發布日期：2022-10-09 點擊率：61
智能型電纜測試系統采用單片機和工控機相結合的方案實現了1 536個測試點之問導通和絕緣關系的測試。詳細說明了基于單片機的硬件電路設計原理和工程應用方案。經實際測試，電纜測試系統達到了設計要求，大幅度提高了洲試的效率和準確性。
0 引言
隨著航空設備自動化程度的不斷提高，多芯電纜越來越多地得到了應用，電纜的性能也很大程度地影響著設備的正常工作。由于多芯電纜芯數增多，其互聯關系也變得更復雜，這就要求電纜測試設備具備更多的測試點數。傳統的手動測試方法費時費力，準確性差，已經不能滿足工程化，批量生產的需要。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USB進行通信。
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電纜的性能測試。
工控機選用研華的IPC-610工業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，控制單片機進行不同的操作；數據處理部分對測試數據進行比對和修正后，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系，并提供顯示和打印等功能。
繼電器陣列由3168個繼電器實現了1536個測試點之間的導通/絕緣測試和繼電器組之間的隔離。1 536個測試點分布在12塊單板上面，每塊單板上面有128個測試點，單板內又分為16行，每行8列，即12×16×8=1 536。每一個測試點由兩個繼電器控制，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128芯的航空插頭，負責和被測產品的連接。
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串聯起來組成主測試回路。當待測電阻Rx為零時，調整R1使電橋處于平衡狀態，即U1=U2，電路輸出約為零，同時產生基準比較電壓U1。在電路正常工作情況下，Rx串聯進入電路后，電橋的平衡被打破，U2變小，U1和U2經過運放OP497的隔離后送入差分放大器INA145進行放大，放大后的電壓信號送入12位精度的MAX197進行采樣。
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單的電阻分壓法來實現，原理如圖4所示。
在圖4中：Rx為被測兩根導線間的絕緣電阻；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運放后輸入放大電路；MAX6176為高精度低噪聲基準電源，經過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個測試點中的某兩個測試點接入相應的測試電路。比如譯碼電路選中測試點1的輸入繼電器Kat和測試點2的輸出繼電器Kab，外部的被測電纜通過這兩個測試點接入相應的測試電路，從而實現了導通或者絕緣測試。為了實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。
單片機P0口作為數據總線將地址信號送給鎖存器74HC573，同時P2．4，P2．5，P2．6，P2．7驅動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，所以需要單機發送兩次地址信息。
當11位地址準備完畢后，由單片機發送地址有效信號，將地址信號送給譯碼電路。
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隔離芯片74HC245，3～8線譯碼器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測試點的輸入繼電器驅動電路，從而將該測試點接入了測試電路。地址信號在單板與單板之間經過74HC245的隔離，防止其驅動能力下降。輸出繼電器的選擇過程完全一樣，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實現，工控機的人機交互界面將操作者輸入的信息通過USB發送給單片機，單片機根據這些命令啟動相應的外設，實現相應的測試功能。電纜測試系統可實現系統自檢，全部導通/絕緣測試，單獨兩點之間導通/絕緣測試和指定區間內兩點間導通/絕緣測試。 下面以導通電阻測試為例來說明電纜測試系統的工作流程：當被測產品通過轉接電纜接入電纜測試系統后，操作者通過參數設定來選擇被測產品的型號。當單片機接收到全部導通測試的命令，首先閉合測試點1的輸入繼電器，其次依次閉合第2個測試點的輸出繼電器，第3個測試點的輸出繼電器到第m個測試點的輸出繼電器(m∈[2，1 536])；當閉合測試點n的輸入繼電器(n∈[2，1 535])后，依次閉合測試點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電壓值和對應的地址信息生成數據庫，在測試結束時，工控機將生成的數據庫與標準的數據庫進行比對，從而確定出被測產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似，但是需要特別注意的是在執行絕緣測試命令時，系統首先會對測試區間內的點進行一次導通測試，并記錄導通的通道號，這樣在工控機向單片機發送地址指令時會自動跳過這些通道，從而保證操作人員和被測產品的安全，防止高壓短路可能引起的災難性后果。
需要說明的是絕緣測試電壓由采用SG3524芯片的開關電源來實現，將15V直流電壓作為輸入電壓，由SG3524產生的PWM脈沖經過MOSFET推動之后，驅動升壓變壓器，經過倍壓、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，通過數字電位器來控制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通道進行自檢，USB自檢流程如圖10所示。系統上電后，工控機發送校驗指令，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。第二部分是對繼電器陣列進行自檢，其流程與導通測試類似。以測試點1和測試點2為例，首先，閉合測試點1的輸入繼電器，采樣測試電壓，如果系統判斷為斷開，則可以說明測試點1的輸出繼電器沒有常閉，反之則說明為常閉故障。把測試點1的輸入繼電器更換為輸出繼電器，采用同樣的方法可以判斷出測試點1的輸入繼電器是否為常閉故障。其次，分別打開測試點1的輸入和輸出繼電器，如果系統判斷為導通，在第一步的基礎上就可以說明兩個繼電器均正常；如果系統判斷為斷開，則兩個繼電器中至少有一個為常開故障。最后，在外部端口上接入自檢插頭，分別選擇測試點1的輸入繼電器和測試點2的輸出繼電器，如果系統判斷為導通，則可以說明內部繼電器和單板到端口的引線正常，反之則說明繼電器到測試端的引線出現問題。
4 結語
電纜測試系統實現了嵌入式子測試系統與主控計算機的有機結合，具有良好的擴展性和通用性。經實際測試，可以實現多種產品內部電纜連接關系的測試，大幅提高了測試效率和準確性。
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