，，

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

星上電纜自動導(dǎo)通絕緣測試儀的設(shè)計與開發(fā)

魏鵬，李志明，鄭麗得

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094)

星上電纜在航天器系統(tǒng)工程中起到了傳遞能量和信息的關(guān)鍵作用，并且其上天后具有不可修復(fù)性，這就決定了它在電性能檢測方面必須做到高質(zhì)量與高可靠;針對傳統(tǒng)人工方式進行導(dǎo)通絕緣測試時工作強度大、檢測效率低下和可信度低等缺點，設(shè)計并開發(fā)了一種星上電纜自動導(dǎo)通絕緣測試儀;該儀器基于模塊化設(shè)計的思想采用中央控制器對各個模塊單元進行控制來分別實現(xiàn)測試通道自動切換、測試電壓的供給、星上電纜導(dǎo)通絕緣電阻的數(shù)據(jù)采集、通訊、存儲和顯示;實踐結(jié)果表明，星上電纜自動導(dǎo)通絕緣測試儀一方面可以提高電纜導(dǎo)通絕緣測試的可靠性，增強質(zhì)量控制；另一方面，可以提高效率，節(jié)省生產(chǎn)周期，降低勞動強度。

星上電纜; 導(dǎo)通測試; 絕緣測試; 自動測試; 模塊化設(shè)計

0 引言

電纜常用于短距離內(nèi)電能的輸送和控制信號的傳遞，隨著自動化水平的逐步提升，火箭、衛(wèi)星等航天設(shè)備中使用的電纜日漸增多。而統(tǒng)計研究表明，航天設(shè)備中有超過20%的系統(tǒng)故障是由于電纜失效引起的，電纜發(fā)生故障已經(jīng)成為影響系統(tǒng)整體可靠性的一個極為重要的因素。因此對航天設(shè)備的電纜進行導(dǎo)通絕緣測試具有非常重要的意義[1-4]。

傳統(tǒng)的星上電纜導(dǎo)通絕緣測試主要是以人工逐點測試的方式進行，不同的測試方式需要不同的接線方式，因此需要人工多次接線，這種測試方式占用大量的人力和時間，對少量的電纜測試還可以適用，但是對于大量的電纜測試來說，依靠傳統(tǒng)的人工測量方法，不僅效率私下，檢測可靠性也差，并且極大的可能存在測試覆蓋性不全的情況[5-6]。

針對上述問題和測試工作中的實際要求，本文設(shè)計開發(fā)了一套星上電纜自動測試裝置。該裝置能夠自動完成電纜中被測信號的測試通道切換并具備相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、通訊、存儲和顯示功能，可以大幅度提高電纜測試的自動化程度和工作效率。

1 星上電纜自動導(dǎo)通絕緣測試儀測試原理

1)電纜的導(dǎo)通測試，即測試電纜內(nèi)部某兩接點構(gòu)成的閉合回路的導(dǎo)線阻值，原理如圖1所示。進行導(dǎo)通測試時，將被測的兩個接點同時接入測試通道，形成一個閉合的回路，然后測量該回路電壓值。根據(jù)歐姆定律計算得到被測阻值，然后根據(jù)回路阻值判斷所測電纜是否導(dǎo)通，如式(1)所示。

由歐姆定律，滿足：

(1)

得到：

(2)

式中，U為測試加載電壓；Ux為Rx的端電壓；Rx為待測電纜的阻值；R1為已知的標準限流電阻，R2為已知的標準分壓電阻。

2)電纜的絕緣測試采用了漏電流法測試，就是將電連接器的接點接入不同的測試通道，在測試通道間施加直流電壓，如果被測接點與另一被測接點之間絕緣，就不會產(chǎn)生漏電流，反之就會測到漏電電壓，原理如圖2所示。

根據(jù)全電路歐姆定律可知:

(3)

得到：

(4)

式中，U為測試加載電壓；U2為R2的端電壓；Rx為待測絕緣電纜的阻值；R1為已知的標準限流電阻，R2為已知的標準分壓電阻。

在測量出分壓U2后，便可根據(jù)上式計算出絕緣電阻Rx，并將其與輸入文件進行對比，進而判斷線纜是否絕緣。

圖1 導(dǎo)通測試原理圖 圖2 絕緣測試原理圖

2 硬件設(shè)計

2.1 星上電纜自動檢測系統(tǒng)硬件構(gòu)成

相對于體積較大的通用線纜測試儀，本檢測系統(tǒng)在硬件系統(tǒng)構(gòu)成上向小型化，集成化發(fā)展，使之成為能靈活適應(yīng)各種工況的電纜測試系統(tǒng)[7-10]。星上電纜自動檢測系統(tǒng)主要由中央控制單元、信號引入連接單元、繼電器開關(guān)控制單元、測試電壓產(chǎn)生單元、測試電路單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲與顯示單元和串行數(shù)據(jù)通訊單元等部分組成，其硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 星上電纜自動測試系統(tǒng)組成框圖

1) 中央控制單元：中央控制單元采用了EMB3680嵌入式工控機, EMB-3680是一款超低功耗3寸工業(yè)主板，采用AMD LX700 + CS5536芯片組，CPU頻率是600 MHz。配備了512 M的DDR333內(nèi)存，容量最大為1 GB。AMD LX700內(nèi)建圖形控制器，支持VGA/TFT/LVDS顯示輸出，支持4個USB2.0，4個COM口和2個10/100 Mbit/s自適應(yīng)以太網(wǎng)絡(luò)接口，提供1個PC104插槽。中央控制單元采用了串口方式來控制其他的執(zhí)行模塊.測試單元和輸出控制單元均采用C8051系列單片機,通過接收中央控制單元的信號來實現(xiàn)對各個模塊的實時控制.在系統(tǒng)中，根據(jù)不同的測試要求，編寫相應(yīng)的控制指令，存儲在DSP程序存儲器中。測試啟動后，控制器執(zhí)行相應(yīng)的指令代碼，實現(xiàn)對測試電壓產(chǎn)生單元、繼電器開關(guān)控制單元等其他單元的控制，并對采集的數(shù)據(jù)進行計算處理。

2) 信號引入連接單元：該單元主要由即插件DB-128與接線電纜組成，即插件將被測電纜插頭各插針(如128針插頭電纜，1-128管腳)信號全部引入繼電器開關(guān)的輸入端，如圖4所示，其中每個管腳的信號分別與相應(yīng)的兩個繼電器開關(guān)在電氣上連接，如管腳1 與開關(guān)K1-1、K1-2電氣連接，管腳2 與開關(guān)K2-1、K2-2電氣連接，以這種方式將全部被測信號引入測試系統(tǒng)中；

圖4 被測信號引入與開關(guān)控制設(shè)計框圖

3) 繼電器開關(guān)控制單元：該單元主要由繼電器開關(guān)和相應(yīng)的驅(qū)動控制電路組成。測量過程中，需要不斷的切換被測信號的測量通道，雖然電纜上的被測信號已被引入測試系統(tǒng)中，但是在電氣上是否被接入測量電路，由與之對應(yīng)的繼電器開關(guān)的通斷狀態(tài)決定，而繼電器開關(guān)控制單元就決定著開關(guān)的通斷狀態(tài)，是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部分。儀器的中央控制單元按照測量要求，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，通過驅(qū)動電路驅(qū)動繼電器控制端信號，實現(xiàn)對繼電器開關(guān)的控制，完成開關(guān)通斷狀態(tài)的自動切換；

4) 測試電壓產(chǎn)生單元和測試電路單元：測試直流高壓產(chǎn)生電路主要由變壓器升壓電路、倍壓整流電路、測量反饋電路等組成。工作原理是低壓直流電源經(jīng)過控制器產(chǎn)生可調(diào)脈寬和頻率的方波，經(jīng)過功率管斬波進入高壓脈沖變壓器進行升壓，然后再通過倍壓整流電路進行再升壓和整流，在高壓輸出端通過分壓電路進行反饋，使輸出電壓穩(wěn)定到要求的輸出電壓。通過控制器可以改變PWM的脈寬和頻率，從而實現(xiàn)電壓的可控輸出,輸出用于進行導(dǎo)通和絕緣測試時需要的穩(wěn)定直流電壓，相應(yīng)可產(chǎn)生50 V/100 V/250 V/500 V幅值的直流電壓；

5) 數(shù)據(jù)處理單元：本單元由AD轉(zhuǎn)換器和相應(yīng)的信號處理電路組成，信號處理電路包括信號放大電路和信號分壓電路，如圖5所示。中央控制單元根據(jù)不同的測量功能和測量范圍，發(fā)出相應(yīng)的控制命令，驅(qū)動信號處理電路對標準電阻兩端的信號進行處理，然后由AD采集處理后的電壓信號，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給中央控制單元。采樣電路通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，進入量程切換電路，控制器通過采樣輸入的電壓，根據(jù)采樣電壓的幅值，進行量程切換，改變放大器的放大倍數(shù)，使進入控制器的電壓信號始終在AD采樣電路的量程內(nèi)。

圖5 數(shù)據(jù)采集單元原理框圖

6) 數(shù)據(jù)存儲與顯示單元：該單元由EEPROM數(shù)據(jù)存儲器和LCD液晶顯示屏組成，其中，LCD采用7寸的真彩觸摸屏,顯示分辨率為600×800，并配有指示燈與蜂鳴器，顯示所有的測量信息，如測量通道、測量電壓、測量結(jié)果阻值等，可以很好地豐富人機交流界面，便于測試結(jié)果的獲??；同時，中央控制單元將處理后的測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線存儲到EEPROM中，使測試結(jié)果不丟失，便于測試結(jié)束后對測試數(shù)據(jù)進行讀取等操作;

7) 串行數(shù)據(jù)通訊單元：該單元主要由USB-UART橋接電路構(gòu)成，其核心為CP2102高度集成元件和串口收發(fā)器MAX223芯片。控制系統(tǒng)通過該單元把測試儀器中的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù)格式，上傳至PC機，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的存檔、備份、打印等功能，操作簡單靈活。系統(tǒng)以這種方式進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了基于USB的數(shù)據(jù)通訊，能充分利用USB技術(shù)的優(yōu)點，也是目前技術(shù)發(fā)展的趨勢。

2.2 主要技術(shù)指標

1)10 Ω量程電阻分辨率0.1 Ω，電阻測量波動小于±0.1 Ω；

2)100 kΩ量程電阻分辨率0.1 kΩ，電阻測量值波動小于±0.1 kΩ；

3)200 MΩ量程電阻分辨率0.2 MΩ，電阻測量值波動小于±0.2 MΩ；

4)測試精度優(yōu)于5%；

5)導(dǎo)通測試開路電壓4～6 V，最大短路電流小于100 mA；

6)絕緣測試電壓范圍0～500 V，步進50 V，絕緣電阻測量10～200 MΩ，精確度：±(10%+5 d)；

7)超過設(shè)定電壓115%時自動切斷，反應(yīng)時間小于0.5 ms；

8)測試點數(shù)128點，具備可擴展性；

9)顯示屏采用7寸的真彩觸摸屏,顯示分辨率為600×800；

10)單臺儀器重量不超過5 kg(測試引入插頭計算在內(nèi))；

11)使用充電電池持續(xù)工作時間6小時以上；

12)工作環(huán)境溫度0～40 ℃，相對濕度不大于75%；

13) 主控板采用低功耗嵌入式工控板,CPU為600 MHz,內(nèi)存512 M,存儲空間為4 G；

14) 繼電器開關(guān)觸點壽命優(yōu)于10萬次;

15) 整機平均無故障時間(MTBF)大于2萬小時。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

測試軟件選用C語言進行開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為Windows XP系統(tǒng)。軟件設(shè)計主要包括人機接口、處理程序、數(shù)據(jù)采集接口、數(shù)據(jù)庫四大部分。其中處理程序部分可將測試軟件按功能劃分為5個主要模塊，分別為：信息采集模塊、自檢程序、數(shù)據(jù)采集及控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和結(jié)論模塊。軟件系統(tǒng)構(gòu)成見圖6。

圖6 軟件系統(tǒng)構(gòu)成圖

3.2 接點表導(dǎo)入轉(zhuǎn)換程序

電纜接點表作為原始設(shè)計文件，是依據(jù)信號傳遞功能設(shè)計的，在測試時需依照電纜測試流程進行適應(yīng)性轉(zhuǎn)換，其原始形態(tài)如表1所示。

針對電纜測試，需對電纜編號確認，并依照對應(yīng)關(guān)系提取相應(yīng)信息轉(zhuǎn)換成標準測試接點表，詳細流程如下：

表1 電纜接點表樣例

1)判別電纜、電連接器的具體參數(shù)，依據(jù)電纜代號、分支編號以及始端和終端的電連接器代號及型號定義到電纜網(wǎng)中唯一的電連接器；

2)接點表需提取并轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信息依據(jù)以下規(guī)則：

通過接點信息識別與轉(zhuǎn)換之后的測試接點表見表2所示。

表2 測試接點表樣例

3.3 自檢程序

在開機后，不插入任何電連接器的情況下，通過點擊自檢按鈕，對線路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的所有接點進行導(dǎo)通絕緣檢查，自檢工作流程圖如圖7示。

圖7 自檢工作流程

1) 導(dǎo)通檢查方法為控制線路切換系統(tǒng)將測試點N依次同時接入、分別接入同一測試通道，測試其是否形成閉合通路，通路阻值是否符合導(dǎo)通判定，檢查的失效模式為線路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)失效、斷路、接觸不良、短路等；

2) 在導(dǎo)通檢查完成后，檢查方法為控制線路切換系統(tǒng)將測試點N連入測試通道A，其余所有未測試點連入測試通道B，將500 V電壓接入測試通道A與測試通道B，檢查通道間漏電流，判斷各點間的絕緣關(guān)系，檢查的失效模式為短路、多余物搭接等。

3) 重復(fù)導(dǎo)通絕緣過程，直到所有點全部進行測試。

3.4 測試主體程序

插入測試電纜后，通過運行處理程序中的數(shù)據(jù)采集及控制程序控制線路中繼電器的切換進入相應(yīng)測試通道，使檢測系統(tǒng)與被測電纜形成一個閉合回路，線路轉(zhuǎn)換控制，完成任意接點間通路、斷路切換測量，并通過控制數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)的采集；

運行數(shù)據(jù)處理程序判定數(shù)據(jù)采集卡測得的數(shù)據(jù)是否符合測試要求，導(dǎo)通測試時，會對同一測點在0.2 s內(nèi)進行3次測量，顯示均值。當讀取的數(shù)據(jù)的輸入值過小或過大時，數(shù)據(jù)處理程序產(chǎn)生對應(yīng)的處理信號，并通過軟件界面反饋給操作者。

測試過程中，人機交互模式為人工選取接點表，人工發(fā)出指令，機器自動測試。測試指令分為，導(dǎo)通測試，絕緣測試，完全測試3種，通過人機界面選取。圖8為本檢測系統(tǒng)的完整運行流程，系統(tǒng)可以依照對應(yīng)測試接點表進行點對點的導(dǎo)通絕緣測試，此外，系統(tǒng)還具備在出現(xiàn)問題時自動記錄并報警的功能[11-12]。

圖8 測試程序流程圖

3.5 絕緣測試程序

絕緣測試流程是測試主體流程的重要部分，本系統(tǒng)通過4個測試階段完成一個完整測試循環(huán)，確保數(shù)值讀取準確，產(chǎn)品安全可靠，如圖9所示。

1) 階段中，程序先進行一個低電壓(不大于12 V)，低電流(不大于0.001 A)的短接檢查，當確認施加電壓點未連通時方進行下面階段，保證安全性；

2) 階段為逐漸加壓過程，在0.5 s的升壓過程中如發(fā)生擊穿等現(xiàn)象，可以立刻切斷程序并記錄擊穿電壓及持續(xù)時間；

3) 階段為測量階段，達到所需電壓后，程序?qū)⒈３蛛妷涸诖怂揭欢螘r間后(1.5 s)進行測量，以確保測量數(shù)據(jù)可靠；

4) 階段為降壓階段，程序控制電壓迅速下降，并且斷開被測點。

圖9 絕緣測試流程圖

4 實物與應(yīng)用分析

星上電纜導(dǎo)通絕緣自動測試系統(tǒng)目前已應(yīng)用于遙感平臺衛(wèi)星低頻電纜導(dǎo)通絕緣測試，并在測試過程中自主研發(fā)了單根電纜手動測試箱。應(yīng)用此設(shè)備對某遙感平臺衛(wèi)星低頻電纜進行導(dǎo)通絕緣測試，經(jīng)過導(dǎo)通絕緣測試之后，測試系統(tǒng)將實測數(shù)據(jù)填入對應(yīng)測試結(jié)果矩陣表格相應(yīng)位置，并通過理論關(guān)系進行判斷。判斷標準為導(dǎo)通阻值小于10 Ω，絕緣阻值大于500 MΩ，對不符合要求的數(shù)值進行標紅報警處理，測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果見圖10。利用該設(shè)備完成整套電纜測試只需要2.5個小時，而之前人工測試往往需要2周以上的時間。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)夠自動完成電纜中被測信號的測試通道切換，可大幅度降低工作強度，提高工作效率。

圖10 部分測試數(shù)據(jù)及結(jié)果

5 結(jié)論

本檢測系統(tǒng)通過模塊化設(shè)計進行系統(tǒng)搭建，具備集成度高，響應(yīng)速度快，精度高，安全可靠的優(yōu)點。通過在衛(wèi)星總裝測試過程中試用證明，該測試儀能夠滿足星上電纜的導(dǎo)通絕緣測試需求，能夠?qū)Ω鞣N型號低頻電纜的導(dǎo)通性、絕緣電阻等電氣性能參數(shù)進行自動測量，并能全面快速地檢測電纜中可能存在的隱患，提高測試速度，縮短導(dǎo)通絕緣測試時間，提高衛(wèi)星總裝生產(chǎn)效率。

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DesignandDevelopmentofAutomaticCableBorneInsulationTestInstrumentforSatellite

Wei Peng, Li Zhiming, Zheng Lide

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094 China )

Satellite Cable plays a key role in the transfer of energy and information in spacecraft system engineering, and it is not repairable after liftoff, which determines that it must be of high quality and high reliability in electric performance. In view of the disadvantages of the traditional manual mode of conduction test and insulation test, such as high work intensity, low detection efficiency and low reliability, this paper designs and develops an automatic detection instrument. The instrument is based on the idea of modular design with the central controller for each module control unit to respectively realize test channel automatic switching, the test voltage supply, the star cable conduction insulation resistance data acquisition, communication, storage and display. The practice has shown that the cable automatic insulation test instrument can not only improve the reliability of the conduction and insulation test, but also enhance the quality control. On the other hand, it can improve the efficiency, save the production cycle, and reduce the labor intensity.

Satellite Cable; Conduction Test; Insulation Test; Automatic Testing; Modular Design

2017-06-09；

2017-07-09。

魏 鵬(1984-)，男，碩士研究生，工程師，主要從事數(shù)字化研制、信息化管理系統(tǒng)等方向的研究。

1671-4598(2017)10-0305-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.078

TP216

A