言
     導(dǎo)彈能否順利發(fā)射，很大程度上取決于電氣設(shè)備絕緣 的可靠性，電氣設(shè)備絕緣測(cè)試是導(dǎo)彈發(fā)射前必須要做的一 項(xiàng)工作。隨著導(dǎo)彈武器裝備自動(dòng)化測(cè)試水平的提高，電氣設(shè) 備的絕緣裕度相應(yīng)減少，目前導(dǎo)彈電氣設(shè)備絕緣測(cè)試的方法 是在儀器設(shè)備不供電的前提下，通過外部絕緣測(cè)試儀進(jìn)行檢 查，具有一定盲目性，并且測(cè)試時(shí)間相對(duì)較長，本文在此基 礎(chǔ)上提出了導(dǎo)彈電氣設(shè)備在線絕緣測(cè)試儀的設(shè)計(jì)研究。導(dǎo)彈 電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)是在不改變儀器設(shè)備連接的情況下， 從被測(cè)設(shè)備上取得電壓、電流信號(hào)，從中分析計(jì)算出設(shè)備絕 緣泄漏電流、絕緣電阻等參數(shù)，并由此判斷設(shè)備絕緣狀況。 由于它能迅速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)工作中設(shè)備的絕緣狀況，為導(dǎo)彈 順利發(fā)射并準(zhǔn)確命中目標(biāo)提供可靠的保證。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析
目前絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)正往兩個(gè)方向發(fā)展，一個(gè)方向 是多功能、全自動(dòng)的絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即用計(jì)算機(jī)控制 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)記
錄、自動(dòng)報(bào)警。這種監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)引入專家系統(tǒng)， 發(fā)展成為絕緣檢測(cè)診斷 系統(tǒng)，可以對(duì)所有需要 監(jiān)測(cè)的電氣設(shè)備實(shí)行巡 回監(jiān)測(cè)，也可對(duì)特定電 氣設(shè)備跟蹤監(jiān)測(cè)，靈活方便，實(shí)現(xiàn)絕緣監(jiān)測(cè)的

圖1  信號(hào)采集原理圖
全面自動(dòng)化和綜合自動(dòng)化。另一方向是發(fā)展便攜式絕緣監(jiān)測(cè)儀，可由工作人員帶 到現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行的絕緣狀況進(jìn)行定期或不定期的在線 監(jiān)測(cè)。便攜式絕緣監(jiān)測(cè)儀與絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最大的不同在 于：后者是利用PC機(jī)通過高級(jí)語言編寫的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理及控制功能的，而前者是利用單片機(jī)或者DSP通過固化在 芯片中的程序?qū)崿F(xiàn)各種功能的。
針對(duì)導(dǎo)彈電氣設(shè)備絕緣測(cè)試的特殊性，汲取兩者的優(yōu) 點(diǎn)設(shè)計(jì)了便攜式導(dǎo)彈電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)儀，由于具有儀 器體積小、重量輕、攜帶方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，并且由于 傳感器直接安裝固定在被測(cè)設(shè)備附近，省去了集中式控制系 統(tǒng)所必需的多路開關(guān)及龐大繁雜的屏蔽電纜布線系統(tǒng)，具有 較好的應(yīng)用前景。

2  絕緣檢測(cè)的原理與方法
絕緣監(jiān)測(cè)的任務(wù)是要確定設(shè)備的絕緣狀況，評(píng)估絕緣 的缺陷及劣化的程度。對(duì)于發(fā)射車等地面設(shè)備的絕緣在線監(jiān) 測(cè)，常常選擇測(cè)量其工作電壓下流過設(shè)備絕緣的電流I，絕 緣的電容量C，以及其絕緣電阻R等參數(shù)。
由于所要測(cè)得的參數(shù)均為微弱信號(hào)（小于10mA），直 接測(cè)量比較困難，需要通過程序控制，在數(shù)據(jù)采集端對(duì)被測(cè) 電器施加激勵(lì)電壓，測(cè)取流經(jīng)回路的微電流并傳輸至DSP處 理模塊進(jìn)行處理。在忽略導(dǎo)彈測(cè)試電纜電阻誤差及環(huán)境溫度 等因素影響的前提下，信號(hào)采集原理如圖1所示。
通過對(duì)導(dǎo)彈上的儀器設(shè)備施加相應(yīng)的激勵(lì)電壓，可以 測(cè)量得到標(biāo)準(zhǔn)電阻R2上的電壓值，然后依據(jù)歐姆定律，將
圖2  系統(tǒng)硬件組成框圖

表1 測(cè)試結(jié)果
電壓值轉(zhuǎn)換成所對(duì)應(yīng)的電阻值，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將所測(cè)得的電 阻模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，提供給DSP處理器，從而可以判斷 電路的絕緣性能。
圖1中待測(cè)的絕緣電阻為R x，R1為已知的標(biāo)準(zhǔn)限流電 阻 、 R 2 為 已 知 的 分 壓 電 阻 ， 當(dāng) 測(cè) 試 電 路 中 加 上 激 勵(lì) 電 壓 后，由歐姆定律可得：
Uo=Ui*R2/(Rx+R1+R2)
因此，Rx = Ui * R2/ Uo－( R1+ R2)
由于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)較容易受到干擾，必須采用質(zhì)量優(yōu)良、 抗干擾能力強(qiáng)的傳感器 ，以使微弱信號(hào)不畸變地傳到采集 系統(tǒng)。對(duì)采集到的電壓電流信號(hào)，經(jīng)過硬件的、軟件的抗干 擾處理，使用DSP進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，然后顯示或者打印處理結(jié) 果。在采集過程中，由于需要對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行快速傅立 葉頻譜分析，所以采得的信號(hào)電壓范圍要適合DSP進(jìn)行模數(shù) 轉(zhuǎn)換，這可以通過估計(jì)阻值以及漏電流范圍，并調(diào)節(jié)回路阻 抗來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于要進(jìn)行頻譜分析，所以采樣率必須高 于所要分析頻譜的2倍。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析處理之后， 可以得到基波、各次諧波的幅值以及相位，進(jìn)而可以計(jì)算出 所測(cè)量的絕緣電阻值。相比較傳統(tǒng)的測(cè)量方法，本裝置最大 的特點(diǎn)是充分利用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行有的放 矢的處理，以得到所要求的結(jié)果。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
根據(jù)導(dǎo)彈電氣設(shè)備絕緣測(cè)試的應(yīng)用需求，在對(duì)絕緣檢 測(cè)理論分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合該導(dǎo)彈電氣設(shè)備絕緣測(cè)試的 原理和特點(diǎn)，以小型化和智能化為目標(biāo)，利用成熟的嵌入式 DSP系統(tǒng)和先進(jìn)的智能檢測(cè)技術(shù)，確定了以DSP為核心的導(dǎo) 彈電氣設(shè)備在線絕緣測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由圖2可以看出， 信號(hào)轉(zhuǎn)接箱主要是
為了適應(yīng)不同型號(hào)不同批次的導(dǎo)彈而設(shè)計(jì) 的，在信號(hào)轉(zhuǎn)接箱上有針對(duì)各種型號(hào)不同 批次的接插件，測(cè)試過程中要根據(jù)具體導(dǎo) 彈的型號(hào)和批次，連接相應(yīng)的插座，在設(shè) 計(jì)過程中，采用了防插錯(cuò)技術(shù)，確保導(dǎo)彈 型號(hào)批次選擇正確。
導(dǎo)彈電氣設(shè)備在線絕緣測(cè)試儀以嵌入 式DSP系統(tǒng)為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè) 計(jì)了信號(hào)隔離模塊、信號(hào)處理理模塊、數(shù) 據(jù)采集模塊、測(cè)試儀自檢模塊、電源及管 理模塊、外圍接口模塊等6個(gè)模塊，提高
了系統(tǒng)的集成度，并實(shí)現(xiàn)了測(cè)試儀的小型化。
測(cè)試儀自檢模塊主要是為測(cè)試儀提供激勵(lì)信號(hào)源。在 儀器自檢時(shí)，DSP系統(tǒng)控制自檢激勵(lì)信號(hào)接入測(cè)試系統(tǒng)，同 時(shí)斷開外部輸入通道，使測(cè)試儀在不影響被測(cè)設(shè)備的前提 下，保證測(cè)試儀能夠可靠地工作。
信號(hào)隔離模塊是針對(duì)所需測(cè)量的信號(hào)數(shù)量多、部分信 號(hào)可能對(duì)被測(cè)點(diǎn)進(jìn)行干擾等問題，根據(jù)導(dǎo)彈測(cè)試的流程， DSP系統(tǒng)適時(shí)控制相關(guān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)接入測(cè)試儀的數(shù)據(jù)處理模 塊，同時(shí)斷開無關(guān)測(cè)點(diǎn)與測(cè)試儀的電氣連接，從而保證測(cè)試 儀不會(huì)對(duì)被測(cè)試導(dǎo)彈產(chǎn)生影響。
信號(hào)處理部分主要是對(duì)接入系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行電壓 變換、濾波等處理，以滿足測(cè)試儀信號(hào)采集模塊對(duì)被測(cè)信號(hào) 各測(cè)量參數(shù)的技術(shù)要求。
數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)導(dǎo)彈的測(cè)試流程和工作狀態(tài)，適時(shí) 地在絕緣測(cè)試與阻抗測(cè)量之間進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，對(duì)不同信號(hào)采 用不同的方法分別進(jìn)行采集，之后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，供DSP系 統(tǒng)讀取和分析處理。
外圍接口模塊根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求，完成對(duì)鍵盤指令 的讀取、測(cè)試信息的顯示及測(cè)試結(jié)果的打印等，系統(tǒng)還可以 通過串口采用RS232總線的方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，方 便測(cè)試程序的及時(shí)更新。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
一般來說，DSP的軟件開發(fā)大體有兩種形式：一種是直 接編寫匯編語言進(jìn)行編譯連接；另一種是編寫C語言程序， 用C語言優(yōu)化軟件進(jìn)行編譯連接。 為了標(biāo)準(zhǔn)化軟件開發(fā)流 程，系統(tǒng)采用成熟的C++語言進(jìn)行編寫，采用由頂向下的編

圖3   軟件系統(tǒng)測(cè)試流程圖
程方法，就是把整個(gè)問題劃分為若干大問題，每個(gè)大問題分 為若干小問題，如此把整個(gè)設(shè)計(jì)分成多個(gè)層次，上一層的程
序可以調(diào)用下一層的程序塊，這樣便于調(diào)試和檢驗(yàn)。根據(jù)DSP應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合導(dǎo)彈的測(cè)試流程，在完 成了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為便于調(diào)試、檢查和修改，采 用模塊化設(shè)計(jì)思想對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括監(jiān)測(cè)主 程序、自檢程序、數(shù)據(jù)采集程序、絕緣測(cè)試程序、阻抗測(cè)試 程序、超限報(bào)警程序等。本測(cè)試診斷儀各功能的實(shí)現(xiàn)是由鍵盤操作來完成的， 當(dāng)鍵盤上有鍵按下時(shí)，通過邏輯控制接口向DSP發(fā)出中斷申 請(qǐng)，根據(jù)鍵值和所處的菜單的編號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的程序，因此， 測(cè)試主程序是等待鍵盤命令，根據(jù)鍵盤編碼和所處的程序應(yīng)該執(zhí)行的功能轉(zhuǎn)入相應(yīng)的程序。完成后的軟件系統(tǒng)測(cè)試流程圖如圖3所示。

5 測(cè)試結(jié)果分析
利用現(xiàn)有的條件及儀器，我們以某一導(dǎo)彈電氣設(shè)備上 標(biāo)準(zhǔn)的100mΩ定值電阻為對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，所測(cè)得的阻值結(jié) 果如表1。
由表1測(cè)量結(jié)果知， 對(duì)同一試品進(jìn)行多次測(cè)量所得的 絕緣阻值最大值為100.334mΩ，最小值為99.751mΩ，滿足
0.5%的精度要求，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
6 結(jié)束語
本文針對(duì)導(dǎo)彈測(cè)試發(fā)射過程中電氣設(shè)備絕緣測(cè)試速度 較慢、智能化程度低的問題，提出了基于DSP的集數(shù)據(jù)采 集、顯示、分析診斷于一體的小型化和智能化絕緣測(cè)試儀的 設(shè)計(jì)，建立了絕緣檢測(cè)診斷的數(shù)學(xué)模型，采用抗干擾性能 好、高精度的I/V轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)絕緣電阻及漏電流等弱信 號(hào)的采集與處理；通過對(duì)DSP芯片及其外圍電路的設(shè)計(jì)，解 決了導(dǎo)彈電氣設(shè)備絕緣測(cè)試速度慢的問題，能實(shí)時(shí)地將測(cè)試 數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)判讀；采用快速傅立葉 變換進(jìn)行頻譜分析，分離各次諧波，設(shè)計(jì)了數(shù)字濾波器，提 高了系統(tǒng)的抗干擾能力。
經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠 性高，操作方便，提高了導(dǎo)彈電氣絕緣測(cè)試的速度和精度， 縮短了導(dǎo)彈測(cè)試發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，具有較好的軍事應(yīng)用價(jià)值。

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