智能電纜測試系統的設計原理及工程應用

　　本文提出了一種針對航空多芯電纜故障檢測的新方案，并闡述了系統構成和測試原理。

　　1 測試系統構成

　　電纜測試系統主要由工控機系統，單片機系統和繼電器陣列三部分構成。其中工控機負責人機交互和數據處理，單片機系統控制硬件電路完成相應動(dòng)作，繼電器陣列負責響應譯碼電路的請求將外部電纜接入測試系統。單片機和工控機通過(guò)USB進(jìn)行通信。如圖1所示。

　　其中：硬件電路系統選用AT80C52單片機作為控制核心，主要包括導通測試電路，絕緣測試電路，譯碼電路，繼電器陣列，A/D采樣電路，高壓產(chǎn)生電路和USB通信電路等;單片機軟件則能夠依據接收到的命令控制硬件設備完成各個(gè)電纜的性能測試。

　　工控機選用研華的IPC-610工業(yè)控制計算機作為終端，負責人機交互和數據交換。電纜測試系統的軟件主要由人機界面和數據處理部分構成，人機界面將操作者輸入的信息轉化成相應的命令，控制單片機進(jìn)行不同的操作;數據處理部分對測試數據進(jìn)行比對和修正后，建立測試數據及其端口信息的數據庫，最終生成被測設備端口的導通和絕緣關(guān)系，并提供顯示和打印等功能。

　　繼電器陣列由3168個(gè)繼電器實(shí)現了1536個(gè)測試點(diǎn)之間的導通/絕緣測試和繼電器組之間的隔離。1 536個(gè)測試點(diǎn)分布在12塊單板上面，每塊單板上面有128個(gè)測試點(diǎn)，單板內又分為16行，每行8列，即12×16×8=1 536。每一個(gè)測試點(diǎn)由兩個(gè)繼電器控制，分別是輸入繼電器(Kat)和輸出繼電器(Kab)。每塊單板對應外部的一個(gè)128芯的航空插頭，負責和被測產(chǎn)品的連接。其原理如圖2所示。

　　2 測試系統的原理

　　電纜測試系統硬件部分以單片機為控制核心，主要分為導通測試電路，絕緣測試電路和繼電器譯碼電路三大部分，各部分工作原理如下所述。

　　2.1 導通測試部分

　　由于導通電阻很小，一般為歐姆級，容易受到外界干擾的影響，惠斯登電橋的兩臂同時(shí)對電源的微小變化做出反應，將輸出信號送入差分放大器，從而消除了共模干擾，可以提高測試的準確性。其原理如圖3所示。

　　在圖3中：R1，R2和R3組成基準電路;R4，R5和Rx串聯(lián)起來(lái)組成主測試回路。當待測電阻Rx為零時(shí)，調整R1使電橋處于平衡狀態(tài)，即U1=U2，電路輸出約為零，同時(shí)產(chǎn)生基準比較電壓U1。在電路正常工作情況下，Rx串聯(lián)進(jìn)入電路后，電橋的平衡被打破，U2變小，U1和U2經(jīng)過(guò)運放OP497的隔離后送入差分放大器INA145進(jìn)行放大，放大后的電壓信號送入12位精度的MAX197進(jìn)行采樣。

　　2.2 絕緣測試部分

　　對于絕緣測試電路而言，由于輸入測試電壓為500～1 000 V，對干擾不太敏感，所以絕緣測試電路采用相對簡(jiǎn)單的電阻分壓法來(lái)實(shí)現。

　　在圖4中：Rx為被測兩根導線(xiàn)間的絕緣電阻;Kat，Kab分別是Rx的輸入控制繼電器和輸出控制繼電器，由譯碼電路選通，二極管D1保護電源;R1，R2和R3組成分壓測試電路，R4為限流電阻，C1為了濾除雜波的干擾，測試回路的分壓值經(jīng)運放后輸入放大電路;MAX6176為高精度低噪聲基準電源，經(jīng)過(guò)分壓電路和跟隨器后為放大電路INA145提供基準比較電壓，INA145把放大后的信號送給MAX197進(jìn)行采樣。

2.3 繼電器譯碼電路

　　繼電器譯碼電路的作用是在單片機的控制下將1 536個(gè)測試點(diǎn)中的某兩個(gè)測試點(diǎn)接入相應的測試電路。比如譯碼電路選中測試點(diǎn)1的輸入繼電器Kat和測試點(diǎn)2的輸出繼電器Kab，外部的被測電纜通過(guò)這兩個(gè)測試點(diǎn)接入相應的測試電路，從而實(shí)現了導通或者絕緣測試。為了實(shí)現這樣的功能譯碼電路可以分為地址鎖存電路，輸入繼電器譯碼電路和輸出繼電器譯碼電路。以輸入地址鎖存電路為例，其原理如圖5，圖6所示。

　　單片機P0口作為數據總線(xiàn)將地址信號送給鎖存器74HC573，同時(shí)P2.4，P2.5，P2.6，P2.7驅動(dòng)HC138譯碼器形成鎖存有效信號，使地址信號鎖存在74HC573，由于地址信號為11位，所以需要單機發(fā)送兩次地址信息。

　　當11位地址準備完畢后，由單片機發(fā)送地址有效信號，將地址信號送給譯碼電路。譯碼電路原理如圖7所示。

　　輸入繼電器譯碼電路和輸出繼電器譯碼電路具有相同的電路結構，以輸入繼電器譯碼電路為例，可以分為三級譯碼電路，每一級譯碼電路由總線(xiàn)隔離芯片 74HC245，3～8線(xiàn)譯碼器74HC138和其他邏輯控制電路組成。第一級譯碼電路由11位地址信號中的AT10，AT09，AT08，AT07組成，負責選擇12塊單板中的某一塊;第二級譯碼電路由AT06，AT05，AT04，AT03組成，負責選擇某塊單板中的某一行;第三級譯碼電路由

　　AT02，AT01，AT00組成，負責選擇某塊單板中的某一列，這樣行列交叉就選中某一個(gè)測試點(diǎn)的輸入繼電器驅動(dòng)電路，從而將該測試點(diǎn)接入了測試電路。地址信號在單板與單板之間經(jīng)過(guò)74HC245的隔離，防止其驅動(dòng)能力下降。輸出繼電器的選擇過(guò)程完全一樣，不再贅述。

　　3 工程應用方案研究

　　3.1 電纜測試系統工作流程

　　電纜測試系統由單片機和工控機共同作用來(lái)實(shí)現，工控機的人機交互界面將操作者輸入的信息通過(guò)USB發(fā)送給單片機，單片機根據這些命令啟動(dòng)相應的外設，實(shí)現相應的測試功能。電纜測試系統可實(shí)現系統自檢，全部導通/絕緣測試，單獨兩點(diǎn)之間導通/絕緣測試和指定區間內兩點(diǎn)間導通/絕緣測試。單片機的工作流程如圖 8所示。

　　下面以導通電阻測試為例來(lái)說(shuō)明電纜測試系統的工作流程：當被測產(chǎn)品通過(guò)轉接電纜接入電纜測試系統后，操作者通過(guò)參數設定來(lái)選擇被測產(chǎn)品的型號。當單片機接收到全部導通測試的命令，首先閉合測試點(diǎn)1的輸入繼電器，其次依次閉合第2個(gè)測試點(diǎn)的輸出繼電器，第3個(gè)測試點(diǎn)的輸出繼電器到第m個(gè)測試點(diǎn)的輸出繼電器(m∈[2，1 536]);當閉合測試點(diǎn)n的輸入繼電器(n∈[2，1 535])后，依次閉合測試點(diǎn)m的輸出繼電器(m∈[n+1，1 536])。每閉合一次輸出繼電器，采樣一次輸出電壓值，并上傳給工控機。工控機上的數據處理部分將這個(gè)電壓值和對應的地址信息生成數據庫，在測試結束時(shí)，工控機將生成的數據庫與標準的數據庫進(jìn)行比對，從而確定出被測產(chǎn)品中那些通道是導通的。導通測試部分的工作流程如圖9所示。

　　絕緣測試部分的工作流程和導通測試類(lèi)似，但是需要特別注意的是在執行絕緣測試命令時(shí)，系統首先會(huì )對測試區間內的點(diǎn)進(jìn)行一次導通測試，并記錄導通的通道號，這樣在工控機向單片機發(fā)送地址指令時(shí)會(huì )自動(dòng)跳過(guò)這些通道，從而保證操作人員和被測產(chǎn)品的安全，防止高壓短路可能引起的災難性后果。

　　需要說(shuō)明的是絕緣測試電壓由采用SG3524芯片的開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現，將15V直流電壓作為輸入電壓，由SG3524產(chǎn)生的PWM脈沖經(jīng)過(guò)MOSFET推動(dòng)之后，驅動(dòng)升壓變壓器，經(jīng)過(guò)倍壓、整流、濾波后得到穩定的高壓輸出，該高壓輸出反饋回SG3524的比較輸入端，通過(guò)數字電位器來(lái)控制PWM波形的占空比，從而使得輸出電壓恒定。

3.2 電纜測試系統自檢流程

　　為了保證設備本身的工作正常，電纜測試系統提供自檢功能。自檢流程分為兩部分，第一部分對USB通道進(jìn)行自檢，USB自檢流程如圖10所示。系統上電后，工控機發(fā)送校驗指令，單片機判斷校驗碼是否正確，在校驗碼正確的情況下，按照協(xié)議返回復碼，工控機判斷回復碼正確的情況下，USB通信建立正常。第二部分是對