CN106249088B - 一种航天器火工品线路电子等效测试装置 - Google Patents

Abstract

一种航天器火工品线路电子等效测试装置，设计了火工品线路电子等效测试装置，用集成电路的方法设计实现火工品起爆电路中各项参数的检测，并采用固态功率控制器(SSPC)触点切换的方式选择起爆电阻值(起爆通路)，模拟火工品起爆线路中正常状态、短路、断路以及其他异常工作状态。解决了以往航天器火工品起爆电路测试中必须使用真实火工品所带来的不可重复使用、危险系数大、试验经费高、起爆电流大小测不到等具体问题。

Description

一种航天器火工品线路电子等效测试装置

技术领域

本发明涉及一种航天器火工品线路电子等效测试装置，属于航天器火工品起爆测试技术领域。

背景技术

航天器发射前，要对航天器上火工品起爆线路进行测试。传统的火工品起爆测试是用真实火工品起爆完成，测试人员肉眼观查起爆结果，根据起爆结果得出是否能够正常起爆的结论，即只有是与否的定性判断，对起爆电压、电流值、线路中桥丝电阻值变化量等定量指标无法测得。

随着电子在线测试技术的不断发展，火工品等效器在火工品起爆测试中逐渐得到应用。火工品等效器分为两种，一种是传统火工品等效器，另一种是传统电子火工品等效测试装置。传统火工品等效器内部有一个电阻，阻值约为千欧量级，接入到火工品起爆线路中，当检测到线路中的火工品起爆电流后，通过等效器中电阻进行分压采集，进行指示灯显示。传统火工品等效器只能检测起爆线路中能否正常接收起爆电流，但具体起爆电流值、电压值大小无法测得，对于火工品起爆测试的具体参数情况无法进行详细分析。传统电子火工品等效测试装置在传统火工品等效器的基础上，采用FPGA、

CPLD、单片机等控制器件作为MCU控制单元，霍尔传感器为测量器件，对起爆线路中电压值、电流值进行采集，可以在传统火工品等效器检测起爆线路能否正常接收起爆电流的基础上，还能对电流值和电压值参数进行具体测量，对起爆电流供电品质进行具体分析。

上述两种火工品测试装置不足之处如下：传统火工品等效器只能测试起爆线路的通断，不能对起爆电流、起爆电压值进行测试。由于不同型号上电源系统电缆网长度不同，造成电缆阻值不同，对起爆线路中电流值会造成影响，若起爆电流过小，可能造成线路无法正常起爆。使用传统火工品等效器，可能出现起爆线路能够正常连通，即火工品等效器上能够正常接收到起爆电流，指示灯显示正常，但实际起爆线路中由于电缆网阻值较高，线路中实际起爆电流较小，使得火工品起爆电流达不到起爆水平，火工品无法正常起爆。所以，传统火工品等效器存在电流、电压值测不到等缺陷，火工品起爆试验中测试覆盖性差，发生故障后，无法进行数据分析，难以查找故障原因。

传统电子火工品等效测试装置，在传统火工品等效器基础上，解决了火工品起爆测试中电流值、电压值等具体参数无法采集的问题，能够对测试数据进行保存，便于开展测试分析，进行故障定位。但由于设计思路的局限性，传统电子火工品等效测试装置仅仅考虑了火工品起爆试验的理想测试流程，即火工品接收到起爆电流后正常起爆，火工品起爆充分，测试正常结束。但实际火工品起爆测试中，火工品接收到起爆电流后，由于火工品个体状态差异(如阻值、温度、湿度、材料特性等)，电缆网长度、试验环境温度等因素，可能会出现不能正常起爆的异常情况，包括火工品不起爆，起爆不充分造成粘连等异常情况。传统电子火工品等效测试装置无法对火工品起爆线路中桥丝电阻接收到起爆电流后，无法正常起爆的异常状态进行测试。由于无法模拟火工品起爆测试中完整的测试流程、测试覆盖性差、存在异常状态测不到、火工品起爆异常后电源系统工作情况无法掌控等关键设计缺陷。航天器在执行飞行任务过程中，若发生火工品起爆异常，必然对电源系统、乃至整个航天器飞行任务的成败造成不可估量的恶劣影响。

为克服真实火工品发火测试时，不可重复使用、测试成本高、在火工品起爆瞬间，发火线路中发火电流等状态参数瞬时值不易采集，起爆后线路出现异常状态难以掌握等缺点，需要一种火工品线路电子等效测试的技术。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服传统分布式测试技术的不足，提供了一种航天器火工品线路电子等效测试装置，解决了不可重复使用，测试经济性差等问题、解决了真实火工品起爆测试中危险性大的问题、解决了真实火工品起爆测试过程中起爆电流等参数不易采集等问题。

本发明的技术解决方案是：

一种航天器火工品线路电子等效测试装置，包括：霍尔电流传感器H1、第一三端稳压器、第二三端稳压器、直流电源、蜂鸣器、数码管显示电路、MCU芯片、保险管M1、光耦隔离电路、固态功率控制器、电阻R1、R2和R3；

直流电源通过第一三端稳压器给霍尔电流传感器H1供电，同时，直流电源还通过第二三端稳压器给MCU芯片和数码管显示电路供电；火工品起爆线路的正端通过保险管M1连接到固态功率控制器的输入端，霍尔电流传感器H1测量火工品起爆通路的工作电流，并将采集到的电流值送入MCU芯片，MCU芯片将接收到的电流值进行模数转换，之后通过数码管显示电路将电流值大小显示出来，同时，MCU芯片还将模数转换之后的电流值与预设阈值进行比较，如果超出阈值范围，则控制蜂鸣器报警；

固态功率控制器的输出连接四个通路，第一通路为通过电阻R1连接到火工品起爆线路的负端，第二通路为通过电阻R2连接到火工品起爆线路的负端，第三通路为通过电阻R3连接到火工品起爆线路的负端，第四通路为直接连接到火工品起爆线路的负端；

MCU芯片根据预设的工作模式，通过光耦隔离电路控制固态功率控制器进行通路切换。

所述电阻R1的阻值为1欧姆，最大耐受功率不低于100W，电阻R2的阻值为10欧姆，最大耐受功率不低于90W，电阻R3的阻值为100欧姆，最大耐受功率不低于9W。

固态功率控制器到火工品起爆线路负端之间的通路中，默认接通的为第一通路，接通时间为从霍尔电流传感器H1采集到起爆电流到之后的第

20ms，从第21ms到第200ms之间，MCU芯片控制固态功率控制器对第二通路、第三通路和第四通路进行切换，或者MCU芯片控制固态功率控制器断路。

所述MCU芯片采用CPLD芯片、单片机芯片或者FPGA芯片实现。

还包括USB变换模块，MCU芯片和上位机之间通过该USB模块进行数据交换。

所述直流电源提供9V～12V之间的输出。

火工品起爆线路的工作电压为25V～31V。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明使用固态功率控制器(SSPC)控制起爆线路的切换，即模拟真实火工品起爆中出现的各种工作状态进行切换，包括正常起爆、异常起爆后的火工品粘连(模拟存在粘连电阻10欧姆、100欧姆、短路)、异常无法起爆(即断路)等情况，解决了测试覆盖性低、部分测试状态无法掌握等设计缺陷。

(2)本发明根据真实火工品起爆测试流程，编辑嵌入式测试软件，模拟真实火工品起爆过程中异常状态，进行故障注入。实现MCU根据测试流程控制固态功率控制器(SSPC)进行起爆线路状态切换，实现火工品起爆测试全周期覆盖的完整测试。

(3)本发明使用大功率电阻，即耐受100W功率的1欧姆、10欧姆、100欧姆电阻，实现本发明的小型化设计，并且达到火工品起爆重复性测试的目的。

(4)本发明使火工品起爆测试具备重复性，提高了测试的安全性，并具备可观的经济性。同时，对火工品瞬时起爆时线路中起爆电流等不易采集的状态参数可以严格掌控，存储后上传给上位机进行直观显示。提高了火工品起爆线路的测试效率，降低了测试过程中的危险性，在航天型号火工品起爆线路测试应用中具备很好的推广效应

附图说明

图1为本发明航天器火工品线路电子等效测试装置电路原理图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明针对现有技术的缺点，设计了火工品线路电子等效测试装置，用集成电路的方法设计实现火工品起爆电路中各项参数的检测，并采用固态功率控制器(SSPC)触点切换的方式选择起爆电阻值(起爆通路)，模拟火工品起爆线路中正常状态、短路、断路以及其他异常工作状态。解决了以往航天器火工品起爆电路测试中必须使用真实火工品所带来的不可重复使用、危险系数大、试验经费高、起爆电流大小检测不到等具体问题。

本发明火工品线路等效测试装置模拟真实火工品接入起爆线路，对经过等效器内部模拟火工品桥丝电阻的起爆电流进行测试，并通过数码管进行显示，对短路、断路等异常状态进行蜂鸣器报警，并通过USB数据总线对上位机传输测试数据，在上位机上可以显示测试结果、构成波形图、进行存储和打印。

火工品线路等效测试装置具有不同工作模式选择切换功能，在采集到正常发火电流后，经过预定的时间间隔，可以对等效器内部测试通路进行模式切换，将正常模拟1欧姆火工品起爆桥丝电阻的测试通路按照预先选定的工作模式，切换为短路、断路、桥丝电阻异常增加到10欧姆、桥丝电阻异常增加到100欧姆等四种特殊测试通路，并对这四种工作模式下测试通路中电流等状态参数进行采集，并通过数码管显示电路进行显示，采集结果同时经处理器分析后，对短路和断路采集结果进行蜂鸣器报警处理。

不同工作模式的切换由四选一固态功率控制器(SSPC)设计实现。等效器接入起爆线路测试加电前，对工作模式选择开关的状态进行调整，选取合适的工作模式后，火工品起爆测试后会进行自动切换。工作模式中10欧姆电阻、100欧姆电阻采用功率电阻实现，具有功率大、体积小等优点。

火工品线路等效测试装置通过霍尔电流传感器非接触式检测起爆线路中起爆电流，并送入处理器进行采集分析，测试电流值可以通过数码管显示电路进行实时显示，并对短路、断路等异常状态进行蜂鸣器报警。测试数据经保存处理后，可以通过USB接口传送给上位机，在上位机上处理显示。其中，USB接口支持USB2.0协议的数据通信。

如图1所示，本发明提供的一种航天器火工品线路电子等效测试装置，包括：霍尔电流传感器H1、第一三端稳压器、第二三端稳压器、直流电源、蜂鸣器、数码管显示电路、MCU芯片、保险管M1、光耦隔离电路、固态功率控制器、电阻R1、R2和R3；MCU芯片采用CPLD芯片、单片机芯片或者FPGA芯片实现。

直流电源通过第一三端稳压器给霍尔电流传感器H1供电，同时，直流电源还通过第二三端稳压器给MCU芯片和数码管显示电路供电；直流电源提供9V～12V之间的输出，火工品起爆线路的正端通过保险管M1连接到固态功率控制器的输入端，霍尔电流传感器H1测量火工品起爆通路的工作电流，并将采集到的电流值送入MCU芯片，MCU芯片将接收到的电流值进行模数转换，之后通过数码管显示电路将电流值大小显示出来，同时，MCU芯片还将模数转换之后的电流值与预设阈值进行比较，如果超出阈值范围，则控制蜂鸣器报警；火工品起爆线路的工作电压为25V～31V。

固态功率控制器的输出连接四个通路，第一通路为通过电阻R1连接到火工品起爆线路的负端，第二通路为通过电阻R2连接到火工品起爆线路的负端，第三通路为通过电阻R3连接到火工品起爆线路的负端，第四通路为直接连接到火工品起爆线路的负端；

MCU芯片根据预设的工作模式，通过光耦隔离电路控制固态功率控制器进行通路切换。固态功率控制器到火工品起爆线路负端之间的通路中，默认接通的为第一通路，接通时间为从霍尔电流传感器H1采集到起爆电流到之后的第20ms，从第21ms到第200ms之间，MCU芯片控制固态功率控制器对第二通路、第三通路和第四通路进行切换，或者MCU芯片控制固态功率控制器断路。

电阻R1的阻值为1欧姆，最大耐受功率不低于100W，电阻R2的阻值为10欧姆，最大耐受功率不低于90W，电阻R3的阻值为100欧姆，最大耐受功率不低于9W。

本发明电路中，MCU芯片和上位机之间通过USB模块进行数据交换。

本发明通过霍尔电流传感器采集到起爆电流，并由MCU进行数据处理，当采集到的电流值超过MCU中预设的阈值时开始计时，此时，起爆线路中状态为具有阻值为1±0.2欧姆桥丝电阻。计算满20ms后，MCU发送控制指令给固态功率控制器(SSPC)，根据MCU中预先设定的工作状态，实现火工品起爆后出现异常状态的模拟测试，切换到短路、断路、存在10欧姆粘连电阻或存在100欧姆粘连电阻的具体状态。随后，在异常测试状态下，测试电源系统的各项参数，并保存测试数据。在200ms以后，火工品起爆电流消失，测试周期结束。将保存下来的测试数据通过高速数据总线接口回传上位机，在上位机操作界面进行波形显示，并将模拟故障状态下电源系统各项工作参数加入数据库进行比对，对火工品起爆测试地面数据库进行补充完善，建立更全面的数据模型，为后续其他型号模拟地面真实火工品起爆测试提供数据支持。

火工品线路等效测试装置实施方法如下：

1.在航天型号地面火工品起爆测试试验中，将火工品线路等效测试装置接入起爆线路。预先调整工作模式选择开关，根据开关状态选取不同的工作模式，等效器加电工作后，测试起爆线路中起爆电流等状态参数。检查完成后，经过固定的时间间隔，四选一固态功率控制器对选定的工作模式进行切换，改变测试通路状态；

2.在选定的工作模式下，对测试通路中通过的电流等状态量进行采集，并将采集结果送入处理器进行数据分析。处理器根据采集结果，控制数码管显示电路对外显示，对检测到的异常短路、断路状态进行蜂鸣器报警，并将本次测试结果进行保存；

3.当火工品线路等效测试装置检查到连接USB上位机时，可以通过上位机控制软件，对等效器内部存储的测试数据进行提取，并在上位机显示界面处形成波形，上位机对测试数据进行保存、打印等后续操作；

4.测试完成后，断开火工品线路等效测试装置与起爆线路的连接，关闭等效器供电电源，火工品发火测试结束。

实施例：

使用本发明模拟真实火工品参加起爆测试，采集到的起爆电流值通过数码管显示电路可以进行实时显示。将显示的起爆电流值通过与提供起爆电流的高精度电源上输出电流显示值进行数据比对，发现测试误差为0±0.03A，精度指标远超其他火工品等效器，具体指标见表1。

表1本发明与其他火工品等效器测试指标对比

同时，与火工品起爆测试中使用真实火工品相比，具有的经济性效益如表2所示。

表2本发明与真实火工品经济性指标对比

火工品等效器虽然经济性指标表现优异，但只具备发火线路通断测试，不具备模拟桥丝电阻，不能采集起爆过程状态参数，无法完成火工品起爆测试，故不具备对比性。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种航天器火工品线路电子等效测试装置，其特征在于包括：霍尔电流传感器H1、第一三端稳压器、第二三端稳压器、直流电源、蜂鸣器、数码管显示电路、MCU芯片、保险管M1、光耦隔离电路、固态功率控制器、电阻R1、R2和R3；

直流电源通过第一三端稳压器给霍尔电流传感器H1供电，同时，直流电源还通过第二三端稳压器给MCU芯片和数码管显示电路供电；火工品起爆线路的正端通过保险管M1连接到固态功率控制器的输入端，霍尔电流传感器H1测量火工品起爆通路的工作电流，并将采集到的电流值送入MCU芯片，MCU芯片将接收到的电流值进行模数转换，之后通过数码管显示电路将电流值大小显示出来，同时，MCU芯片还将模数转换之后的电流值与预设阈值进行比较，如果超出阈值范围，则控制蜂鸣器报警；

固态功率控制器的输出连接四个通路，第一通路为通过电阻R1连接到火工品起爆线路的负端，第二通路为通过电阻R2连接到火工品起爆线路的负端，第三通路为通过电阻R3连接到火工品起爆线路的负端，第四通路为直接连接到火工品起爆线路的负端；

MCU芯片根据预设的工作模式，通过光耦隔离电路控制固态功率控制器进行通路切换。

2.根据权利要求1所述的一种航天器火工品线路电子等效测试装置，其特征在于：所述电阻R1的阻值为1欧姆，最大耐受功率不低于100W，电阻R2的阻值为10欧姆，最大耐受功率不低于90W，电阻R3的阻值为100欧姆，最大耐受功率不低于9W。

3.根据权利要求1所述的一种航天器火工品线路电子等效测试装置，其特征在于：固态功率控制器到火工品起爆线路负端之间的通路中，默认接通的为第一通路，接通时间为从霍尔电流传感器H1采集到起爆电流到之后的第20ms，从第21ms到第200ms之间，MCU芯片控制固态功率控制器对第二通路、第三通路和第四通路进行切换，或者MCU芯片控制固态功率控制器断路。

4.根据权利要求1所述的一种航天器火工品线路电子等效测试装置，其特征在于：所述MCU芯片采用CPLD芯片、单片机芯片或者FPGA芯片实现。

5.根据权利要求1所述的一种航天器火工品线路电子等效测试装置，其特征在于：还包括USB变换模块，MCU芯片和上位机之间通过所述USB模块进行数据交换。

6.根据权利要求1所述的一种航天器火工品线路电子等效测试装置，其特征在于：所述直流电源提供9V～12V之间的输出。

7.根据权利要求1所述的一种航天器火工品线路电子等效测试装置，其特征在于：火工品起爆线路的工作电压为25V～31V。