导弹电气设备在线绝缘测试仪的设计与实现

引言
     导弹能否顺利发射，很大程度上取决于电气设备绝缘 的可靠性，电气设备绝缘测试是导弹发射前必须要做的一 项工作。随着导弹武器装备自动化测试水平的提高，电气设 备的绝缘裕度相应减少，目前导弹电气设备绝缘测试的方法 是在仪器设备不供电的前提下，通过外部绝缘测试仪进行检 查，具有一定盲目性，并且测试时间相对较长，本文在此基 础上提出了导弹电气设备在线绝缘测试仪的设计研究。导弹 电气设备绝缘在线监测是在不改变仪器设备连接的情况下， 从被测设备上取得电压、电流信号，从中分析计算出设备绝 缘泄漏电流、绝缘电阻等参数，并由此判断设备绝缘状况。 由于它能迅速、准确地监测工作中设备的绝缘状况，为导弹 顺利发射并准确命中目标提供可靠的保证。

1 国内外现状分析
目前绝缘在线监测技术正往两个方向发展，一个方向 是多功能、全自动的绝缘在线监测系统，即用计算机控制 实现自动监测、自动记
录、自动报警。这种监 测系统引入专家系统， 发展成为绝缘检测诊断 系统，可以对所有需要 监测的电气设备实行巡 回监测，也可对特定电 气设备跟踪监测，灵活方便，实现绝缘监测的

图1  信号采集原理图
全面自动化和综合自动化。另一方向是发展便携式绝缘监测仪，可由工作人员带 到现场，对设备进行的绝缘状况进行定期或不定期的在线 监测。便携式绝缘监测仪与绝缘在线监测系统最大的不同在 于：后者是利用PC机通过高级语言编写的程序进行数据处 理及控制功能的，而前者是利用单片机或者DSP通过固化在 芯片中的程序实现各种功能的。
针对导弹电气设备绝缘测试的特殊性，汲取两者的优 点设计了便携式导弹电气设备绝缘在线监测仪，由于具有仪 器体积小、重量轻、携带方便、价格低廉等优点，并且由于 传感器直接安装固定在被测设备附近，省去了集中式控制系 统所必需的多路开关及庞大繁杂的屏蔽电缆布线系统，具有 较好的应用前景。

2  绝缘检测的原理与方法
绝缘监测的任务是要确定设备的绝缘状况，评估绝缘 的缺陷及劣化的程度。对于发射车等地面设备的绝缘在线监 测，常常选择测量其工作电压下流过设备绝缘的电流I，绝 缘的电容量C，以及其绝缘电阻R等参数。
由于所要测得的参数均为微弱信号（小于10mA），直 接测量比较困难，需要通过程序控制，在数据采集端对被测 电器施加激励电压，测取流经回路的微电流并传输至DSP处 理模块进行处理。在忽略导弹测试电缆电阻误差及环境温度 等因素影响的前提下，信号采集原理如图1所示。
通过对导弹上的仪器设备施加相应的激励电压，可以 测量得到标准电阻R2上的电压值，然后依据欧姆定律，将
图2  系统硬件组成框图

表1 测试结果
电压值转换成所对应的电阻值，模数转换电路将所测得的电 阻模拟量转换为数字量，提供给DSP处理器，从而可以判断 电路的绝缘性能。
图1中待测的绝缘电阻为R x，R1为已知的标准限流电 阻 、 R 2 为 已 知 的 分 压 电 阻 ， 当 测 试 电 路 中 加 上 激 励 电 压 后，由欧姆定律可得：
Uo=Ui*R2/(Rx+R1+R2)
因此，Rx = Ui * R2/ Uo－( R1+ R2)
由于现场信号较容易受到干扰，必须采用质量优良、 抗干扰能力强的传感器 ，以使微弱信号不畸变地传到采集 系统。对采集到的电压电流信号，经过硬件的、软件的抗干 扰处理，使用DSP进行数学运算，然后显示或者打印处理结 果。在采集过程中，由于需要对所采集的信号进行快速傅立 叶频谱分析，所以采得的信号电压范围要适合DSP进行模数 转换，这可以通过估计阻值以及漏电流范围，并调节回路阻 抗来实现。同时，由于要进行频谱分析，所以采样率必须高 于所要分析频谱的2倍。在对信号进行频谱分析处理之后， 可以得到基波、各次谐波的幅值以及相位，进而可以计算出 所测量的绝缘电阻值。相比较传统的测量方法，本装置最大 的特点是充分利用现代数字信号处理技术对信号进行有的放 矢的处理，以得到所要求的结果。

3 系统硬件设计与实现
根据导弹电气设备绝缘测试的应用需求，在对绝缘检 测理论分析总结的基础上，结合该导弹电气设备绝缘测试的 原理和特点，以小型化和智能化为目标，利用成熟的嵌入式 DSP系统和先进的智能检测技术，确定了以DSP为核心的导 弹电气设备在线绝缘测试仪的硬件结构，如图2所示。由图2可以看出， 信号转接箱主要是
为了适应不同型号不同批次的导弹而设计 的，在信号转接箱上有针对各种型号不同 批次的接插件，测试过程中要根据具体导 弹的型号和批次，连接相应的插座，在设 计过程中，采用了防插错技术，确保导弹 型号批次选择正确。
导弹电气设备在线绝缘测试仪以嵌入 式DSP系统为核心，采用模块化设计，设 计了信号隔离模块、信号处理理模块、数 据采集模块、测试仪自检模块、电源及管 理模块、外围接口模块等6个模块，提高
了系统的集成度，并实现了测试仪的小型化。
测试仪自检模块主要是为测试仪提供激励信号源。在 仪器自检时，DSP系统控制自检激励信号接入测试系统，同 时断开外部输入通道，使测试仪在不影响被测设备的前提 下，保证测试仪能够可靠地工作。
信号隔离模块是针对所需测量的信号数量多、部分信 号可能对被测点进行干扰等问题，根据导弹测试的流程， DSP系统适时控制相关测点信号接入测试仪的数据处理模 块，同时断开无关测点与测试仪的电气连接，从而保证测试 仪不会对被测试导弹产生影响。
信号处理部分主要是对接入系统的监测信号进行电压 变换、滤波等处理，以满足测试仪信号采集模块对被测信号 各测量参数的技术要求。
数据采集模块根据导弹的测试流程和工作状态，适时 地在绝缘测试与阻抗测量之间进行状态转换，对不同信号采 用不同的方法分别进行采集，之后进行模数转换，供DSP系 统读取和分析处理。
外围接口模块根据系统的实际要求，完成对键盘指令 的读取、测试信息的显示及测试结果的打印等，系统还可以 通过串口采用RS232总线的方式与上位机进行数据交换，方 便测试程序的及时更新。

4 系统软件设计与实现
一般来说，DSP的软件开发大体有两种形式：一种是直 接编写汇编语言进行编译连接；另一种是编写C语言程序， 用C语言优化软件进行编译连接。 为了标准化软件开发流 程，系统采用成熟的C++语言进行编写，采用由顶向下的编

图3   软件系统测试流程图
程方法，就是把整个问题划分为若干大问题，每个大问题分 为若干小问题，如此把整个设计分成多个层次，上一层的程
序可以调用下一层的程序块，这样便于调试和检验。根据DSP应用系统的特点，结合导弹的测试流程，在完 成了系统硬件设计的基础上，为便于调试、检查和修改，采 用模块化设计思想对系统软件进行了设计，主要包括监测主 程序、自检程序、数据采集程序、绝缘测试程序、阻抗测试 程序、超限报警程序等。本测试诊断仪各功能的实现是由键盘操作来完成的， 当键盘上有键按下时，通过逻辑控制接口向DSP发出中断申 请，根据键值和所处的菜单的编号执行相应的程序，因此， 测试主程序是等待键盘命令，根据键盘编码和所处的程序应该执行的功能转入相应的程序。完成后的软件系统测试流程图如图3所示。

5 测试结果分析
利用现有的条件及仪器，我们以某一导弹电气设备上 标准的100mΩ定值电阻为对象进行试验，所测得的阻值结 果如表1。
由表1测量结果知， 对同一试品进行多次测量所得的 绝缘阻值最大值为100.334mΩ，最小值为99.751mΩ，满足
0.5%的精度要求，达到了系统的设计目标。
6 结束语
本文针对导弹测试发射过程中电气设备绝缘测试速度 较慢、智能化程度低的问题，提出了基于DSP的集数据采 集、显示、分析诊断于一体的小型化和智能化绝缘测试仪的 设计，建立了绝缘检测诊断的数学模型，采用抗干扰性能 好、高精度的I/V转换，实现了对绝缘电阻及漏电流等弱信 号的采集与处理；通过对DSP芯片及其外围电路的设计，解 决了导弹电气设备绝缘测试速度慢的问题，能实时地将测试 数据进行保存，并实现了数据的自动判读；采用快速傅立叶 变换进行频谱分析，分离各次谐波，设计了数字滤波器，提 高了系统的抗干扰能力。
经多次实验应用，结果表明，该系统工作稳定，可靠 性高，操作方便，提高了导弹电气绝缘测试的速度和精度， 缩短了导弹测试发射准备时间，具有较好的军事应用价值。

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