某型引信自动测试系统接口适配器的设计

姜景伟，李国林，周鹏飞

(海军航空工程学院，山东 烟台 264001)

接口适配器的设计是综合集成测试系统设计的关键，大量测试信号汇集于此并在此完成分配，在测试资源与被测试设备之间起桥梁作用［1］。接口适配器的作用主要有以下两个方面，一是对测试信号进行机械连接，二是对信号信号进行电气连接［2］。在机械连接方面，由于被测试设备的测试接口各不相同，通过接口适配器匹配种类繁多的被测设备接口和PXI仪器接口的连接，大量的连接线路都置于适配器内，增加了系统的集成度，缩短了系统的展开及撤收时间，提高测试效率;在电气连接方面，激励、控制、待测及电源信号都通过适配器内部电路进行传输，并完成各信号的调理，包括隔离、滤波、整形、限幅和多路切换等，完成各信号与测试资源的匹配。

接口适配器一般有2种设计方案［3］，一种是多适配器方案，即为每个待测组件单独设计接口适配器，该方案虽设计方便、结构简单，但待测组件较多时，会增加研制周期及测试系统的规模;另外一种是单适配器方案，即对各待测组件的信号分类处理，设计一个接口适配器，该方案虽然设计难度较大、结构复杂，但在多组件情况下，能很好地缩短研制周期、减小测试系统的规模。根据测试需求，结合部队的实际使用情况，单适配器设计方案比较适合本设计。

1 接口适配器的总体设计

某型引信系统由9个功能模块组成，测试时需对每个功能模块单独进行测试，经过测试需求分析，决定设计基于PXI总线的自动测试系统，所需的测试资源包括1台PXI机箱、9块PXI板卡、1块集成电源模块，为实现测试信号的可靠交联，设计如图1所示的接口适配器方案。

图1 接口适配器总体设计

适配器的设计采用测试信号集中互联的思想［4］，共设计了3种测试连接接口，包括测试资源接口、电源接口和待测组件接口。其中测试资源接口位于接口适配器的前面板上，通过电缆连接测试资源;电源接口同样位于接口适配器的前面板上，通过电缆连接集成电源模块;待测组件接口位于接口适配器的后面板上，通过电缆连接待测组件。测试信号由某型引信经接口适配器输送至测试资源共需经过3次分配。测试信号由某型引信送至待测组件接口进入适配器内，实现测试信号的第1次分配;在适配器内部按测试信号的类型(模拟信号、数字信号、电源信号等)进行分类传输，并完成部分信号的调理，将信号分类汇集到前面板的测试资源接口及电源接口，实现测试信号的第2次分配;测试信号由测试资源接口输送至测试资源模块接口的过程中，实现测试信号的第3次分配。

2 信号调理电路设计

测试信号多种多样，不是所有的测试信号都能够很好的与测试资源的采集范围相匹配，对于相匹配的测试信号，经接口适配器中的连接电缆送入测试资源进行采集;对于不匹配的测试信号，在送入测试资源进行采集前，需要经过接口适配器中相应的调理电路对其进行调理，完成采集前的匹配转换［5］。

2.1 分压电路设计

某型引信系统输出的模拟量电压信号需由多功能采集卡中的AD通道进行采集，AD通道允许的输入电压值范围在-10 V到+10 V之间，而引信系统输出的模拟量电压信号的幅值达到了几十伏级甚至上百伏级，远远超过了采集卡的采集范围，需对其进行分压转换处理送至采集卡采集。

本设计使用东芝公司推出的TLP521-4型光电耦合器，通过测试资源中的数字I/O卡对相应管脚置低电平，程控选通不同阻值的电阻接入分压回路中，在一个电路中实现不同倍数的分压，之后经射随器输出，满足不同电压信号的分压需求。设计的电路及电路仿真结果如图2所示。仿真以27 V输入电压为例，选通R1(10 k)接入分压电路，理论上输出电压为6.75 V，仿真结果为6.725 V，设计的电路具有较好的分压效果，符合预期。

图2 分压电路设计及仿真

2.2 电流测量电路设计

在对某型引信系统的测试过程中，要对其功能模块正常工作时消耗的电流测量，确保其消耗的电流值能够在战技指标要求的正常范围内。希望设计的测试系统能够在不影响系统组件中电路的电气参数的前提下，完成对系统组件工作消耗的电流进行高精度的测量。通过零磁通式霍尔电流传感器可实现电流的“非接触”测量［6］。设计电路如图3所示。

图3 电流测量电路

电路中的测量电阻Rm选用阻值为100 Ω的精密电阻，传感器采用±15 V双端供电。为减少电源对测量电路产生的干扰，电路中的供电端要设置去耦电容接地，通过0.1 μF的去耦电容滤去10 MHz以下的噪声，通过10 μF的去耦电容滤去高频噪声。

2.3 滤波及放大电路设计

引信系统某功能模块输出的待测试电压信号幅值很小(为10 mV级别)，远低于AD采集板卡的最小输入电压范围，且易受外界噪声信号干扰，如果将其直接输入采集板卡进行采集，将在AD转换过程中引入很大的误差，使测试结果的精度大大降低，得到的测试数据不能反映系统工作组件的真实工作状况，因此在采集前应进行滤除干扰噪声及放大处理［7］。

由于待测信号为直流信号，外界产生的干扰主要有高频杂波干扰和工频(50 Hz)干扰。本文设计的滤波电路如图4所示，采用二级串联形式，其中第一级设计为无源低通滤波器，主要用来滤除待测信号中的高频杂波干扰信号;第二级设计为带阻滤波器，主要用来滤除待测信号中的工频干扰信号。仿真图中通道A(蓝色)是未经过滤波处理的波形，待测信号完全淹没在干扰噪声中;通道B(绿色)是经过设计的滤波器处理后的波形，信号幅值在29.4 mV到30.5 mV间波动，能很好地将干扰信号滤去并还原出待测信号，滤波电路的效果达到预期。

图4 滤波电路设计及仿真图

设计AD采集前端放大电路的目的是放大需要采集的待测信号，使其接近AD采集卡的转换量程，提高测量精度。为了更好地抑制噪声对待测信号产生的干扰，在设计的信号放大电路中使用德州仪器(TI)公司推出的共模抑制比的很高三运放仪表放大器INA333。电路设计如图5所示。其中INA333的单端供电形式要求放大器输入信号幅值要大于0.1 V，而本设计中待测信号幅值为几十mV，因此必须采用双端供电形式。

图5 放大电路设计

设计电路的放大倍数为

将RG设为5 kΩ，能实现待测信号的21倍放大。

3 矩阵开关设计

测试资源中的源测量单元只有4路可编程电源输出，而待测组件需要10路激励信号，为充分利用测试资源，减小测试系统规模，可通过设计4×10矩阵开关，将板卡输出的4路可编程电源信号切换到引控外源系统中需要激励信号的各待测组件中。矩阵开关设计中选用松下公司推出的DSP1a-DC12V单刀单掷电磁继电器;选用大电流传输比(CTR)的达林顿型光电耦合器TLP523-4作为继电器的前端选通，起到隔离数字I/O卡和提高电流驱动能力的作用;选用达林顿管ULN2003D选通继电器后端，并起吸收电流作用。通过数字I/O卡对光耦及达林顿管相应管脚置高低电平，即可选通相应行和列，矩阵开关及驱动电路如图6所示。

图6 矩阵开关及其控制电路

对图6电路进行仿真，仿真结果如图7所示。仿真中由于元器件库的限制，使用TLP521替代TLP523，由于TLP521的CTR较低(50% ～100%)，需要适当提高IF，通过开关J1、J2对光耦和达林顿管置高低电平，控制继电器K1的通断。从仿真结果中得知，当分别对光耦和达林顿管的相应管脚置高电平时，即可接通相应行、列的继电器，因此，设计的电路符合要求。

4 抗干扰设计

接口适配器中接线复杂，汇集着大量的测试信号，设计过程中应充分考虑连接电缆信号传输质量及信号间的干扰问题。

4.1 接地设计［8］

测试信号的接地方式有单点接地和多点接地［9］，单点接地适用与低频信号，可消除公共阻抗耦合和地环路对测试信号的影响，多点接地适用于高频信号，可消除共模电压对测试信号的影响。测试信号的频率在1 MHz以下时，要采用单点接地设计;测试信号频率在1～10 MHz之间且接地线较短时(小于波长的二十分之一)要采用单点接地设计，否则采用多点接地设计;测试信号频率超过10 MHz时，采用多点接地设计。

为减少外界电场在测试信号输送过程中的对测试信号产生干扰，系统中的信号输送电缆应使用经过接地处理的金属屏蔽体屏蔽［10］。整个系统选择测试资源的接地点为参考接地点，适配器接地点及待测组件接地点应与其相连。

图7 矩阵开关及其控制电路仿真图

4.2 测试信号分类传输

为减少各不同类型的测试信号之间的相互干扰，在适配器内部将测试信号按其类型(模拟信号、数字信号、电源信号等)进行分类传输，对每类信号设计专用传输通道。

4.3 测试资源分时静默，减少干扰

测试过程中，在同一时刻，只会使用测试资源中的1个或其中的几个，这时未被使用的测试资源的输出就会对正在使用的测试资源产成干扰，通过软件设计使未被使用的测试资源静默(不产生输出)，从而减少干扰。

5 结束语

接口适配器设计是自动测试系统的关键技术之一，本文依托于某型引信自动测试系统设计，设计了适合该引信自动测试系统的接口适配器。首先介绍了接口适配器的总体设计及工作过程，着重介绍了适配器内部信号调理电路的设计，给出设计电路并进行仿真验证，之后设计了矩阵开关及其驱动电路，说明其工作工程，并完成仿真验证，最后提出接口适配器的抗干扰设计。

［1］王勇.某型雷达自动测试系统适配器的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2009，17(4):711-714.

［2］胡林.自动测试系统通用接口适配器设计［J］.四川兵工学报，2013，34(3):86-88.

［3］于进勇.自动测试系统通用适配器研究［J］.仪表技术，2012，21(2):5-8.

［4］李行善，于劲松.自动测试技术系统集成技术［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［5］潘逢群.基于LABVIEW的虚拟示波器的设计与实现［J］.电子测量技术，2012，35(3):78-81.

［6］王敬苗.用于无线能量传输的高频电流测量技术研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2010.

［7］赵亮.微弱信号调理电路的设计及研究［J］.西南科技大学学报，2010，25(1):64-67.

［8］安捷伦科技有限公司.仪器接地及测量技术探讨［J］.国外电子测量技术，2002(5):35-37.

［9］郭银景.电磁兼容原理及应用教程［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［10］唐俊.基于DSP的交流电量采集及其电磁兼容性能研究［J］.电子电力技术，2009，43(5):65-67.