测点可配置集成化弹载火工品阻值测量系统的制作方法

1.本发明涉及电子测量技术领域，特别涉及一种带有测试电缆干扰抑制的测点可配置集成化火工品阻值测量系统。


背景技术：

2.火工品是一类受到外界刺激后产生燃烧或爆炸的一次性使用的元器件或装置的总称，正是因为其具有燃烧或爆炸的特性，一旦发生故障常常会造成巨大的损失和人员伤亡，所以对火工品的各种电气属性的测量就十分重要。
3.传统的火工品阻值测量装置虽然可以获得较高的测试精度，但是体积一般较大，虽然可以应用于大多数场景，但是弹上设备对测试装置的体积与重量有着十分严格的要求，因此不适用于弹上设备的测试。现有的多路电阻测试装置，大都是在通电后对各电阻通路轮询测阻值，这种不可灵活配置测点的测试方法，测试效率较低，尤其是待测通路数量很多的情况。
4.另外，火工品设备电路设计复杂，而且保密性要求高，因此要求测试设备能够做到不开箱测试，而传统的阻值测量装置大都需要通过外接表笔进行测量，这样的测量方式既不符合不开箱测试的要求，也容易由于表笔接触不当引入误差。
5.因此，亟待解决现有技术中火工品设备中小电阻测量精度不高以及设备不便携的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
7.为此，本发明的目的在于提出一种测点可配置集成化弹载火工品阻值测量系统。
8.为达到上述目的，本发明实施例提出了测点可配置集成化弹载火工品阻值测量系统，包括：可编程的2端电流源、至少一个光电固态继电器a、至少一个光电固态继电器b、运算放大器、模数转换器、j30j连接器和核心板，其中，所述可编程的2端电流源与所述至少一个光电固态继电器b连接，所述至少一个光电固态继电器b分别与所述j30j连接器和所述核心板连接，所述j30j连接器与所述至少一个光电固态继电器a连接，所述至少一个光电固态继电器a分别与所述运算放大器和所述核心板连接，所述运算放大器与所述模数转换器连接，所述模数转换器与所述核心板连接。
9.本发明实施例的测点可配置集成化弹载火工品阻值测量系统，通过j30j连接器及线缆传输电压信号，很大程度上减低了电压损耗，既提供了很高的测量精度，也可以避免开箱测试，同时，对外仅留有j30j连接器接口，所有的控制指令与测试数据均通过该连接器传递，具有高集成化的优点，确保了电路连接简单，操作方便；采用j30j连接器，测试过程中不需要更换设备的外部连接，只需要通过配置不同继电器的通断来实现测12个通路的电阻，即具有测点可配置的优点，测试效率高，且电路设计具有电缆干扰抑制的作用，有效提高了装置的测试精度；另外，还采用光电固态继电器来实现控制测试通路，所使用的继电器具有
体积小、外围电路简单无需驱动的特点，使得本发明体积可以做到很小：装置总重量为300g，体积为106mm*103mm*30mm，即体积小重量轻，使得其适用于弹载测试系统。
10.另外，根据本发明上述实施例的测点可配置集成化弹载火工品阻值测量系统还可以具有以下附加的技术特征：
11.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光电固态继电器a和所述光电固态继电器b的数量均根据待测电阻的数量决定，且所述光电固态继电器a的数量与所述光电固态继电器b的数量相同。
12.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述可编程的2端电流源用于提供4ma的测试电流。
13.进一步地，在本发明的一个实施例中，当对一个待测电阻进行测量时，使用于所述j30j连接器的接口与待测电阻连接，通过所述j30j连接器将所述光电固态继电器b流出的4ma电流导入所述待测电阻中，再通过所述j30j连接器将经过所述待测电阻的电压传输给所述光电固态继电器a。
14.进一步地，在本发明的一个实施例中，当对n个待测电阻进行测量时，使用所述j30j连接器的接口与所述n个待测电阻连接，通过所述j30j连接器将n个光电固态继电器b流出的4ma电流分别导入所述n个待测电阻中，再通过所述j30j连接器将经过所述n个待测电阻的电压分别传输给对应的n个光电固态继电器a。
15.进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述至少一个光电固态继电器b中irx_p引脚和irx_n引脚均为低电平，其对应的光电固态继电器a中vrx_p引脚和vrx_n引脚均为低电平时，则上述光电固态继电器a和光电固态继电器b导通；当所述至少一个光电固态继电器a中vp_rx引脚和vn_rx引脚获得待测电阻两端的电压值时，通过其引脚adcin 和引脚adcin
‑
将所述电压值传递给所述运算放大器。
16.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述运算放大器的型号为ad8552ar，偏置电压仅为1μv，漂移量为0.005μv/℃，用于将所述光电固态继电器a传出的电压进行数据调理。
17.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述模数转换器将所述运算放大器调理后的电压转化为数字量，并传给所述核心板中的处理器进行计算处理，获得待测电阻的电阻值。
18.进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：eeprom存储器，与所述核心板连接，用于存储待测电阻的电阻值；sd存储电路，与所述核心板连接，用于备份待测电阻的电阻值；电压源模块，分别与所述可编程的2端电流源、所述至少一个光电固态继电器a、所述至少一个光电固态继电器b、所述运算放大器、所述模数转换器、所述j30j连接器、所述核心板、所述eeprom存储器和所述sd存储电路连接，用于供电；外接5v电源，用于分别与所述可编程的2端电流源、所述模数转换器、所述核心板连接，用于供电。外接5v电源在电压源模块转换得到3.3v和1.8v电压，用于给sd存储电路、eeprom存储器、模数转换器、运算放大器、继电器a与继电器b供电。外接27v电源，经转换后得到5v、3.3v、1.8v电压，用于给所述其他模块供电。
19.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述外接5v电压和所述j30j连接器提供的27v电压可选择任一种形式供电，当选择所述27v电压供电时，需要焊接电阻。
20.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变
得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
21.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
22.图1是本发明一个实施例的测点可配置集成化弹载火工品阻值测量系统的结构示意图；
23.图2是本发明一个实施例的串联电阻测试电路图；
24.图3是本发明一个实施例的测试电流流向示意图；
25.图4是本发明一个实施例的电压转换电路图；
26.图5是本发明一个实施例的tps7a89电路连接示意图；
27.图6是本发明一个实施例的4ma电流源设计电路图；
28.图7是本发明一个实施例的继电器控制测电阻通路开断示意图；
29.图8是本发明一个实施例的信号调理电路连接示意图；
30.图9是本发明一个实施例的模数转换电路连接示意图；
31.图10是本发明一个实施例的eeprom电路连接示意图；
32.图11是本发明一个实施例的sd存储电路接口电路。
33.附图标记说明：
34.10
‑
测点可配置集成化弹载火工品阻值测量系统、101
‑
可编程的2端电流源、102
‑
至少一个光电固态继电器a、103
‑
至少一个光电固态继电器b、104
‑
运算放大器、105
‑
模数转换器、106
‑
j30j连接器、107
‑
核心板、108
‑
eeprom存储器、109
‑
sd存储电路、110
‑
电压源模块和111
‑
外接电源。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的测点可配置集成化弹载火工品阻值测量系统。
37.图1是本发明一个实施例的测点可配置集成化弹载火工品阻值测量系统的结构示意图。
38.如图1所示，该系统10包括：可编程的2端电流源101、至少一个光电固态继电器a102、至少一个光电固态继电器b103、运算放大器104、模数转换器105、j30j连接器106和核心板107。
39.其中，可编程的2端电流源101与至少一个光电固态继电器b103连接，至少一个光电固态继电器b103分别与j30j连接器106和核心板107连接，j30j连接器106与至少一个光电固态继电器a102连接，至少一个光电固态继电器a102分别与运算放大器104和核心板107连接，运算放大器104与模数转换器105连接，模数转换器105与核心板107连接。
40.进一步地，本发明实施例中的可编程的2端电流源101选用lt3092型号来提供4ma
电流作为测试电流，其中，电流源芯片lt3092是非常稳定的，没有输入和输出电容，近乎为0漂移的运放对电压进行处理，提供高直流和交流阻抗，这保证了测量结果的高准确性。
41.进一步地，本发明实施例中光电固态继电器a102和光电固态继电器b103的数量均根据待测电阻的数量决定，且光电固态继电器a102的数量与光电固态继电器b103的数量相同。举例而言，当只对一个待测电阻进行测量时，则选用一个光电固态继电器a和一个光电固态继电器b，当对两个待测电阻进行测量时，则选用两个光电固态继电器a和两个光电固态继电器b，其中，待测电阻1通过j30j连接器106与光电固态继电器a1和光电固态继电器b1连接，待测电阻2同样通过j30j连接器106与光电固态继电器a2和光电固态继电器b2连接。
42.具体地，当对一个待测电阻进行测量时，使用于j30j连接器106的接口与待测电阻连接，通过j30j连接器106将光电固态继电器b103流出的4ma电流导入待测电阻中，再通过j30j连接器106将经过待测电阻的电压传输给光电固态继电器a102。
43.具体地，当对n个待测电阻进行测量时，使用j30j连接器106的接口与n个待测电阻连接，通过j30j连接器106将n个光电固态继电器b流出的4ma电流分别导入n个待测电阻中，再通过j30j连接器106将经过n个待测电阻的电压分别传输给对应的n个光电固态继电器a。
44.进一步地，本发明实施例再进行电路设计时让继电器的一个控制引脚接高电平，那么另外一个输入脚为低电平时继电器导通。在测试过程中，如果想更换测试通路，只需要控制不同的引脚输出低电平即可实现控制测试电流的走向，从而达到测不同通路的目的，即具有测点可配置的优点。以测电阻通路选择图为例进行说明：测试第一路电阻阻值时，将信号引脚ir1_p、ir1_n、vr1_p、vr1_n设置为低电平即可，测试第x路电阻阻值时，将信号引脚irx_p、irx_n、vrx_p、vrx_n设置为低电平即可。
45.如图2所示，对测试串联电阻的情况做出说明：例如测试前三个电阻(r1、r2、r3)串联时的电阻，则需要控制测试电流从i_in_r1脚流入，从i_out_r3脚流出，并从vp_r1脚和vn_r3脚测量电压，因此需要配置继电器引脚ir1_p、ir3_n、vr1_p、vr3_n为低电平，其他继电器引脚为高电平即可，测量其他任意两点之间的电压电阻与之类似。本发明实施例中所使用的继电器型号是aqw216ehax，属于双刀双掷的光电固态继电器，具有高灵敏度、响应速度快的特点，其关断状态下最大漏电流仅为1ua。
46.可以理解的是，在某些应用场合，对时间的要求比较高，需要快速完成对所有通道电阻阻值的测量，本发明实施例中采用aqw216ehax的高速响应的优势就得到了体现。所使用的继电器具有体积小、外围电路简单无需驱动的特点，使得本发明体积可以做到很小，体积小重量轻使得其适用于弹载测试系统。
47.进一步地，本发明实施例中的运算放大器104选用ad8552ar型号，偏置电压仅为1μv，漂移量为0.005μv/℃，当测试电流在待测电阻两端产生电压后，光电固态继电器a102将这个电压值传递给运算放大器进行数据调理。
48.进一步地，本发明实施例将调理过后的模拟电压值转换为数字量，至此可通过电阻与电压和电流的关系得到待测电阻的阻值。本发明实施例并没有通过电压表接触测量电压，而是将电阻两端的电压通过连接器传递给继电器组，进一步传递给模数转换电路，得到电压值的数字量，从而可以做到不开箱测试，所有功能全集成于模块内部，即高集成化。
49.可选地，本发明实施例还包括：eeprom存储器108、sd存储电路109、电压源模块110和外接电源111，其中，eeprom存储器1058与核心板107连接，用于存储待测电阻的电阻值；
sd存储电路109与核心板107连接，用于备份待测电阻的电阻值；电压源模块110分别与可编程的2端电流源101、至少一个光电固态继电器a102、至少一个光电固态继电器b103、运算放大器104、模数转换器105、j30j连接器106、核心板107、eeprom存储器108和sd存储电路109连接，用于供电；外接电源111用于分别与可编程的2端电流源101、模数转换器105、核心板107连接，用于供电；外接电源111经过电压转换后得到3.3v和1.8v电压，用于给至少一个光电固态继电器a102、至少一个光电固态继电器b103、运算放大器104、模数转换器105、eeprom存储器108和sd卡109等模块供电。
50.需要说明的是，需要说明的是，外接电源111和j30j连接器106可选择任一种形式供电，当选择j30j连接器提供27v电压时，需要焊接电阻。
51.接下来，本发明实施例提出的测点可配置集成化弹载火工品阻值测量系统的使用方法为：首先确认j30j连接器106与待测电阻通路连接，电路连接完成之后，连接外接电源111或通过j30j连接器106提供电源，固化的程序就会启动，依次测所有通路的电阻，通过给定一个稳定4ma的输入电流源101，通过核心板107给光电固态继电器b103的控制端写入高电平时，该路上的光电固态继电器均处于断开的状态；当给定光电固态继电器b103输入低电平时，这一路继电器导通，即4ma电流经过此路光电固态继电器b103流向j30j连接器106，该电流通过光电固态继电器b103，经过74针j30j连接器106后流入到相应的电阻，再经过待测电阻后会在待测电阻两端产生一个电压，将电阻两端的电压通过j30j连接器106再传光电固态继电器a102，通过运算放大器104对电压信息进行调理(试电阻的精度与输入电流源的精度和ad转换的精度直接相关)，并经模数转换器105进行模数转换后得到相应的电压值，将模数转换后得到的电压的数字量传递给核心板zynq107中的arm处理器，计算得到电阻值，若测量多个电阻，则只需由核心板zynq107将相应的光电固态继电器a102和光电固态继电器b103设置为导通，其他几组光电固态继电器设置为断开即可，最后将所测电阻阻值会存在sd存储电路109中，可以查看sd存储电路109中的数据获取电阻信息，还可连接一台上位机，串口中会打印出电阻的信息。
52.需要说明的是，本发明实施例中的待测电阻的通路为12路，12路电阻测量误差均小于0.05ω，可增加继电器组的数量从而达到具有测更多路电阻的能力，同时，测试结果精度高。
53.下面通过一个具体实施例对本发明实施例提出的测点可配置集成化弹载火工品阻值测量系统进一步说明。
54.(一)设计电压源模块
55.(1)5v电压
56.本发明实施例设计采用了两种方式得到5v电压，一种是通过电源接口直接从外部接入5v电压，另外一种是通过66脚的j30j连接器从外部接入27v电压，然后通过电压转换芯片转换得到5v电压。实际应用中如果使用第一种供电方式，则不需要焊接电阻r1；若是如果第二种方式进行供电，则需要焊接电阻r1。
57.本发明实施例设计中使用型号为urb2405ymd
‑
15wr3的dc/dc模块电源实现27v电压转5v电压，其电路连接方式如图3和4所示。urb2405ymd
‑
15wr3输出电压为5v，满载效率min/typ高达88％/90％，具有输入欠压保护，输出过压、过流、短路保护功能，这样保证了整个设计工作电压的稳定。
58.(2)3.3v及1.8v电压
59.tps7a89是一款双路、低噪声、低压降稳压器，每通道具有2a的拉电流能力，其最高压降仅为104mv，tps7a89的输出电压精度(整个线路、负载和温度范围内)达1％。tps7a89电路连接方式如图5所示，其两个通道的输出电压与电阻之间满足如下公式：
60.v
outx
＝v
fbx
×
(1 r
1x
/r
2x
)(其中v
fbx
＝0.8v)
ꢀꢀ
(1)
61.r
1x
＝(v
outx
/v
fbx
‑
1)
×
r
2x
ꢀꢀ
(2)
62.r
2x
<v
ref
/5ua (其中v
ref
＝0.8v)
ꢀꢀ
(3)
63.电路图中电阻与公式中电阻的对应关系为：公式中r1x对应电路图中的r2与r7，r2x对应r4与r10。为了得到3.3v电压，需要选用电阻阻值为r2＝33.2kω，r4＝10.7kω，则输出电压按第一个公式计算得：
64.v
out1
＝v
fb1
×
(1 r2/r4)＝3.2822v，近似于3.3v。
65.为了得到1.8v电压，需要选用电阻阻值为r7＝13.7kω，r10＝11.0kω，输出电压为：
66.v
out2
＝v
fb2
×
(1 r7/r
10
)＝1.7964v，近似于1.8v。
67.实际在几个电源测试点所测试到的电压分别为5.0v、3.28v、1.79v，与理想状况下需要的5.0v、3.3v、1.8v虽有略微差异，但是能够满足系统正常工作的条件。
68.(二)4ma电流源设计
69.lt3092是一个稳定的可编程的2端电流源，没有输入和输出电容，提供高直流和交流阻抗，且其具有反电压保护，反电流保护，短路保护和热关闭滞后等优点。它只需要两个电阻就可以将输出电流设定在0.5ma到102ma之间。本设计中采用的芯片型号为lt3092its8#trpbf，芯片大小为3mm
×
3mm。
70.由该芯片的使用手册可以得知其输出电流iout满足：
71.i
out
＝v
set
/r
out
＝(10ua
×
r
set
)/r
out
.
72.如图6所示，rout采用两个49.9ω的电阻串联，rset使用两个80k的电阻并联，所以i
out
＝(10ua
×
40000)/100＝4000ua＝4ma，得到4ma电流源，得到的这个4ma电流将通过待测电阻，此后采集电阻两端的电压，计算后得到待测电阻的阻值。
73.(三)通路选择控制电路
74.两个aqw216ehax组成一组测电阻的通路，共需要测12个电阻，也就是24个aqw216ehax继电器，如图7所示，其工作原理如下：ir1_p、ir1_n、vr1_p、vr1_n通过板对板连接器与核心板相连，当这四个引脚给定输入高电平时，这两个继电器均处于断开的状态；当这四个引脚给定输入低电平时，这两个继电器均导通，即4ma电流会从u10的8脚流入，从u10的7脚流出，经过74针j30j连接器后流入到相应的电阻，电阻的另一端经j30j连接器与u10的第5脚相连，而其第5脚与地相连，从而形成一个回路。由于u14也处于导通状态，所以电阻两端的电压vp_r1,vn_r1会传递给adcin 与adcin
‑
，经模数转换后得到相应的电压信息，此时电压与电流的信息均已知，从而可以得到相应的电阻阻值；若想测其他电阻，只需要将相应的继电器设置为导通，其他几组继电器设置为断开即可。
75.(四)信号调理电路
76.如图8所示，为了提高采集信号的质量、有效去除环境造成的噪声干扰，将前端信号送入运算放大器，接入方式采用差模输入方式。ad8552是高精度运算放大器(ad8552是
cmos放大器，通过自动调零实现高精度)，可以在单电源电压下运行。其共模抑制比高，典型偏置电压小于1μv，允许该放大器易于配置为高增益，而没有过度输出电压误差的风险。极其微小的温度漂移5nv/℃保证了其准确性。
77.(五)模数转换电路设计
78.如图9所示，经过运放处理后，再将电压信息vop与von传递给模数转换芯片将其转换为数字量。设计中采用ads1259进行模数转换。ads1259是一款高线性、低漂移、24位模数转换器(adc)，专为工业过程控制、精密仪器和其他精确应用而设计。与运算放大器相结合，形成了一个高分辨率、高精度的测量系统，能够对广泛的信号进行数字化。该变换器具有出色的线性性能。数据速率可编程高达14ksps，包括10sps,50sps和60sps。ads1259还提供了集成的低噪声，极低漂移2.5v参考。片上振荡器、外部晶体或外部时钟可以用作adc时钟源。
79.ads1259是高精度的ad转换器，为了得到最佳的转换结果，在应用期间要注意外围电路和印刷电路板设计。在模拟电源和数字电源的输入端一般要并联一个旁路电容和一个去耦电容，防止电源波动对ads1259的性能造成影响，注意电容要尽量靠近引脚。另外，在使用ads1259时，还应注意以下几点：1)模拟电源和数字电源分别供电；2)为ads1259选取高质量的基准电压源，基准电压源的噪声和漂移都会影响采集系统的性能。
80.(六)数据存储电路设计
81.如图10所示，93lc56b器件是2kbit低电压串行电可擦prom(eeprom)，提供专用的16位通信。其先进的cmos技术使之具有低功耗、非易失性存储器等特点。需要注意的是当vcc接入电压低于其典型电压1.5v时，所有的工作模式都被抑制。
82.(七)sd存储电路接口电路
83.如图11所示，zynq处理器系统sd/sdio外设通过bank 1/501mio[10，40～45]来和sd存储电路进行通信。zynq mio使用1.8v电平，sd存储电路接口使用3.3v电平。采用ti公司生产的txs02612电平转换芯片来完成3.3v电平与1.8v电平的转换，txs02612是设计用来连接手机基带和外部sdio外设的，该器件包括一个6通道spdt开关，具有电压电平转换能力，此处选用b0通道。
[0084]
txs02612具体型号为txs02612rtwr，所使用的sd存储电路内存为16gb，可满足设计需求。
[0085]
综上，本发明实施例提出的测点可配置集成化弹载火工品阻值测量系统，通过只需要通过改变12路继电器的通断就可以实现改变测试通路，所以更改测试通路时不需要改变电路的连接方式，即有效解决了电阻测量过程中不方便直接测量、易误触其他器件、测点不可配置等问题；还使用ac7021核心板处理指令以及进行数据运算，zynq芯片的ps系统集成了两个arm cortex
tm
‑
a9处理器，使得具有更强的数据运算能力，方便后续在现有基础上扩展其他功能，比如在现有设计的基础上添加hdmi接口，以此替换掉sd存储电路存储功能，这样可以做到对所测电阻的实时显示；并添加usb接口，并编写用户操作界面，这样可以做到用户直接通过鼠标键盘操作用户界面就达到测量所选通路电阻的功能，并实时显示；另外通过24bits模数转换芯片将待测电阻两端的电压值转换成数字量，而后在程序中通过电压与电流的关系计算得到其阻值，避免了使用电压表测量电压，并且这样的测量方式可以有效地抑制测试电缆带来的干扰；最后本发明实施例集成化程度高，总重量为350g，体积为106mm*103mm*55mm，体积小巧，适用于弹上设备的测试。
[0086]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0087]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0088]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。